回热器汽车空调系统的研究

摘要：随着全球对能源问题的深入关注，汽车空调节能与环保己经成为制冷领域及汽车领域共同关注的焦点，在此背景下，对在HFC134a汽车空调系统中使用的回热器的单体及系统性能进行了研究。

关键词：回热器汽车空调系统

中图分类号： F407 文献标识码： A

一、 传统汽车空调制冷剂

随着汽车在人们生活中逐渐得到普及，人们开始对乘车环境舒适性提出更高的要求。保守估计，现在全球有90%以上的汽车装配有空调系统。汽车空调系统为汽车提供制冷、采暖、除霜、除雾、空气过滤和湿度控制，影响汽车舒适性。然而，随着全球对能源问题的深入关注，汽车空调节能与环保己经成为制冷领域及汽车领域共同关注的焦点。

近年来，美国环境保护署(EPA)己开始要求各大汽车制造商必须在打开空调的情况下进行尾气排放测试。同时汽车空调所使用的HFC134a制冷剂的全球变暖指数(GlobalWarming Potential,GWP)高达1300，在《京都议定书》中它是属于未来淘汰的制冷剂之一。2006年5月17日，欧盟议会正式通过了淘汰含氟气体法规(F-gasRegulation)，自2011年起新开发的车型禁止使用HFC134a作为汽车空调制冷剂，到2017年新生产车辆停止使用HFC134a.

因此节能和环保是汽车空调业面临的两个紧迫性议题。一方面通过部件性能的提升和新技术的开发来提高系统性能并降低系统能耗和排放;另一方面开发各种环保制冷剂，开发新的空调系统作为未来替代HFC134a系统的可能选择。关于制冷剂替代，学术界和工业界都进行了大量的研究，开发了各种新型环保制冷剂及其系统，如CO2, HFC152a, HC, AC1, DP1/DP2, H1, Fluid-H, HF01234yf等等。

二、回热器的应用

进入21世纪，随着科技的发展，很多性能卓越的空调部件和控制系统在汽车空调系统中得到了逐步应用，在汽车空调中增设回热器(IHX，如图1所示，便是其中一种简单有效的方法。近年来，随着对CO2及HFO 1234yf等新工质的研究逐渐深入，汽车空调回热器逐渐进入了人们的视野。使用回热器替换原有的冷凝器至阀前与蒸发器出口至压缩机两段管路，即可只增加约10欧元左右的成本，帮助汽车空调系统提高性能，甚至可以降低汽车油耗。

图1带回热器的汽车空调系统

三、试验装置及部件

1、R134a汽车空调系统试验装置示意图如图2所示。该试验装置中，蒸发器安装在一个封闭的回路中，进入蒸发器气流的温度和湿度由另一台空调设备来控制，进出口空气湿度由布置在蒸发器空气进出口处的热电偶来测量，进出口空气温度通过露点仪来测定，此外为了制冷量计算的准确性，把凝结在盘管上的水也收集起来，合并在计算中。空气流速可由变速风机来调节，它可以通过安装在回路中的喷管的压降来计算。这样，通过蒸发器进出口空气的温湿度变化和空气流速就可以很方便地求出制冷量，最后把由试验测试区域传递给环境的漏热一并合在制冷量的计算中。

图2R134a汽车空调系统试验装置示意图

冷凝器布置在一个开放的管道中，管道置于一个大气环境模拟室中，空气流速、进出口空气温度和冷凝负荷仿照蒸发器以同样的方式来进行测量和计算。

压缩机与冷凝器置于同一环境下，周围温度与冷凝器入口处空气温度一样。这种情况与汽车空调实际布局一致，在汽车空调中压缩机要受到汽车发动机周围较高温度的影响。压缩机由一台变频电机驱动，其输入功率由安装在电机和压缩机之间的转矩计与压缩机转速计算确定。

2、 系统中制冷剂流程如下:压缩机排出的高压气体进入冷凝器，通过一个质量流量计，然后经过或绕过回热器，经过时，回热器把热量从高压制冷剂传给压缩机吸气，以增加制冷量并提高循环COP，接着制冷剂经过膨胀机构节流，进入蒸发器，从蒸发器出来的制冷剂流入低压贮液器，未蒸发的液态制冷剂和油就贮存在其中，一小部分油和制冷剂混合物通过位于贮液器底部的小孔流入吸气管道以确保压缩机的，从低压贮液器出来的气态制冷剂通过三通阀再相应地经过或绕过回热器，最后被吸人压缩机。在制冷回路各主要部件的进出口处都装有热电偶和压力传感器。

