电动汽车的一个可逆热泵系统除霜过程的参数分析

1电动汽车的一个可逆热泵系统除霜过程的参数分析摘要使用含有电动汽车热需求的PTC元件的电阻加热器会减弱明显的巡航范围。对于这一问题，可逆的冷却和加热系统是一个最有效果的解决方案。然而,在热泵模式下，热交换器的表面结霜会降低系统的性能和效率。因此，一个有效的除霜方法是受益于热泵结霜工况下的关键。在本文中，讨论一下两点：1、一个逆循环除霜过程可逆的冷却的测量结果.2、对于城市电动汽车，使用二氧化碳作为工作流体在选定的操作条件下的加热系统。更进一步来说，建立了一个临时的Modelica仿真模型用来评估在除霜和优化工艺参数不同的情况下所带来的影响。仿真结果表明：在除霜过程，不同的节流阀的开口会产生不同的效果，并且会有一个较为理想的节流阀开度，相比于其它阀门开度，在此开度下表现出除霜效率较高，除霜时间较短。ABSTRACTTheuseofresistanceheaterswithPTCelementstocovertheheatdemandofelectricvehiclesreducessignificantlythecruisingrange.Reversiblecoolingandheatingsystemsareoneofthemostpromisingsolutionsforthisproblem.However,inheatpumpmodethefrostformationontheexteriorheatexchangerreducestheperformanceandefficiencyofthesystem.Therefore,anefficientdefrostingmethodiscrucialtobenefitfromtheheatpumpalsounderfrostingconditions.Inthepresentpaper,measurementresultsofareversecycledefrostingprocessonareversiblecoolingandheatingsystemusingCO2asworkingfluidforanelectriccitycaratchosenoperatingconditionarediscussed.Further,atransientModelicasimulationmodelwassetupinordertoassesstheimpactofdifferentparametersduringdefrostingandtooptimizetheprocess.Thesimulationresultsshowedtheeffectofdifferentthrottlevalveopeningsonthedefrostingprocessandabestperformingvalve-opening,wherethedefrostefficiencywashigherandthedefrosttimewasshortercomparedtotheothercases.2重点部分：1、建立一个逆循环除霜过程的瞬变模型。2、进行膨胀阀开度的参数分析。3、在热交换器中建立一个可视的模拟霜厚。4、存在一个关于除霜时间和除霜效率的最佳节流阀开度。5、过低的冷却剂流量会造成明显较长的除霜时间。目录摘要........................................................................1ABSTRACT...............................................................11、简介......................................................................3①、逆循环除霜：.........................................................3②、以CO2为自然工质的可逆冷却和加热的系统..............................41.1测量过程.............................................................41.2实验部分.............................................................41.3实验过程.............................................................42、仿真模型..................................................................52.1制冷剂循环的组件模型................................................52.2结霜模型.............................................................53、结果与讨论................................................................64、结论......................................................................95、参考文献................................................................1031、简介与传统汽车相比，电动汽车以较少的余热加热乘客舱。因此，车厢内较低环境温度的热需求需要额外的热源去弥补。而含PTC元件的电阻加热显著降低电动车辆的巡航范围，使用A/C系统作为热泵是一种更高效节能的解决方案。