电动汽车热泵空调室外换热器的特性实验研究

摘 要：电动汽车热泵用室外换热器，是一种能够满足蒸发、冷凝两用的换热器。随着制冷剂压力和温度的变化，在换热器工作过程中有相变产生，对其直接进行换热量和流阻的模拟仿真不仅计算量大，而且精度难以保证。故而文章选定了一款迎风面积为642mm×526mm，芯体厚度为16mm的室外换热器，就不同出口位置，不同集液管直径，不同的内置带孔隔板数量进行实验测试，研究了不同变量对换热器换热量和流阻的影响。对于下进上出的室外换热器，出口位置靠上冷凝工况的换热量比其他位置提高3.1%，蒸发工况提高3.8%。集液管直径变大的实验芯体在蒸发模式下换热量提高了15.7% 。实验芯体带孔隔板数量增加换热量提高3.8%。希望文章能够为热泵系统室外换热器的设计方案提供有益的参考。

关键词：电动汽车 热泵空调 室外换热器 制热性能 制冷性能

1 绪论

近年来极端天气频频出现，能源危机和气候变化已成为人类面临的重大挑战。2019年欧盟委员会公布要在2050年实现“气候中性”的欧洲愿景；2020年中国政府在第七十五届联合国大会上提出“2030年碳达峰、2060年碳中和”的双碳目标；2021年美国发布《迈向2050年净零排放长期战略》。交通运输领域作为重要的碳排放源，实现交通运输领域的绿色低碳转型是推进落实“双碳”目标的重要举措[1]。内燃机汽车广泛使用的同时也带来了环境污染和温室气体效应，加剧了能源危机。用电动汽车代替燃油汽车正为汽车行业下一步发展的方向和产业界的共识[2]。由于纯电动汽车无发动机，不能像传统燃油车那样，利用发动机高温冷却液作为客舱加热的热源。为了实现冬季采暖，电动汽车必须采用新的采暖方式，目前主要应用的有电加热（PTC）和热泵系统两种加热方式。由于热泵系统的能效比远远高于PTC，所以其在节约能源和增加续航里程方面具有很大的优势[3]。而室外换热器是热泵系统的关键零部件之一，它能够在以下工况内连续运行或间歇运行：

2 研究对象

本论文中研究的室外换热器，芯体迎风面积为642mm×526mm（长×宽），芯体厚度为16mm。此室外换热器采用了百叶窗翅片、微通道散热管和集液管组合而成，如图1所示。

3 实验原理

室外换热器的性能实验在汽车空调焓差实验台进行，制冷剂选用R134a。实验样件按照要求安装在实验台上，输入实验工况给定的制冷剂侧的参数和空气测的参数。在焓差实验室中按照设定工况进行实验，实验工况运行稳定后，继续运行半小时后采集实验数据。

制冷剂的热力性质参数通过调用 NISF 计算软件得到。制冷剂侧换热能力为

Qcr=Fr·（hci-hco）/3.6

式中：

Qcr为换热量，单位W；

Fr为制冷剂流量，单位kJ/h，通过流量计测量；

hci为室外换热器入口比焓，kJ/kg单位；

hco为冷凝器出口比焓，单位kJ/kg［4］。

本文中涉及到的换热量均为制冷剂侧换热量。

4 实验结果分析

4.1 三种不同出口位置对换热量性能的影响

此实验验证的室外换热器，芯体迎风面积为642mm×526mm（长×宽），芯体厚度为16mm。两流程设计，第一流程25根散热管，第二流程38根散热管（本论文接下来的提到的室外换热器，其芯体迎风面积，厚度，流程分布均不变，后面不在赘述，统一用实验芯体替代）。在研究不同出口位置的实验测试中，为了避免其他变量对实验结果的影响，做了如下设置：

第一：制冷剂均为R134a，且走向不变均为下进上出；

第二：进口位置始终保持不变，在第一流程中间偏下的位置；

第三：进口压板和出口压板的管口尺寸相同；

第四：室外换热器的芯体部分为同一个，每次实验把需要的出口和制冷剂管路接通，封住其出口。如测试出口1时，出口1和制冷剂管路接通，出口2和出口3用闷头堵住，无制冷剂流通。

三个不同的出口位置，依次在第二流程的上，中，下位置，如下图2所示：

4.1.1 冷凝工况的测试结果和分析

在炎热的夏天，外界空气温度较高的时候，室外换热器承担了冷凝器的功能。通过吸收室外空气的热量，将高温高压的气态制冷剂冷却凝结成低温高压的液态制冷剂。从而达到给乘客舱降温的目的。选用如表1所示的工况为室外换热器的冷凝工况。

实验装置如图3所示。

图4为实验过程中处于稳态之后拍摄的室外换热器表面温度红外热成像图。颜色从红色到蓝色，温度逐渐降低。从图4可以看出三种状态的第一流程和第二流程的初期温度分布基本一致，不受出口位置的影响。高温的制冷剂气态进入室外换热器后迅速降温从而成为气液两相的混合物。出口1的第二流程中段和末段深蓝色的过冷区域面积比出口2和出口3大，换热效果较好。

具体差异比较如图5所示。

为了直观的表示出不同出口位置在冷凝工况测试下的差异，选用出口1为基准，出口2和出口3的换热量，流阻和风阻分别和出口1做比较，详见表2。由表2可知，出口1的换热量最高，出口2的制冷剂阻力最低，3个出口位置的风阻基本一致。

