基于蒸发温度的汽车空调蒸发器除霜判定方法研究

俞彬彬,朱建民,王丹东,2,陈 亮,胡记超,陈江平,2

(1.上海交通大学制冷与低温工程研究所,上海 200240； 2.上海市高效冷却系统工程技术中心,上海 200240)

前言

平行流换热器相对于传统的管片式、管带式换热器而言,具有结构紧凑、传热效率高、充注量少、质量轻、成本低等优势,渐渐成为了车用空调上应用最广泛的换热器类型[1-3]。但是相比于其他类型换热器,平行流蒸发器因其百叶窗翅片间距小和两相制冷剂在管内分配不均等因素,也产生了蒸发器表面冷凝水难以排除和表面温度分布不均等问题,更容易发生结霜现象,而且一旦结霜,系统性能的恶化程度较其他换热器而言更为剧烈[4]。

为了对蒸发器在结霜工况下的运行特性、表面霜层生长规律等进行深入研究,探讨更有效的化霜判断方式和结霜控制方法,从根本上解决蒸发器表面结霜问题,很多学者已经对换热器的结霜机理及规律开展了大量研究工作。有的是针对空气源热泵、低温冷藏冷冻装置等应用中的翅片管换热器进行的[5-8],其研究结论并不适用于结构紧凑且排水性能相对较差的平行流换热器。还有研究使用电子膨胀阀调节蒸发压力的方式实现蒸发器无霜不间断制冷,但电子膨胀阀高昂的价格制约了该控制方式在汽车空调上的使用推广[9-10]。为了在成本低且可靠性较高的温度测量方式[11]的基础上,找到一种行之有效的结霜程度预测方法,实现对蒸发器表面结霜范围的可控性,在保证不间断制冷的同时不会出现大面积结霜,本文中搭建了汽车空调性能测试平台,对R134a汽车空调平行流蒸发器的结霜特性进行了研究。从节约成本和有效控制结霜范围的角度出发,提出了一种基于蒸发温度的除霜判定方法并通过实验与基于蒸发器表面最低温度的除霜判定方法作对比,验证了其有效性。

1 除霜判定方法原理

在制冷系统运行过程中,蒸发器表面不同区域的温度分布是不均匀的,而且随着结霜过程的进行,不同区域的温度分布会发生复杂的变化,在不同工况下很难找到一个统一的外部参数来进行有效预测[12]。经研究发现,结霜过程中霜层生长和换热量的变化规律都与蒸发压力变化密切相关,而且蒸发压力随着结霜时间的增加表现出一个统一的变化趋势:先轻微增长后逐渐降低。由于蒸发温度仅仅是蒸发压力的单值函数,故也会表现出同样的变化规律,与运行工况无关,并且蒸发温度的测量非常方便。所以,从能否将蒸发温度的变化规律与外部环境参数的变化结合在一起,实现对结霜程度和除霜时刻有效判断的角度出发,本文中提出了以下除霜判定方法:定义了有效风量系数,此系数与蒸发温度紧密联系,通过选取合适的基准,当结霜过程到达此基准时,立即采取控制手段,开始除霜。

图1 基于蒸发温度的除霜判定法原理图

图1描述了蒸发温度除霜判定法的原理。由图可见,平行流蒸发器的进口湿空气以较高的温度Ta,i流经蒸发器,并与蒸发器表面温度较低的翅片及扁管发生热量交换,被冷却的湿空气以较低的温度Ta,o流出蒸发器。为了将该传热过程与蒸发温度联系起来,本文将湿空气在流经蒸发器的过程中划分为两部分,一部分湿空气 ma,1被冷却到蒸发温度Teva,另一部分湿空气ma,2不与蒸发器发生热交换,即其温度等同于进口湿空气温度Ta,i。以上两部分湿空气在蒸发器出口混合均匀后再流出蒸发器,混合湿空气的状态与蒸发器出口湿空气的状态完全相同。

从能量守恒的角度,蒸发器出口湿空气的焓值应该等于上述假设中划分的两部分湿空气的焓值之和,即

结合汽车空调的实际制冷运行工况(包括凝露工况和结霜工况),将环境空气温度范围规定为-20～50℃。在这个温度区间内,空气的比定压热容cp的变化是很小的,不同空气温度下的比定压热容与该温度区间平均比定压热容的相对误差均在0.2%以内[13]。因此可以把该温度区间的空气比定压热容看做一个恒定值,即cp,a,1＝cp,a,2＝cp,a。于是式(1)可简化为

