纯电动客车热泵型空调系统性能优化研究

发布时间：2017-09-02 11:37

  本文关键词：纯电动客车热泵型空调系统性能优化研究

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【摘要】：作为电动汽车的第二大耗能部件,客车空调的开启会降低电动客车25%~30%的行驶里程[1]。电动客车空调通常为顶置式一体化布置,为减小行车阻力,要求空调系统的高度尽量小,在有限的高度内,对纯电动客车热泵空调进行优化设计,使之紧凑化、轻量化、高效化是当前面临的一大难题。本课题围绕10米车型纯电动客车变频热泵客车空调性能优化进行研究,优化目标为在换热器设计高度减低的前提下,额定制冷量(制热量)达到26k W(22k W),制冷(制热)COP达到3.2(2.8)。主要采取的技术路线为:实验获取数据,提出优化方案,建立热泵系统仿真模型,用实验数据验证仿真模型,最后仿真计算出优化方案对系统能效的影响。稳态仿真结果表明逐次应用改进型分液组件、小管径换热器设计、顶置式车外侧送风方式到新设计系统,客车空调系统性能得到较大改善但没有达到设计优化要求。选用新型高效涡旋压缩机应用到新系统中,仿真结果表明在考虑风机耗功的基础上,额定制冷(制热)工况系统制冷量(制热量)达到26.477k W(23.387k W),整机制冷(制热)COP为3.175(2.781),基本达到优化设计目标。研究主要结论如下:(1)压缩机转速和环境温度会大大影响空调系统性能,制冷/制热时最优转速为3300rpm/2400rpm,环境温度越低制冷性能越好,而制热性能受车外侧换热器结霜的影响。增大车内外侧风量能稍微提升制冷性能,对制热性能影响不大。(2)利用Fluent对分液组件进行结构优化模拟研究,优化后的分液头和分配管,其分配不均匀程度分别降低至原分液头和原分配管的31.369%和29.003%,可以分别提升车内侧换热器和车外侧换热器换热量2.347%和8.704%。(3)实验对比原客车空调车外侧风机吸风式和压风式运行时系统性能,由于压风式增大了流经车外侧换热器空气的风速和紊流程度,系统换热性能变好。客车空调系统制冷量由21.870k W增大至25.880k W,制冷COP由2.630增大至3.110,制冷COP增大18.251%。不同车外侧风机布置方案模拟对比结果显示:风机前置(D3)、顶置方案(D4)可大大提高空调系统性能,风机顶置方案表现出更优的换热性能。(4)利用VB平台搭建了一套完整的客车空调稳态仿真程序,并根据测试数据进行修正。使用修正后的稳态仿真程序对新设计的小管径换热器客车空调系统进行性能仿真对比。不变风机布置方案下小管径换热器系统性能低于原系统,主要是因为车内侧换热器设计高度降低了23.077%。将车外侧顶置式吸风应用到新系统中,模拟结果显示额定制冷(制热)工况制冷量(制热量)提升11.527%(18.551%),制冷(制热)COP提升21.926%(8.716%)。(5)在车外侧风机顶置式布置优化基础上,选用新型高效R410A涡旋压缩机应用到新系统进行模拟,额定制冷工况下制冷量增大至26.477k W,提升11.968%,制冷COP增大至3.831,提升12.170%;额定制热工况下其制热量增大至23.387k W,提升了9.015%,制热COP增大至3.311,提升了2.097%。考虑风机耗功,制冷(制热)工况下整机COP为3.175(2.781),基本达到优化设计目标。
【关键词】：纯电动客车 热泵空调 小管径换热器 分配特性 稳态仿真
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U469.72;U463.851
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-31
• 1.1 课题研究背景及意义12-13
• 1.2 国内外研究现状13-27
• 1.2.1 客车空调的发展13-15
• 1.2.2 客车空调布置形式15-17
• 1.2.3 客车空调压缩机研究现状17-19
• 1.2.4 汽车空调换热器研究现状19-21
• 1.2.5 分液组件研究21-24
• 1.2.6 汽车空调系统研究现状24-27
• 1.3 空调系统稳态仿真27-29
• 1.4 本文的主要工作29-31
• 第二章 纯电动客车热泵空调系统实验研究31-46
• 2.1 电动客车热泵空调系统介绍31-33
• 2.1.1 电动客车热泵空调系统循环原理31-32
• 2.1.2 电动客车热泵空调系统理论循环32-33