4.1.2 蒸发工况的测试结果和分析

电动汽车热泵系统冬季采暖时，室外换热器作为蒸发器来使用。液态低温的制冷剂进入室外换热器，依靠从外界空气中吸收的热量，达到气化蒸发的效果。表3为室外换热器的蒸发工况。

图6为实验过程中处于稳态之后拍摄的室外换热器表面温度红外热成像图。颜色从蓝色到红色，温度逐渐增加。由于蒸发器的出口是气态的制冷剂，而气态的密度比液态的小，出口位置较高的出口1，制冷剂经历了完整的状态变化过程从气液两相到过热蒸汽之后顺利排出，但是出口位置较低的出口3，有很大一部分制冷剂一直处于气液两相的混合状态没有达到规定的过热度就流出芯体，不再参与换热。实验数据对比详见图7。

为了直观的表示出不同出口位置蒸发工况的差异，选用出口1为基准，出口2和出口3的换热量，流阻和风阻分别和出口1做比较，详见表4。由表4可知，出口1的换热量最高，制冷剂阻力最低，3个出口位置的风阻基本一致。

4.2 不同集液管尺寸对性能的影响

当室外换热器作为蒸发器使用时，内部的液态制冷剂存储的多将更利于换热。因此本实验通过改变集液管的管径实现改变制冷剂在室外换热器中的存储量。从而来对比蒸发模式下的换热性能。为了减少实验误差，实验芯体所用的散热管和散热带相同，进出口位置和管口尺寸相同，集液管外径尺寸分别为Ø22mm和Ø28mm。

实验工况选用表3。从图8的热成像可以看出，集液管的外径越大流量分布和温度分布约均价，换热效果越好。

实验数据对比详见图9。

为了直观的表示出不同集液管直径性能对比的差异，以集液管直径Ø22mm为基准进行比较，由表5可知直径Ø28mm的直径Ø22mm的实验芯体在蒸发模式下换热量提高了15.7%，制冷剂阻力提高了18.2%，风阻变化不明显。虽然集液管直径Ø28mm的换热量有明显提升，但是考虑到集液管直径越大室外换热器的外边界尺寸越大，重量越大，没用成本优势，因此不推荐使用。

4.3 带孔隔板对性能的影响

室外换热器一般用的是传统燃油车冷凝器的设计，在直接作为蒸发器使用的时候换热量收到限制。本文实验通过增加带孔隔板以改变流量分配从而提高换热量。在实验芯体的回流侧增加带孔隔板，实验芯体一：包含一个带孔隔板，带孔隔板位置在回流测的第37根和38根散热管之间。实验芯体二：包含两个带孔隔板，两个带孔隔板分别在回流侧的第25根和26根散热管之间，第48根和49根散热管之间。两个实验芯体示意如图10所示。用表3的实验工况做测试。

为了直观的表示出不同带孔隔板数量性能对比的差异，以实验芯体一（包含1个带孔隔板）为基准进行比较，由表6可知，实验芯体二（包含2个带孔隔板）比实验芯体一的换热量增加了3.8%，流阻增加了8.1%。风阻降低了3.7%。

5 结论

从实验芯体，迎风面积为642mm×526mm

（长×宽），芯体厚度为16mm，两流程设计，第一流程25根散热管，第二流程38根散热管的实测数据分析，总结如下：

第一：进口位置相同时，不同出口位置对换热器和阻力的影响。

出口1（在第二流程上部）不论在冷凝工况还是蒸发工况下，换热量都高于出口2（在第二流程中部）和出口3（在第二流程下部），而且蒸发工况下出口1的流阻最小。虽然出口1在冷凝工况测试中流阻高于出口2，但是换热量依然有3.1%的提升。因此推荐在布置室外换热器出口布置在第二流程上部。

第二：不同集液管直径对换热量的影响。

在蒸发模式下集液管直径Ø28mm的实验芯体，其换热量比直径Ø22mm的实验芯体提高了15.7%，虽然换热量有了很明显的提升，但是考虑到集液管直径增大室外换热器的外边界尺寸就会增大，同时重量增加，没用成本优势，不推荐使用。

第三：不同带孔隔板数量对换热量的影响。

2个带孔隔板的实验芯体比1个带孔隔板的实验芯体在表3蒸发工况下的换热量增加了3.8%。因此可以考虑通过增加带孔隔板数量来提高蒸发工况的换热量。带孔隔板数量增加的同时也会带来室外换热器材料成本增加，加工工时的增加，和制造时防错成本的增加。

参考文献：

[1]周伟，王雪成.中国交通运输领域绿色低碳转型路径研究[J].交通运输研究，2022，8（6）：29.

[2]董军启，张光华，唐钦远，李永平，黄宁杰．电动汽车热泵空调冷凝蒸发器的特性实验研究[J].制冷学报，2019，40（06）：118-124.

[3]葛昕，罗淑贤，韩南奎，等.电动汽车热泵系统微通道换热器结霜特性研究[J].制冷技术，2020，48（12）：011.

[4]侯海焱，吴兆亮.不同进口压板位置的平行流式冷凝器性能研究[J].现代车用动力，2023（2）：29-31.