同时,由质量守恒原理可知,蒸发器出口湿空气的总质量流量ma等于被冷却到蒸发温度的那一部分湿空气和仍然保持进口温度的另一部分湿空气的质量流量之和。

为描述以上假设的作用,本文中定义了一个无量纲值——有效风量系数K,它等于被冷却到蒸发温度的那部分湿空气的质量流量与蒸发器出口湿空气的总质量流量的比值。

结合式(2)～式(4),可推导出有效风量系数表达式:

上述定义的有效风量系数是从蒸发温度变化的角度描述了蒸发器在结霜过程中换热量的变化情况,它的取值范围为0～1。当制冷剂侧和空气侧之间不存在热阻的理想情况下,蒸发器的进口湿空气可以被冷却到蒸发温度值,此时有效风量系数K＝1,蒸发器的换热能力达到最大；而当蒸发器的换热量为零,出口湿空气的温度等于进口湿空气温度,此时有效风量系数K＝0。

2 实验工况与数据处理

2.1 实验设备与工况

实验系统以及各系统部件和测试设备的布点位置如图2所示,实验用平行流蒸发器由微通道铝扁管和百叶窗翅片组成,共31列2排扁管,其主要结构参数见表1。

图2 实验系统简图

表1 蒸发器样件结构参数

为了验证该除霜判定方法的有效性,本文中共计进行了9个不同工况的结霜实验,如表2所示。工况1为基准工况,其有效风量系数将作为后续工况的参考值；工况2和工况3用来测试进风风速的变化对该除霜判定方法的影响,实验风速范围为1.62～1.89m/s；工况4和工况5用来测试进风温度的变化对该除霜判定方法的影响,实验温度范围为19～27℃；工况6和工况7用来测试进风相对湿度的变化对该除霜判定方法的影响,实验相对湿度范围为50%～75%；工况8和工况9用来测试压缩机转速的变化对该除霜判定方式的影响,实验转速范围为3 000～4 000r/min。

表2 蒸发温度除霜判定法实验工况

2.2 基准有效风量系数和基准切断温度的选定

研究发现蒸发器的制冷量在结霜初始阶段呈现先略微增长再逐渐降低的趋势,这表明少量结霜有利于发挥蒸发器的制冷能力[7],可改善因频繁启停压缩机而造成车内舒适性恶化的问题,延长工作时间,但这就需要把蒸发器表面结霜控制在一定范围内。在已有的结霜除霜研究中,除霜时刻一般设置在3倍初始空气压降对应的时刻,此时系统能力会大约下降一半[14]。考虑到蒸发器的制冷量在结霜过程中是先略微提升后快速衰减的,本文中设定了一个除霜准则:当蒸发器的制冷量衰减到其最大制冷量的一半时,切断压缩机离合器,停止空调系统进行除霜。满足该除霜准则的合适除霜时刻td,pro为

式中:t为系统运行时间,s；Q为蒸发器在t时刻的制冷量,W；Qmax为结霜过程中蒸发器的最大制冷量,W。

在验证了非结霜工况下该实验系统空气侧和制冷剂侧换热量热平衡误差均小于5%的前提下,本文中通过测得蒸发器进、出口的空气温度和相对湿度,进而得到进、出口空气焓值,使用焓差法计算得到空气侧换热量作为蒸发器制冷量。其中,ma为湿空气的质量流量,kg/s,ha,i和 ha,0分别为进出口空气焓值,kJ·kg-1,即

在得到结霜过程中蒸发器进风和出风温湿度、进风空气速度和蒸发压力变化的实验数据后,结合式(5)～式(7),就可很方便地计算出基准工况下满足上述除霜准则的基准除霜时刻td,pro,base及其相对应的基准有效风量系数Kbase。

蒸发器制冷量和有效风量系数在基准结霜工况下随运行时间的变化情况如图3所示。从图中可以得知,基准工况下合适的除霜时刻为405s,其有效风量系数为0.68。因此,本文中提出的基于蒸发温度的除霜判定方法的基准有效风量系数选定为0.68。

