電動汽車的一個可逆熱泵系統(tǒng)除霜過程的參數(shù)分析(共12頁)

1、 電動汽車的一個可逆熱泵系統(tǒng)除霜過程(guchng)的參數(shù)分析 摘要(zhiyo)使用(shyng)含有電動汽車熱需求的PTC元件的電阻加熱器會減弱明顯的巡航范圍。對于這一問題，可逆的冷卻和加熱系統(tǒng)是一個最有效果的解決方案。然而,在熱泵模式下，熱交換器的表面結(jié)霜會降低系統(tǒng)的性能和效率。因此，一個有效的除霜方法是受益于熱泵結(jié)霜工況下的關(guān)鍵。在本文中，討論一下兩點：1、一個逆循環(huán)除霜過程可逆的冷卻的測量結(jié)果.2、對于城市電動汽車，使用二氧化碳作為工作流體在選定的操作條件下的加熱系統(tǒng)。更進(jìn)一步來說，建立了一個臨時的Modelica仿真模型用來評估在除霜和優(yōu)化工藝參數(shù)不同的情況下所帶來的影響。仿真結(jié)果

2、表明：在除霜過程，不同的節(jié)流閥的開口會產(chǎn)生不同的效果，并且會有一個較為理想的節(jié)流閥開度，相比于其它閥門開度，在此開度下表現(xiàn)出除霜效率較高，除霜時間較短。a b s t r a c tThe use of resistance heaters with PTC elements to cover the heat demand of electric vehicles reduces significantly the cruising range. Reversible cooling and heating systems are one of the most promising solu

3、tions for this problem. However, in heat pump mode the frost formation on the exterior heat exchanger reduces the performance and efficiency of the system. Therefore, an efficient defrostingmethod is crucial to benefit from the heat pump also under frosting conditions.In the present paper, measureme

4、nt results of a reverse cycle defrosting process on a reversible cooling and heating system using CO2 as working fluid for an electric city car at chosen operating condition are discussed. Further, a transient Modelica simulation model was set up in order to assess the impact of different parameters

5、 during defrosting and to optimize the process. The simulation results showed theeffect of different throttle valve openings on the defrosting process and a best performing valve-opening,where the defrost efficiency was higher and the defrost time was shorter compared to the other cases.重點(zhngdin)部

6、分 ： 1、建立一個逆循環(huán)(xnhun)除霜過程的瞬變模型。 2、進(jìn)行膨脹閥開度的參數(shù)(cnsh)分析。 3、在熱交換器中建立一個可視的模擬霜厚。 4、存在一個關(guān)于除霜時間和除霜效率的最佳節(jié)流閥開度。 5、過低的冷卻劑流量會造成明顯較長的除霜時間。 目錄 TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc15500 摘要 PAGEREF _Toc15500 1 HYPERLINK l _Toc13683 a b s t r a c t PAGEREF _Toc13683 1 HYPERLINK l _Toc18120 1、簡介 PAGEREF _Toc18120 3 HYPERLIN

7、K l _Toc25436 、逆循環(huán)除霜： PAGEREF _Toc25436 3 HYPERLINK l _Toc3541 、以CO2 為自然工質(zhì)的可逆冷卻和加熱的系統(tǒng) PAGEREF _Toc3541 4 HYPERLINK l _Toc30717 1.1 測量過程 PAGEREF _Toc30717 4 HYPERLINK l _Toc32321 1.2 實驗部分 PAGEREF _Toc32321 4 HYPERLINK l _Toc22771 1.3 實驗過程 PAGEREF _Toc22771 4 HYPERLINK l _Toc3408 2、仿真模型 PAGEREF _Toc34

8、08 5 HYPERLINK l _Toc15372 2.1 制冷劑循環(huán)的組件模型 PAGEREF _Toc15372 5 HYPERLINK l _Toc16592 2.2 結(jié)霜模型 PAGEREF _Toc16592 5 HYPERLINK l _Toc25161 3、結(jié)果與討論 PAGEREF _Toc25161 6 HYPERLINK l _Toc1664 4、結(jié)論 PAGEREF _Toc1664 9 HYPERLINK l _Toc30760 5、參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc30760 101、簡介(jin ji)與傳統(tǒng)汽車相比，電動汽車以較少的余熱加熱乘客(chngk)艙。

