R1234yf电动汽车空调系统制冷性能的试验研究.pdf

流 体 机 械第 51 卷第 7 期2023 年 7 月 9 收稿日期：2022-06-17 修稿日期：2023-03-08基金项目：河南省高等学校重点科研项目（16A470008）；河南理工大学横向科研项目（H20-463）doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2023.07.002R1234yf 电动汽车空调系统制冷性能的试验研究陈小砖1，孟雪峰1，王 攀1，张蓓乐2，刘秀芳2（1.河南理工大学 机械与动力工程学院，河南焦作 454000；2.西安交通大学 能源与动力工程学院，西安 710049）摘 要：为了实现汽车空调环保制冷剂要求，选用低全球变暖潜能值（GWP）制冷剂R1234yf，研究了环境温度对R1234yf 空调系统制冷性能的影响，并在不同电子膨胀阀（EXV）开度和压缩机转速下对比了R1234yf 系统和R134a 系统的制冷性能。结果表明：当环境温度从 27升至 43，R1234yf 系统排气温度升高 18，功耗增大 36.6%，制冷量和COP 分别降低 13.9%和 55.7%；随着电子膨胀阀开度的增加，吸气过热度降低，制冷量和COP 先增大后减小，各个转速下均存在一个最佳开度对应制冷性能最优；随着压缩机转速提高，排气温度升高，制冷量增大，但COP 降低。当汽车空调系统中采用R1234yf 制冷剂直接替代R134a 时，虽然R1234yf 系统的制冷量和COP 比R134a 系统分别平均降低 4.5%和 14.9%，但排气温度比R134a 系统平均低 5.2。该研究结果可为电动汽车空调系统制冷剂的替代研究提供参考。关键词：电动汽车空调；R1234yf 制冷剂；电子膨胀阀；压缩机转速；制冷量中图分类号：TH12；TB657.2 文献标志码：A Experimental study on refrigeration performance of R1234yf air conditioning system for electric vehiclesCHENXiaozhuan1，MENGXuefeng1，WANGPan1，ZHANGBeile2，LIUXiufang2（1.SchoolofMechanicalandPowerEngineering，HenanPolytechnicUniversity，Jiaozuo 454000，China；2.SchoolofEnergyandPowerEngineering，XianJiaotongUniversity，Xian 710049，China）Abstract：Inordertomeettherequirementsofenvironmentalprotectionrefrigerantforautomobileairconditioners，R1234yfrefrigerantwithlowglobalwarmingpotential（GWP）wasselected.TheeffectofambienttemperatureontheperformanceofR1234yfsystemwasstudied，andtherefrigerationperformanceofR1234yfsystemandR134asystemwerecomparedunderdifferentelectronicexpansionvalve（EXV）openingsandcompressorspeeds.Theresultsshowthatwhentheambienttemperatureincreasesfrom27to43，thedischargetemperatureofR1234yfsystemincreasesby18，thepowerconsumptionincreasesby36.6%，andthecoolingcapacityandCOPdecreaseby13.9%and55.7%，respectively.ThesuctionsuperheatofthecompressordecreaseswiththeincreaseoftheEXVopening.WiththeincreaseoftheEXVopening，thecoolingcapacityandCOPincreasefirstandthendecrease，andthereisanoptimalopeningfortheoptimalcoolingperformanceateachspeed.Thedischargetemperatureandcoolingcapacityincreases，buttheCOPdecreaseswiththeincreaseofcompressorspeed.WhenR1234yfrefrigerantisusedtodirectlyreplaceR134ainautomobileairconditioningsystem，althoughthecoolingcapacityandCOPofR1234yfsystemare4.5%and14.9%lowerthanR134asystemonaverage，thedischargetemperatureis5.2lowerthanR134asystemonaverage.Theresultscanprovideareferencefortheresearchonthereplacementofrefrigerantintheairconditioningsystemofelectricvehicles.Key words：airconditioningsystemofelectricvehicle；R1234yfrefrigerant；electronicexpansionvalve；compressorspeed；coolingcapacity0 引言在当今能源和环境双重问题的推动下，电动汽车成为汽车工业发展的主要方向1。