图3 基准工况下制冷量及有效风量系数变化情况

同时,为了与基于蒸发器温度的除霜判定方法作比较,本文中又选取了基于蒸发器表面最低温度的除霜判定方式,并统一规定基准切断温度为:基准工况下制冷量衰减到最大制冷量一半时所对应的蒸发器表面最低温度值。由此,就可得到各工况下基于蒸发器表面最低温度除霜判定方式的除霜时刻td,STC。如图4所示,基于蒸发器表面最低温度的除霜判定方法的基准切断温度选定为-1.5℃,它在基准工况下的除霜时刻为405s,该基准切断温度的选取与李夔宁等人的结果(-2℃)基本一致[11]。

图4 基准工况下制冷量及表面最低温度点温度变化情况

以上提及的除霜判定方法的准则总结在表3中。

表3 各除霜判定方法的准则

3 实验结果与分析

3.1 进风速度对除霜时刻的影响

图5、图6和图7分别是不同进风速度下蒸发器的制冷量、有效风量系数和表面最低温度点温度随时间的变化情况。从图5中可以看到,在结霜的初始阶段,进风速度较高的工况其制冷量也越大。但随着结霜过程的进行,进风速度越高的工况,单位时间内流经蒸发器的湿空气质量流量越大,可供凝华转化成霜的水蒸气量越多,意味着相同时间内在蒸发器表面的结霜量也越多,从而引起其制冷量衰减速度的加快。进风速度较高的工况3的制冷量在经过354s后就衰减到最大制冷量的一半。而进风速度较低的工况2由于结霜量的增长速率较慢,使其制冷量衰减速度有所降低,在经过415s后才衰减到其最大制冷量的一半。

图5 不同进风速度下制冷量的变化

从图6和图7可知,蒸发器的有效风量系数和表面最低温度点的温度随着结霜过程的进行都呈现出了先增大后逐渐减少的变化趋势,与制冷量的变化趋势表现出了非常好的一致性。在选定基准有效风量系数为0.68以及基准切断温度为-1.5℃的前提下,使用本文中提出的基于蒸发温度除霜判定法得到的工况2的除霜时刻为396s,工况3的除霜时刻为330s,使用基于蒸发器表面最低温度除霜判定法得到的工况2的除霜时刻为385s,工况3的除霜时刻为307s。

图6 不同进风速度下有效风量系数的变化

图7 不同进风速度下表面最低温度点温度的变化

3.2 进风温度对除霜时刻的影响

图8、图9和图10分别是不同进风温度下蒸发器的制冷量、有效风量系数和表面最低温度点温度随时间的变化情况。从图8可知,进风温度越大,制冷量越大,但其制冷量随时间的衰减速度也相对较快。主要原因是在相对湿度一定的条件下,空气温度越高,其绝对含湿量也越高,从而单位时间内的结霜量也随之增加,加快了蒸发器性能的衰减。进风温度较低的工况4和进风温度较高的工况5,其制冷量降低到对应的最大制冷量的一半所需时间分别为395 和439s。

从图9和图10可知,基于蒸发温度的除霜判定法得到的工况4和工况5的除霜时刻分别为338和408s,基于表面温度最低点温度的除霜判定法得到的工况4和工况5的除霜时刻分别为269和494s。

图8 不同进风温度下制冷量的变化

图9 不同进风温度下有效风量系数的变化

图10 不同进风温度下表面最低温度点温度的变化

3.3 进风相对湿度对除霜时刻的影响

图11、图12和图13分别是不同进风相对湿度下制冷量、有效风量系数和表面最低温度点温度随时间的变化情况。从图11可以看到,相对湿度较高的工况在结霜初期表现出了更高的换热性能,原因是薄霜层上的柱状霜晶在高湿度情况下的强化换热能力更强。然而随着结霜过程的进行,进风相对湿度越高,蒸发器表面的霜层厚度和结霜量的增长速度也越快,霜层附加热阻急剧增大,空气流量快速降低,造成蒸发器的换热性能急剧衰减。进风相对湿度较高的工况7仅仅经过308s,其制冷量就衰减到最大制冷量的一半,到达合适的除霜时刻；而进风相对湿度较低的工况6由于结霜较为缓慢,比工况7延缓了2min才达到合适的除霜时刻。