9、因此，車廂內(nèi)較低環(huán)境溫度的熱需求需要額外的熱源去彌補。而含PTC元件的電阻加熱顯著降低電動(din dn)車輛的巡航范圍，使用A/ C系統(tǒng)作為熱泵是一種更高效節(jié)能的解決方案。在熱泵模式下，熱交換器的表面作為制冷劑的蒸發(fā)器。在較低的環(huán)境溫度條件下，熱交換器表面的溫度會降到0以下，因此這將導(dǎo)致熱交換器的表面溫度低于水的結(jié)晶點。這就是熱交換器表面霜形成的前提條件。由于熱交換器較低的熱導(dǎo)率，越來越多的霜層會減弱了熱交換器的性能，這導(dǎo)致了其加熱能力以及熱泵性能系數(shù)的減弱。因此，有時除去熱交換器表面上的霜是必要的，而且一個有效的除霜方法是受益于熱泵結(jié)霜工況下的關(guān)鍵。Dong 1 中提到的測量結(jié)果，除霜能量

10、消耗占空氣源熱泵制熱運行操作時總能耗的10%?？紤]能源效率，通過熱除霜制冷劑將熱交換器表面上的霜除去的除霜方法被認(rèn)為應(yīng)該是最有效的方法 2 。所建立的兩個方法采用這種原理：、逆循環(huán)除霜：使用換向閥，制冷劑可以在加熱模式和制冷模式之間周期性轉(zhuǎn)化。然而在加熱模式下，熱交換器的外部作為蒸發(fā)器而且會在其表面形成霜；在制冷模式下，它作為氣體冷卻器或者冷凝器。因此，高溫的冷卻劑從壓縮機中到熱交換器的表面可以除去其表面的霜。高溫氣體除霜：壓縮機中的高溫氣體經(jīng)過旁通閥直接擴散到熱交換器表面除去其表面的霜。應(yīng)用于汽車中，逆循環(huán)除霜的方法有部分較高溫度除霜方法的性能優(yōu)點，原因在于環(huán)境空氣或艙室空氣可以被作為熱源。

11、然而高溫氣體除霜僅使用來自壓縮機的能量。更進(jìn)一步來說，可逆冷卻和加熱系統(tǒng)不需要額外的閥或者旁通閥來控制逆循環(huán)除霜。這個方法的局限性在于在除霜過程中會在室內(nèi)的熱交換器中形成冷凝水或者霜，當(dāng)切換至加熱模式時，會導(dǎo)致閃光燈霧化并且冷空氣通過室內(nèi)熱交換器，不能進(jìn)入到車廂內(nèi)，起不到明顯的降溫效果。因此，有必要在空調(diào)箱上安裝一個裝置來將室內(nèi)熱交換器產(chǎn)生的氣體排放到車廂內(nèi)。對逆循環(huán)除霜的一些研究陳列如下：Huang et al. 3研究表明不同風(fēng)機的起動方法對空氣性水源熱泵性能的影響；Wenju et al4 討論了利用熱能對空氣源熱泵蓄逆循環(huán)除霜的方法；Dong et al 1 研究了在逆循環(huán)除霜操作中的

12、熱供應(yīng)和能源消耗；為城市電動汽車設(shè)計(shj)一項使用自然工質(zhì)CO2作為工作流體的可逆冷卻(lngqu)和加熱系統(tǒng)（第2部分(b fen)）。Steiner and Rieberer 5 討論了該系統(tǒng)在結(jié)霜工況下的性能。在本文中，將呈現(xiàn)該系統(tǒng)在逆循環(huán)除霜過程中的測量結(jié)果和仿真模擬結(jié)果。由于結(jié)霜和除霜原本就是個瞬變的現(xiàn)象，在結(jié)霜工況下，我們常使用穩(wěn)態(tài)模型去預(yù)測其性能是不具備足夠說服力。因此，為了模擬和優(yōu)化除霜過程，使用the Modelica “AirConditioning” library 7 來建立一個瞬態(tài)仿真模型。、以CO2 為自然工質(zhì)的可逆冷卻和加熱的系統(tǒng) 可逆的冷卻和加熱系統(tǒng)的組成部