• 2.2 实验系统介绍33-35
• 2.2.1 测试平台33-34
• 2.2.2 实验系统34-35
• 2.3 测试系统35-38
• 2.3.1 主系统压力、温度布点图35-36
• 2.3.2 测试设备36-37
• 2.3.3 测试工况37-38
• 2.4 测试结果分析38-44
• 2.4.1 制冷工况稳态性能测试38-41
• 2.4.1.1 额定制冷工况变转速测试38-39
• 2.4.1.2 变室温制冷测试39-40
• 2.4.1.3 变风量制冷测试40-41
• 2.4.2 制热工况稳态性能测试41-44
• 2.4.2.1 额定制热工况变转速测试41-43
• 2.4.2.2 变室温制热测试43
• 2.4.2.3 制热变风量测试43-44
• 2.5 本章小结44-46
• 第三章 制冷剂分配均匀性研究46-67
• 3.1 电动客车空调温度分布均匀性分析46-49
• 3.1.1 制冷工况温度均匀性分析47-48
• 3.1.2 制热工况温度分布均匀性分析48-49
• 3.2 分流器数值模拟49-54
• 3.2.1 Fluent多相流模型介绍49-50
• 3.2.2 两相流数值模拟介绍50-51
• 3.2.3 计算模型51-52
• 3.2.4 数学模型52-53
• 3.2.5 边界条件53-54
• 3.3 分液头数值模拟54-60
• 3.3.1 节流喉部直径对分液效果的影响分析55-57
• 3.3.2 混合腔结构对分液效果影响分析57-58
• 3.3.3 锥形开孔偏离距离对分液头分液效果影响分析58-60
• 3.4 分配管数值模拟60-65
• 3.4.1 原分配管建模模拟60-61
• 3.4.2 不同分配管结构模拟61-62
• 3.4.3 带内螺纹的分配管模拟优化62-64
• 3.4.4 改进型分配管模拟64-65
• 3.5 本章小结65-67
• 第四章 小管径换热器客车空调系统设计67-77
• 4.1 小管径换热器设计方法67-68
• 4.2 小管径换热器设计公式的确定68-71
• 4.2.1 冷凝工况制冷剂测传热和压降68-69
• 4.2.2 蒸发工况制冷剂测传热和压降69-70
• 4.2.3 风侧传热和压降70-71
• 4.3 小管径换热器设计71-76
• 4.3.1 制冷工况小管径换热器设计计算71-75
• 4.3.2 制热工况车内侧换热器（冷凝器）换热量计算75-76
• 4.4 小结76-77
• 第五章 车外侧风机布置方案优化77-91
• 5.1 吸风式和抽风式风机布置方案实验对比77-78
• 5.2 不同风机布置方案系统性能模拟方法78-81
• 5.2.1 多孔介质模型78-79
• 5.2.2 车外侧风道建模79-80
• 5.2.3 联合仿真方法介绍80-81
• 5.3 不同车外侧风机布置方案模拟81-89
• 5.3.1 吸风式和压风式风机布置方案模拟验证81-83
• 5.3.2 风机前置不同倾斜角度方案模拟对比83-84
• 5.3.3 风机顶置不同方案模拟对比84-86
• 5.3.4 行驶工况下不同风机布置方案模拟对比86-89
• 5.4 本章小结89-91
• 第六章 客车空调系统性能仿真91-103
• 6.1 空调系统部件仿真模型91-97
• 6.1.1 压缩机仿真模型91-93
• 6.1.2 风冷翅片管式换热器仿真模型93-94
• 6.1.3 连接管路模型94-95
• 6.1.4 压力容器压降模型95-96
• 6.1.5 换热介质物性计算模型96-97
• 6.2 客车空调系统稳态仿真平台建立97-101
• 6.2.1 计算机仿真系统97
• 6.2.2 系统稳态仿真算法流程97-100
• 6.2.3 客车空调仿真系统修正及验证100-101
• 6.3 本章小结101-103
• 第七章 客车空调系统优化设计仿真结果分析103-111
• 7.1 改进型分液组件对换热器的影响分析103-104
• 7.2 小管径换热器客车空调系统仿真结果分析104-106
• 7.3 顶置式小管径系统能效提升分析106-107
• 7.4 压缩机对小管径系统性能影响分析107-109
• 7.5 本章小结109-111
• 结论与展望111-115
• 参考文献115-123
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果123-124
• 致谢124-125
• 附表125

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