图11 不同进风相对湿度下制冷量的变化

图12 不同进风相对湿度下有效风量系数的变化

图13 不同进风相对湿度下表面最低温度点温度的变化

从图12和图13可知,基于蒸发温度的除霜判定法得到的工况6和工况7的除霜时刻分别为404和306s,基于表面温度最低点温度的除霜判定法得到的工况6和工况7的除霜时刻分别为348和347s。

3.4 压缩机转速对除霜时刻的影响

图14、图15与图16分别是不同压缩机转速下蒸发器的制冷量、有效风量系数和表面最低温度点温度值随时间的变化情况。从图14可知,在高压缩机转速情况下,虽然一定程度上提高了制冷剂流量,但转速增加导致的蒸发压力下降幅度远大于制冷剂流量的增加幅度,使蒸发器的制冷量也相对较小。压缩机转速越高,其蒸发压力越低,使蒸发器表面的平均温度也越低,增大了进口湿空气中水蒸气分压力与对应于蒸发器表面温度的饱和水蒸气分压力之差,造成结霜速度加快,制冷量的衰减速度也相应加快。因此,转速较高的工况9在经过348s后就需要除霜,而工况8则在471s后才需要除霜。

图14 不同压缩机转速下制冷量的变化

图15 不同压缩机转速下有效风量系数的变化

从图15和图16可知,基于蒸发温度的除霜判定法得到的工况8和工况9的除霜时刻分别为445和305s,基于表面温度最低点温度的除霜判定法得到的工况6和工况7的除霜时刻分别为453和316s。

3.5 判定方式的有效性分析

将不同工况下分别使用基于蒸发温度和基于表面温度最低点温度两种除霜判定方式得到的除霜时刻(td,K,td,STC)及其与合适的除霜时刻(td,pro)的相对误差总结在表4和图17中。

图16 不同压缩机转速下表面最低温度点温度的变化

表4 不同工况下两种除霜判定方_____式的除霜时刻和相对误差

图17 不同工况下基于蒸发温度除霜判定法的除霜时刻

从表4可以看到,基于蒸发温度的除霜判定法所预测的除霜时刻td,K与规定的除霜准则所得到的除霜时刻td,pro表现出了非常好的一致性,其平均相对误差仅为7.2%,而基于蒸发器表面最低温度点温度的除霜判定法的平均相对误差为13.8%,在所有工况下的最大相对误差达到了31.9%。这说明基于蒸发温度的除霜判定法预测准确性和稳定性要远优于基于蒸发器表面最低温度点温度的除霜判定法。

另外从图17可知,基于蒸发温度除霜判定法预测的除霜时刻的误差均在0～-15%之内,这说明基于蒸发温度的除霜判定法所预测的除霜时刻均早于除霜准则所规定的除霜时刻。这从实际应用来说是有利的,虽然略微缩短了冷量的供给时间,但却能有效阻止结霜持续恶化,保证蒸发器不发生制冷失效的现象。

4 结论

(1)本文中提出了一种基于蒸发温度的除霜判定方法,阐述了该方法的原理并通过实验对比验证了该方法对除霜时刻预测的准确性。新提出的除霜判定法将蒸发温度作为结霜程度的判定参数,可有效控制蒸发器的结霜范围。而且该方法中定义的有效风量系数仅仅与蒸发器进出口空气温度以及蒸发温度有关,数据测量及应用十分简便。该方法在不同工况下对除霜时刻的预测值与合适除霜时刻的相对误差均在0～-15%以内,远远优于使用蒸发器表面最低温度进行判定的方法。

(2)通过分析不同工况参数对该判定方法相对误差的影响程度,可得知不同参数对蒸发器表面温度分布变化的影响大小。经分析,不同进风速度、进风温度、进风相对湿度和压缩机转速工况下,基于表面最低温度点温度来预测除霜时刻的平均相对误差分别为10.3%,22.2%,16.1%和6.5%。因此,便可得知对蒸发器表面温度分布变化影响程度从大到小的参数为:进风温度、进风相对湿度、进风速度和压缩机转速。

(3)本文中选择了制冷量衰减到最大制冷量的50%作为准则,这并不是唯一的,可根据实际应用情况进行调整。不同工况参数对除霜时刻和蒸发器表面温度分布变化影响程度的大小不一,可通过合理选择参数在一定程度上延长蒸发器的运行时间和改善温度分布均匀性。