在热泵模式下，热交换器的表面作为制冷剂的蒸发器。在较低的环境温度条件下，热交换器表面的温度会降到0℃以下，因此这将导致热交换器的表面温度低于水的结晶点。这就是热交换器表面霜形成的前提条件。由于热交换器较低的热导率，越来越多的霜层会减弱了热交换器的性能，这导致了其加热能力以及热泵性能系数的减弱。因此，有时除去热交换器表面上的霜是必要的，而且一个有效的除霜方法是受益于热泵结霜工况下的关键。Dong[1]中提到的测量结果，除霜能量消耗占空气源热泵制热运行操作时总能耗的10%。考虑能源效率，通过热除霜制冷剂将热交换器表面上的霜除去的除霜方法被认为应该是最有效的方法[2]。所建立的两个方法采用这种原理：①、逆循环除霜：使用换向阀，制冷剂可以在加热模式和制冷模式之间周期性转化。然而在加热模式下，热交换器的外部作为蒸发器而且会在其表面形成霜；在制冷模式下，它作为气体冷却器或者冷凝器。因此，高温的冷却剂从压缩机中到热交换器的表面可以除去其表面的霜。高温气体除霜：压缩机中的高温气体经过旁通阀直接扩散到热交换器表面除去其表面的霜。应用于汽车中，逆循环除霜的方法有部分较高温度除霜方法的性能优点，原因在于环境空气或舱室空气可以被作为热源。然而高温气体除霜仅使用来自压缩机的能量。更进一步来说，可逆冷却和加热系统不需要额外的阀或者旁通阀来控制逆循环除霜。这个方法的局限性在于在除霜过程中会在室内的热交换器中形成冷凝水或者霜，当切换至加热模式时，会导致闪光灯雾化并且冷空气通过室内热交换器，不能进入到车厢内，起不到明显的降温效果。因此，有必要在空调箱上安装一个装置来将室内热交换器产生的气体排放到车厢内。对逆循环除霜的一些研究陈列如下：Huangetal.[3]研究表明不同风机的起动方法对空气性水源热泵性能的影响；Wenjuetal[4]讨论了利用热能对空气源热泵蓄逆循环除霜的方法；Dongetal[1]研究了在逆循环除霜操作中的热供应和能源消耗；为城市电动汽车设计一项使用自然工质CO2作为工作流体的可逆冷却和加热系统（第2部分）。SteinerandRieberer[5]讨论了该系统在结霜工况下的性能。在本文中，将呈现该系统在逆循环除霜过程中的测量结果和仿真模拟结果。由于4结霜和除霜原本就是个瞬变的现象，在结霜工况下，我们常使用稳态模型去预测其性能是不具备足够说服力。因此，为了模拟和优化除霜过程，使用theModelica“AirConditioning”library[7]来建立一个瞬态仿真模型。②、以CO2为自然工质的可逆冷却和加热的系统●可逆的冷却和加热系统的组成部分见原理图(图1)所示:电动径向活塞式压缩机的最大排量6cm3/r和最高转速每分钟6000转。●两个开关阀，一个置于高压区，另一个置于低压区，目的为了在冷却和加热模式之间可以相互转换.●热交换器的吸收管路●膨胀阀●蓄电池在加热模式中，压缩机的速度由PID控制器来调节，使内部热交换器的进口温度保持在60℃。在除霜过程中，压缩机的转速保持在1500r/min.1.1测量过程在文中3.1所描述的实验部分来主导逆循环除霜的测量，实验程序在文中3.2部分描述。1.2实验部分实验部分如图2所示，该项实验由外室、内室组成，这两室所能适应的温度范围在-15℃到50℃。温度、湿度以及质量流或者传感器的排量在内、外部热交换器饿上部分管路中测量。之后在内、外部热交换器下部分管路中的要素中温度用温度计来测量。另外，在外部热交换器的前面放置一台相机，去记录霜的形成。在冷却一侧，每个元件的上下部分都需测量其温度和压力。在冷却一侧，用coriolis质量流测量仪器来测量其质量流速率。外室包含连接外部热交换器的真空管。1.3实验过程该系统在热泵模式的条件下进行，直到外部热交换器被覆盖上霜为止。然后，压缩机停止工作，直到压力值大致保持不变（约20s）同时切换阀起作用，切换至逆循环除霜的A/C模式。随后压缩机再次起动，以1500r/min的速度工作。热交换器的径向流风机在测量过程中保持恒定的速度。52、仿真模型2.1和2.2部分描述了用于模拟制冷剂循环和霜层模型的基本原理。2.1制冷剂循环的组件模型压缩机通过测量得到其性能图来获得容积效率（方程1），等熵效率（方程2）和取决于压缩机速度和压缩比的有效等熵效率（方程3）。压缩机内部的发热忽略不计。热交换器模型是以ModelicaAirConditioningLibrary[7]模板为基础来计算内部热交换器真空管侧的thecorrelationofHaaf[8]，从而来计算其相关系数Nusselt-number。对于外部热交换器。thecorrelationfromChangandWang[9]来计算真空管侧热传递的相关系数。在冷却侧，蒸发和单向流的热传递的实现已经应用在内部热交换器。根据Kandlikar[10]，它采用两相沸腾传热相关系数和数值化的单相传热。由于数值稳定性的原因，两个常量的单相、双向区已经被应用于外部热交换器。冷却侧的压力是通过在二次损失函数测量的基础上计算出其压力值。产生的热量流向霜层，这一热量Qfront是通过计算湿空气和墙之间的能量平衡来得到其数值。根据DINEN60534-2-1[11]，膨胀阀模型所确定的质量流量为可压缩流体流动。在亚临界状态下，它已被证明在除霜过程中能给予系统的反馈。冷却剂质量流量是根据来计算有效流量。计算二氧化碳冷却剂的性能，随着theshortequationofstateproposedfromSpanandWagner[12]以及增强一样的样条插值之间的相和使有效的边界起动动态模拟的效果。2.2结霜模型TheModelicalibraryAirConditioning包含了热用有限体积的空气流模型，把霜的生长考虑在内。结霜模型是以著作ProelssandSchmitz[13]为基础。越来越多生长着的霜层的性能取决于很多参数（例如形成冰晶体等），从文献的实证相关性来看，ProelssandSchmitz[13]描述了不同的现象。霜层在一个以集中的方