该试验所采用的膨胀机构既不是固定节流孔式，也不是热力膨胀阀，而是电子式膨胀机构，可以根据需要来调节其开度。蒸发器出口过热度随着制冷剂的充灌量的多少和膨胀机构开度的大小而不同。

R134a汽车空调系统试验模型所用压缩机为活塞式制冷压缩机，回热器是根据试验要求而特别设计制造的，其低压侧压降相对同样尺寸的一般换热器来说要小。

3、试验工况

为达到预定试验目的，对试验工况作了特别要求。试验中蒸发器入口空气温度为27 ℃，相对湿度50%，空气流量580m3/h。压缩机转速为1000rpm时，通过冷凝器的空气流速限制在1.0m/s，当转速变为1800rpm时，流速增为2. 5m/s。冷凝器入口空气温度在25℃一40℃之间变化，相对湿度为40 % .试验工况总结在表1中:

表1试验工况

4、试验结果与分析

试验中可以调节的参数为制冷剂充灌量和膨胀机构的开度。当压缩机转速改变时，通过调节膨胀机构的开度来保持蒸发温度的恒定。当压缩机的转速为1000rpm时，试验所采用的蒸发温度分别设定为5℃ ,8℃和12℃，试验结果表明，蒸发温度为8 ℃时，系统性能最优;当压缩机转速时1800rpm时，蒸发器的负荷加大，故蒸发温度分别设为2℃,5℃、和8 ℃，结果表明2℃时，系统性能最优，这种情况下蒸发温度已不可能再调低，因为要防止在蒸发器盘管上结霜。

由试验可知:当蒸发温度较高时(如8℃)，冷凝器出口制冷剂处在两相区，没有过冷度;在较低的蒸发温度时，有很小的过冷度。在以上的运行工况下，过热度大约为15K，过热温度接近于蒸发器入口空气温度。由试验结果还可以看出，在系统其它部件不变的情况下，只改变膨胀机构开度，当系统带有吸气管道换热器时，可以提高其制冷量和COP。压缩机转速为1000rpm，冷凝器人口空气温度为40℃时，带与不带吸气管道换热器的系统系统性能如图3和图4所示，横坐标为冷凝器出口压力，在试验工况下，即反映了制冷剂充灌量的多少，纵坐标分别代表制冷量和COP，图中曲线左边的点为制冷剂充灌量不够的情形。试验过程中逐渐增加制冷剂充灌量，直到系统性能不再随充灌量增加而发生明显变化时为止。随着充灌量的增加，过热度逐渐降低，而过冷度逐渐增加。在蒸发温度为8℃时，不断给系统充灌制冷剂，直到过热度降为5K左右，此时过冷度变为大约20K;蒸发温度为5℃时，充灌量一直增加到过热度变为lOK左右，过冷度变为大约30K。对带与不带吸气管道换热器的系统来说，过热度和过冷度的差别不是很大，差别主要体现在系统制冷量和COP的变化上，例如:蒸发温度为8℃时，吸气管道换热器能使制冷量增加大约8%, COP提高大约10%，在非最佳运行工况，如制冷剂充灌量不够或蒸发温度较低时，吸气管道换热器的效果更明显。

图3制冷量与吸气管道换热器的关系

图4COP与吸气管道换热器的关系

压缩机转速为1800rpm，试验曲线与1000rpm的情况类似，只是吸气管道换热器的效果不如100rpm时明显，大概只能提高5%左右。

5、试验结果还表明:压缩机转速为1000rpm，冷凝器入口空气温度为25℃时，带与不带吸气管道换热器的系统其性能一样，然而在制冷剂充灌量不够或蒸发温度不是最佳的情况下，吸气管道换热器还是能提高。0~5%的性能;压缩机转速为1800rpm，冷凝器入口空气温度25℃时，吸气管道换热器不能提高性能。

在设计吸气管道换热器时，压降是需要考虑的一个主要因素。高压侧压降不是很重要，因为处在过冷区的高压液体密度大，相对来说压降就小;而且高压侧小的压降对制冷剂温度的改变不是很明显;只要避免制冷剂进入两相区即可，因为气液两相在管道中的压降会大大增加。但是在低压侧，压降却是一个非常重要的因素，压降增大，吸气比容就增大，结果导致制冷剂质量流量降低，压缩机压比增大，两者都会使系统性能降低。

结语：

随着全球对能源问题的深入关注，汽车空调节能与环保己经成为制冷领域及汽车领域共同关注的焦点。在HFC134a汽车空调系统中增设回热器可以有效帮助提高其系统性能。本文以HFC 134a汽车空调系统为基础，将回热器的技术应用到实车空调系统中，以期达到提高系统性能和保护环境的目的。

参考文献：

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