13、分見原理圖(圖1)所示:電動徑向活塞式壓縮機的最大排量6cm3/r和最高轉(zhuǎn)速每分鐘6000轉(zhuǎn)。兩個開關(guān)閥，一個置于高壓區(qū)，另一個置于低壓區(qū)，目的為了在冷卻和加熱模式之間可以相互轉(zhuǎn)換.熱交換器的吸收管路膨脹閥蓄電池在加熱模式中，壓縮機的速度由PID控制器來調(diào)節(jié)，使內(nèi)部熱交換器的進(jìn)口溫度保持在60。在除霜過程中，壓縮機的轉(zhuǎn)速保持在1500r/min.測量過程 在文中3.1所描述的實驗部分來主導(dǎo)逆循環(huán)除霜的測量，實驗程序在文中3.2部分描述。實驗部分實驗部分如圖2所示，該項實驗由外室、內(nèi)室組成，這兩室所能適應(yīng)的溫度范圍在-15到50。溫度、濕度以及質(zhì)量流或者傳感器的排量在內(nèi)、外部熱交換器餓上部分管路

14、中測量。之后在內(nèi)、外部熱交換器下部分管路中的要素中溫度用溫度計來測量。另外，在外部熱交換器的前面放置一臺相機，去記錄霜的形成。在冷卻一側(cè)，每個元件的上下部分都需測量其溫度和壓力。在冷卻一側(cè)，用coriolis質(zhì)量流測量儀器來測量其質(zhì)量流速率。外室包含連接外部熱交換器的真空管。1.3 實驗(shyn)過程該系統(tǒng)在熱泵模式的條件下進(jìn)行，直到外部(wib)熱交換器被覆蓋上霜為止。然后，壓縮機停止工作，直到壓力值大致保持不變（約20s）同時(tngsh)切換閥起作用，切換至逆循環(huán)除霜的A/C模式。隨后壓縮機再次起動，以1500r/min的速度工作。熱交換器的徑向流風(fēng)機在測量過程中保持恒定的速度。2、仿

15、真模型2.1和2.2部分描述了用于模擬制冷劑循環(huán)和霜層模型的基本原理。2.1 制冷劑循環(huán)的組件模型壓縮機通過測量得到其性能圖來獲得容積效率（方程1），等熵效率（方程2）和取決于壓縮機速度和壓縮比的有效等熵效率（方程3）。壓縮機內(nèi)部的發(fā)熱忽略不計。熱交換器模型是以Modelica AirConditioning Library 7模板為基礎(chǔ)來計算內(nèi)部熱交換器真空管側(cè)的the correlation of Haaf 8 ，從而來計算其相關(guān)系數(shù)Nusselt-number。對于外部熱交換器。the correlation fromChang andWang 9 來計算真空管側(cè)熱傳遞的相關(guān)系數(shù)。在冷卻

16、側(cè)，蒸發(fā)和單向流的熱傳遞的實現(xiàn)已經(jīng)應(yīng)用在內(nèi)部熱交換器。根據(jù)Kandlikar 10，它采用兩相沸騰傳熱相關(guān)系數(shù)和數(shù)值化的單相傳熱。由于數(shù)值穩(wěn)定性的原因，兩個常量的單相、雙向區(qū)已經(jīng)被應(yīng)用于外部熱交換器。冷卻側(cè)的壓力是通過在二次損失函數(shù)測量的基礎(chǔ)上計算出其壓力值。產(chǎn)生的熱量流向霜層，這一熱量Qfront是通過計算濕空氣和墻之間的能量平衡來得到其數(shù)值。根據(jù)DIN EN 60534-2-1 11，膨脹閥模型所確定的質(zhì)量流量為可壓縮流體流動。在亞臨界狀態(tài)下，它已被證明在除霜過程中能給予系統(tǒng)的反饋。冷卻劑質(zhì)量流量是根據(jù)來計算有效流量。計算二氧化碳冷卻劑的性能，隨著the short equation of

17、 state proposed from Span and Wagner12以及增強一樣的樣條插值之間的相和使有效的邊界起動動態(tài)模擬的效果。結(jié)霜模型The Modelica library AirConditioning包含了熱用有限體積(tj)的空氣流模型，把霜的生長考慮在內(nèi)。結(jié)霜模型是以著作Proelss and Schmitz 13為基礎(chǔ)。越來越多生長(shngzhng)著的霜層的性能取決于很多參數(shù)（例如形成冰晶體等），從文獻(xiàn)的實證相關(guān)性來看，Proelss and Schmitz 13描述(mio sh)了不同的現(xiàn)象。霜層modeled in a lumped manner with

18、homogeneous temperature在一個以集中的方式，溫度均勻的and variable frost thickness, is integrated in the air cell of the discretised、可變霜層厚度，集成在離散化的空氣電池的heat exchanger model. It is based on the assumption that換熱器模型。它是基于假設(shè)condensing water freezes when the resulting temperature is below冷凝水結(jié)冰時的溫度低于the freezing point. T

