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原文传递基于环保制冷剂的电动汽车二次回路热泵系统性能研究

论文题名：	基于环保制冷剂的电动汽车二次回路热泵系统性能研究
关键词：	电动汽车;热泵空调;制冷剂;热力学分析;系统性能
摘要：	电动汽车是解决环境污染和能源消耗的有效途径之一，近年来得到广泛关注。空调系统作为电动汽车主要部件之一，其性能对驾驶的安全性和舒适性有重要影响。由于与传统燃油车之间的结构差异，电动汽车一般采用效率较低的PTC电加热器供暖，严重影响续航里程。蒸汽压缩式热泵系统不仅具有优越的稳定性与安全性，而且可以提高系统能源利用效率，近年来在电动汽车上的应用得到了越来越多的关注。随着全球变暖问题的日益突出，环境影响已成为汽车空调系统选择合适制冷剂的主要标准之一。为了满足逐步严苛的环保法规要求，采用低全球变暖潜能值（GlobalWarmingPotential，GWP）制冷剂逐步淘汰R134a用于汽车空调已成必然趋势。本文基于电动汽车热泵空调系统，选用R152a、R513A和R1234yf作为R134a的替代制冷剂，采用理论分析与实验研究相结合的方法对电动汽车热泵空调系统替代制冷剂的可行性进行研究，并分析了压缩机转速、环境温度等关键因素对系统性能的影响规律。　　1.调用REFPROP9.1中制冷剂热物性参数，对比R152a、R513A和R1234yf与R134a制冷剂主要性质差异，分析制冷剂直接充注替代的可行性。基于对电动汽车热泵空调系统循环过程理论分析，建立热力学模型，对汽车空调替代制冷剂进行变工况热力学模拟计算，发现冷凝、蒸发温度和过冷度、过热度的变化均会对系统性能产生影响。相较于R134a，R513A和R1234yf系统的制冷量和COP（CoefficientofPerformance）均有一定程度下降；R152a制冷量与R134a相差不大，但性能系数和压缩机排气温度明显较高。　　2.基于对电动汽车整车冷、热负荷的计算，设计搭建带有三换热器的电动汽车热泵空调系统实验台，通过调整电磁截止阀的工作状态进行模式切换。确定实验测试工况，对不同环境温度和压缩机转速下R513A、R134a和R152a的系统性能和循环特性开展实验研究，并对比分析不同制冷剂之间的性能差异。　　根据充注量对系统性能的影响趋势，确定制冷工况下，R134a、R513A和R152a的系统制冷剂充注量分别为1100g、1050g和750g；制热模式采用二次回路，明显降低了制冷剂充注量，制热模式下最佳充注量分别为650g、625g、450g。系统所需的R513A和R152a制冷剂充注量均小于R134a，这与制冷剂液体密度关系相对应。环境温度升高，可以改善系统制热性能，但制冷量和COP均随环境温度升高而降低；提高压缩机转速，虽然制冷量、制热量增加，但性能系数也随压缩机功耗的增加而降低。　　实验结果表明，采用R152a、R513A直接充注替代R134a，系统制冷量、制热量整体偏差不大，受制冷剂本身热物性特点的影响，当R513A替代R134a时，系统质量流量增加，系统换热量增加的同时压缩机功耗增大，造成COP和COPh平均降低2.1%和5.1%；R152a替代R134a制冷剂质量流量明显减小，压缩机耗功的减少使得R152a系统性能系数明显升高，COP和COPh分别升高13.6%和10.3%。　　3.根据优势互补原则，选择R152a、R1234yf、R134a三种制冷剂进行混合组成新型混合制冷剂，来克服单一制冷剂各自的缺点。在单一制冷剂循环计算程序的基础上编制了混合制冷剂的制冷循环计算程序，对以R152a、R1234yf、R134a为基础组元的二元、三元混合制冷剂进行热力学模拟计算。基于混合制冷剂理论计算结果，对R152a质量分数为0.5～1的混合制冷剂R152a/R134a进行实验研究。结果表明，随着R152a质量分数的增加，制冷剂充注量逐渐减少，质量流量降低，制冷量、制热量出现下降的趋势，但系统性能系数明显升高。研究表明，通过制冷剂混合，能够达到优势互补以改善单一质制冷剂的不足。
作者：	王攀
专业：	流体机械及工程
导师：	陈小砖
授予学位：	硕士
授予学位单位：	河南理工大学
学位年度：	2022