空调系统作为电动汽车主要部件之一，其性能不仅决定着驾驶过程的舒适性，还对续航里程有显著影响2，因此开发高效节能的空调系统对电动汽车的发展意义重大。然而随着全球变暖问题的日益10FLUID MACHINERYVol.51，No.7，2023严峻和环保要求的日益严苛，减少高GWP 制冷剂的使用已成必然趋势3-5。目前电动汽车空调大多采用R134a 制冷剂，由于其GWP 值过高而面临淘汰6。在主流的替代制冷剂中，R1234yf 不仅热物理性质与R134a 十分相似，而且GWP 仅为 4，被看作是汽车空调系统较有前景的替代制冷剂之一7。电子膨胀阀（EXV）具有灵敏度高、控制稳定和适应工况范围广等优点8-9，被广泛应用于蒸汽压缩式制冷系统中10-11。樊超超等12研究了不同压缩机频率下电子膨胀阀开度对家用空调制冷性能的影响，发现各个压缩机频率下都存在一个最佳阀开度，使制冷量和性能系数COP 同时达到最大值。KNABBEN 等13试验研究了电子膨胀阀在家用冰箱中的适用性，发现环境温度或压缩机的转速改变时，可通过调节电子膨胀阀开度来降低能耗。华若秋等14试验分析了EXV 开度对电动汽车热泵空调系统的影响，结果表明COP随EXV 开度的增大而先增后减，存在一个峰值。WANG 等15针对CO2热泵系统，提出调节EXV 开度需要综合考虑排气温度和吸气过热度。对于R1234yf在电动汽车空调系统上的应用，ZOU 等16搭建了一套电动汽车热泵空调系统，研究了EXV 开度和环境温度对R1234yf 和R134a 系统冬季制热性能的影响，结果表明增大EXV 开度有利于提高制热性能，R1234yf 和R134a 系统的制热量和COP 相差约 10%。ZILIO 等17对R1234yf汽车空调系统进行了试验研究，结果显示R1234yf系统的COP 和制冷量分别比R134a 系统低 1%和2%，指出通过调节热力膨胀阀和优化压缩机控制阀，R1234yf 系统制冷量和COP 可将接近R134a系统。李万勇等18对比分析R1234yf 和R134a 电动汽车热泵空调系统在-207环境下的制热性能，结果表明R1234yf 系统排气温度更低，但制热量和COP 分别比R134a 系统降低 7.1%和 6.6%。LI 等对R1234yf 热泵系统在寒冷环境下进行了试验测试19。目前已有对汽车空调系统中电子膨胀阀调节特性的研究，但对于R1234yf 电动汽车空调中电子膨胀阀调节特性的研究较少。本文基于电动汽车空调系统，通过试验研究了环境温度对R1234yf系统性能的影响，并对比了不同电子膨胀阀开度和压缩机转速下R1234yf 和R134a 系统的制冷性能。1 试验装置和测试方法1.1 试验装置本文设计的电动汽车空调系统由压缩机、室外换热器总成、板式换热器、电子膨胀阀、HVAC 总成、干燥储液器、电磁截止阀等部件构成，各个部件之间采用对应尺寸的两端压接铝接头的汽车空调胶管连接，其中电子膨胀阀选用MEV-X01004 型车用电子膨胀阀，该电子膨胀阀由 4 相 8 拍永磁型步进电机驱动，工作电压为DC12V10%，开阀脉冲为 3220P，全开脉冲为 500P，阀口公称直径为3.2mm。其他部件的具体参数见表 1。表 1 主要系统部件参数Tab.1 Parametersofmainsystemcomponents部件名称规格参数电动涡旋式压缩机排量：34cm3 r-1转速：10006500r min-1HVAC 总成尺寸/（mmmmmm）蒸发器：28025038暖风芯体：22318027室外换热器尺寸/（mmmmmm）61040018板式换热器尺寸/（mmmmmm）12010030试验系统原理如图 1 所示，通过控制电磁截止阀的工作状态实现电动汽车空调系统制冷模式与制热模式的切换。图 1 试验系统原理Fig.1 Schematicdiagramoftheexperimentalsystem制冷模式下，压缩机压缩后的制冷剂气体，经过电磁截止阀C1流入室外换热器，通过与环境换热冷凝为液态制冷剂，经EXV1节流后变成低温制冷剂，接着流入蒸发器，吸热蒸发为低温低压气态制冷剂，最后经气液分离器回到压缩机，完成制11陈小砖，等：R1234yf 电动汽车空调系统制冷性能的试验研究冷循环。制热模式下，制冷剂经过截止阀H1流入板式换热器，与乙二醇水溶液换热后的制冷剂经EXV2节流后流入室外换热器，从低温环境吸热后回到压缩机。二次回路循环中乙二醇水溶液与制冷剂换热后，经电子水泵输送到HVAC 总成内暖风芯体，向车舱内供热。本试验台通过T 型热电偶和压力传感器对主要节点的制冷剂温度、压力进行测量，采用质量流量计测量冷凝器出口制冷剂的质量流量，主要测量参数精度见表 2。表 2 主要参数测量精度Tab.2 Measuringaccuracyofmainparameters测量参数测量精度（%）温度0.4压力5.0质量流量0.31.2 测试方法本试验在焓差室内进行测试，焓差室主要由室内侧测试室、室外侧测试室和控制室组成，焓差室原理如图 2 所示。图 2 焓差室原理示意Fig.2 Schematicdiagramoftheenthalpydifferencechamber焓差室的室内侧环境干球温度控制范围为1050，室外侧环境干球温度控制范围为-1055，相对湿度控制范围为 35%85%，控制精度为0.1。系统的制冷量根据空气焓差法计算：QqhhVWQnn=()+()+maa11210（1）式中，qm1为室内侧空气质量流量，kg/s；ha1为室内侧入口焓值，kJ/kg；ha2为室内侧出口焓值，kJ/kg；Vn为测点处湿空气比容，m3/kg；Wn为测点处空气含湿量，kg/kg；Q0为风量装置泄漏热量，kJ。本试验测试工况见表 3，通过充注量试验确定R1234yf 和R134a 制冷时的最优充注量分别为1040，1100g，R1234yf 制热时的最优充注