19、he condensing water flow rate is calculated冰點。冷凝水流量的計算according to Eq. (5), where the driving force is the difference in根據(jù)式，其中周圍空氣的濕度比與濃度saturated moist air at wall temperature. Based on the analogy of飽和濕空氣在管壁溫度上的驅(qū)動力是不同的concentration between the humidity ratio of the ambient air and。依據(jù)heat and mass

20、transfer 14，傳質(zhì)系數(shù)Bcomputed from the heat transfer coefficient a (Eq. (6).，計算出的傳熱系數(shù)進(jìn)一步的參數(shù)關(guān)于霜的表面密度決定了霜的生長層。霜表面面密度的計算在the empirical correlation from Hayashi et al. 15 中有介紹，這面密度取決于表面溫度。所用到的霜模型是沒有水的擴散而凍結(jié)成型，因此這將形成致密的霜層。整個水在霜層表面流動被認(rèn)為是改變了霜層的厚度。 霜層的熱導(dǎo)率取決于各種參數(shù)，如冰晶體的形狀和排列方向，使建立其物理模型較為困難。雖然，許多作者認(rèn)為霜層的厚度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響在于

21、用霜模型的相關(guān)性來體現(xiàn)。Yonko and Sepsy 16 用來計算霜層平均密度的熱導(dǎo)率。平均的霜密度射頻pf,avg，可以由霜層的總質(zhì)量和厚度來計算。產(chǎn)生的熱流量流經(jīng)霜層時，霜層的熱量Q_ frost，它由濕空氣與墻之間的能量平衡來計算得到的，公式：墻上的熱流量Qwall的計算是根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)以及霜層溫度梯度的計算得到，公式：在真空管一側(cè)，由于水分和冷凝水的原因引起明顯和潛在的發(fā)熱。該模型采用一種算法，這一算法可以根據(jù)霜表面的溫度來判斷出其是凍結(jié)還是融化狀態(tài)。用熱量去除霜層的辦法可以改變霜層的溫度或者質(zhì)量的變化。融化熱或者凝固熱是與冰的融化或水的凝結(jié)有關(guān)。融霜層的溫度(wnd)假定不變（0）

22、并且(bngqi)近似Q_ frost =Q_ melt當(dāng)作用來融化霜層的熱量。仿真模型不考慮水的積累，它假定冰融化后，水立即流走。因此，冷凍(lngdng)或融化的水再蒸發(fā)模型是不可能的。初始霜層的均勻邊界條件是df = 0.55mm并且射頻平均密度為pf,avg =250 kg/m3。3、結(jié)果與討論圖顯示了在除霜過程中外部熱交換器的狀況。在左上圖片4，冷卻劑的流動方向做了標(biāo)記。根據(jù)視頻數(shù)據(jù)記錄，逆循環(huán)工藝過程完成大約需要1分35秒。使用測量壓縮機的轉(zhuǎn)速作為模擬輸入，仿真模型預(yù)測整個霜在融化1分30秒后的狀況，這與視頻記錄的數(shù)據(jù)一致。圖6描繪了排氣壓力以及在除霜過程中，外部熱交換器的冷卻劑，

23、其入口和出口的排氣溫度的實驗結(jié)果和仿真結(jié)果。通過仿真模型預(yù)測初始排氣壓力時其壓力值變化較大，原因在于仿真模型沒有包括管的體積和切換閥。壓縮機工作的排氣壓力達(dá)到37bar大約15秒后，此時對應(yīng)2的飽和溫度。在除霜過程中，這一壓力值會略有增加，在2分30秒后，壓力值會達(dá)到38bar.除霜過程中吸收管的壓力大致保持在21bar，這相當(dāng)于18的飽和溫度。1分鐘后，外部熱交換器的進(jìn)口溫度從-10增加至40.融霜過程良好的傳熱造成外部熱交換器的出口排氣溫度略高于0。1分30秒后，對比測量結(jié)果，模擬放電壓力以及外部熱交換器的進(jìn)口和出口溫度都有明顯的增加，造成這一現(xiàn)象的原因是由于假設(shè)的仿真模型是霜融化成水后立

24、即排出，然而實際。測量的過程中有相當(dāng)大的一部分水仍然在熱交換器里。當(dāng)系統(tǒng)切換回?zé)岜媚Ｊ綍r，熱交換器中剩余的水會導(dǎo)致結(jié)霜的速度更快。因此在除霜后，吹干熱交換器的附加措施也可能是一種方法。圖顯示了再除霜過程中，壓縮機的功率和制冷劑的質(zhì)量流量(liling)。啟動壓縮機的功率大約為270 W 。制冷劑的質(zhì)量流量(liling)在達(dá)到24Kg/h幾乎(jh)恒定后，會略有下降到20Kg/h。制冷劑質(zhì)量流量的仿真模型結(jié)果表明與實際測量有存在21%的最大相對誤差和6.8%的平均相對誤差。壓縮機的功率最大相對誤差為19%，平均相對誤差為4.9%。以下的簡化為了增加數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性以及避免仿真模型的失效，這可能會

25、引起些誤差：忽略管道和切換閥的體積和質(zhì)量。簡化外部熱交換器的傳熱方式假設(shè)霜融化后的水立即排出然而，模擬壓縮機的工作壓力Wdefrost 作為確定除霜效率最為重要的值，其引起的相對誤差僅為1.6%。因此，依據(jù)這些參數(shù)分析的仿真結(jié)果可以看出，不同的節(jié)氣門開度（對應(yīng)于不同閥的開度）似乎是合理的，因為可以通過該仿真模型預(yù)測數(shù)據(jù)的走向。圖顯示了節(jié)氣門開度在0.005到0.015范圍內(nèi)與除霜時間的結(jié)果，這與使用膨脹閥的開度范圍相一致。顯然，除霜時間隨著閥門開度的增加而增加，但是根據(jù)仿真結(jié)果，過小的節(jié)氣門開度會抑制快速的除霜進(jìn)程。為了找到導(dǎo)致一現(xiàn)象的原因，對以下3個閥門開度作了更深一步的研究：最低除霜時間(

26、shjin)的閥門開度，參考“Kvopt”值85%的“Kvopt”表明(biomng)了過小節(jié)氣門開度的影響。150%的“Kvopt”表明(biomng)過大節(jié)氣門開度的影響。圖顯示了上述所提到3個閥門開度的冷卻過程對比結(jié)果。明顯，開度為85%的閥，在除霜過程中，冷卻劑在外部熱交換器的出口已經(jīng)被冷卻。由于較低的質(zhì)量流量，這將降低了除霜性能。在熱交換器表面上的一個可視的仿真霜厚度在圖體現(xiàn)。在85%的“Kvopt”到“Kvopt”之間，每隔30秒，依次(yc)從左到右排列。然而“Kvopt”值的閥門(f mn)開度對應(yīng)均勻快速的除霜過程，過小的閥門開度由于冷卻劑的冷卻導(dǎo)致除霜過程耗時多，這引起不均

27、勻的除霜過程。4、結(jié)論(jiln)測量結(jié)果外部熱交換器在選定操作條件下的除霜比逆循環(huán)除霜耗時少2分鐘。在除霜過程中，壓縮機的壓力值達(dá)到37 bar 后會略有漲幅。在壓縮機啟動后，吸管的壓力值總是保持著21 bar 。在壓縮機啟動2分30秒后，外部熱交換器的冷卻劑進(jìn)口溫度大約達(dá)到50.啟動后，壓縮機的功率保持在270W，速度保持在1500r/min，平均冷卻劑流量21Kg/h.含有一個熱交換器的制冷劑循環(huán)的模型，模擬壓縮機的工作功率Wdefrost與測量結(jié)果相比較顯示的相對誤差為1.6%。因此，根據(jù)這些仿真結(jié)果，不同節(jié)流閥參數(shù)分析似乎是合理的，原因在于該模型的可預(yù)測性。仿真結(jié)果表明，存在一個最佳

28、的Kvalue 值使得除霜的運行時間和效率處于最佳。大的節(jié)流閥開度使得除霜時間增加和效率低。但是過小的Kvalue 值會更加加劇時間的增加，效率降低。這是由于較低的冷卻劑質(zhì)量流量所引起的結(jié)果，這將會引起冷卻劑在交換器的最后階段冷卻。從而導(dǎo)致了不平衡的除霜過程。對逆循環(huán)除霜過程的研究，表明在亞臨界系統(tǒng)條件下使用二氧化碳作為工作流體（恒溫冷凝），得到的結(jié)果也可能被轉(zhuǎn)移到其他的除霜制冷劑中，如逆循環(huán)除霜過程與R134a，除霜熱量很大一部分來自于過冷制冷劑冷凝，也可能導(dǎo)致不均勻的低效率的除霜過程。因此，優(yōu)化膨脹閥開度（大小）的類似建議值得采納。5、參考文獻(xiàn)：1 J. Dong, S. Deng, Y.

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