化工学报 ›› 2021, Vol. 72 ›› Issue (S1): 326-335.DOI: 10.11949/0438-1157.20201551
收稿日期:
2020-11-02
修回日期:
2021-01-22
出版日期:
2021-06-20
发布日期:
2021-06-20
通讯作者:
邹慧明
作者简介:
顾潇(1995—),男,硕士研究生,基金资助:
GU Xiao1,2(),ZOU Huiming2(
),HAN Xinxin3,TANG Mingsheng2,TIAN Changqing2
Received:
2020-11-02
Revised:
2021-01-22
Online:
2021-06-20
Published:
2021-06-20
Contact:
ZOU Huiming
摘要:
根据电动汽车热泵在低温下的制热需求并延长车辆行驶里程,开发了车外换热器支路和余热换热器支路并联的余热回收系统并进行了制热性能试验研究。试验结果显示,对于并联余热回收支路的喷射补气式热泵系统,补气支路压力和补气流量均随着余热量的增加而有明显的提升,而吸气主路流量受余热换热器出口过热度的影响。车外换热器支路和余热换热器支路的流量比也呈线性关系,流量比斜率与余热换热器出口相态有关。并联余热回收喷射补气热泵系统的制热性能随余热量的变化受压缩机吸气量和补气量这两个因素的共同影响。在7℃相对较高的环境工况下,余热量的增加有利于制热量的提升但COP没有优势;在-20℃较低的环境工况下,余热量的增加使得补气流量增长较大,但吸气流量衰减严重,对系统的制热性能提升不明显;在-10~0℃的环境工况下,制热量和COP都随余热量的增加而提升较大,-10℃时,1.8 kW余热量条件下的制热量比0.9 kW余热量条件下的制热量增加了11.6%,COP提升9.18%。
中图分类号:
顾潇, 邹慧明, 韩欣欣, 唐明生, 田长青. 基于余热回收的电动客车喷射补气热泵的制热性能[J]. 化工学报, 2021, 72(S1): 326-335.
GU Xiao, ZOU Huiming, HAN Xinxin, TANG Mingsheng, TIAN Changqing. Heating performance of vapor injection heat pump based on waste heat recovery[J]. CIESC Journal, 2021, 72(S1): 326-335.
图1 车外换热器支路和余热换热器支路并联的余热回收热泵系统
Fig.1 Waste heat recovery heat pump system with heat exchanger branch outside vehicle and waste heat exchanger branch parallel
运行模式 | 无余热回收的 基本喷射补气 | 带余热回收的 补气并联 | 无余热回收的 单级压缩 | 带余热回收的 不补气并联 | 单级压缩制冷 | 带电池散热的 单级压缩制冷 |
---|---|---|---|---|---|---|
四通阀 | 制热 | 制热 | 制热 | 制热 | 制冷 | 制冷 |
EEV1 | 开 | 开 | 开 | 开 | 开 | 开 |
EEV2 | 开 | 开 | 关 | 关 | 关 | 关 |
EEV3 | 关 | 开 | 关 | 开 | 关 | 关 |
V1 | 开 | 开 | 开 | 开 | 开 | 关 |
V2 | 关 | 开 | 关 | 开 | 关 | 开 |
V3 | 开 | 开 | 关 | 关 | 关 | 关 |
V4 | 关 | 开 | 关 | 开 | 关 | 关 |
V5 | 关 | 关 | 关 | 关 | 关 | 开 |
泵 | 关 | 开 | 关 | 开 | 关 | 开 |
表1 不同运行模式下余热回收热泵系统中阀门的启闭状态
Table 1 Opening and closing status of valves in heat recovery heat pump system under different operating modes
运行模式 | 无余热回收的 基本喷射补气 | 带余热回收的 补气并联 | 无余热回收的 单级压缩 | 带余热回收的 不补气并联 | 单级压缩制冷 | 带电池散热的 单级压缩制冷 |
---|---|---|---|---|---|---|
四通阀 | 制热 | 制热 | 制热 | 制热 | 制冷 | 制冷 |
EEV1 | 开 | 开 | 开 | 开 | 开 | 开 |
EEV2 | 开 | 开 | 关 | 关 | 关 | 关 |
EEV3 | 关 | 开 | 关 | 开 | 关 | 关 |
V1 | 开 | 开 | 开 | 开 | 开 | 关 |
V2 | 关 | 开 | 关 | 开 | 关 | 开 |
V3 | 开 | 开 | 关 | 关 | 关 | 关 |
V4 | 关 | 开 | 关 | 开 | 关 | 关 |
V5 | 关 | 关 | 关 | 关 | 关 | 开 |
泵 | 关 | 开 | 关 | 开 | 关 | 开 |
名称 | 主要参数 |
---|---|
压缩机 | R410a变频涡旋压缩机,排量80 cm3/r,频率30~90 Hz |
车内换热器 | 车内换热器共两组,每组尺寸为1300 mm×200 mm×154 mm |
车外换热器 | 车外换热器共一组,尺寸为1400 mm×840 mm×109 mm |
中间换热器 | 中间换热器共两组,选用板式换热器,每组尺寸165 mm ×80 mm×80 mm |
余热换热器 | 余热换热器共两组,选用板式换热器,每组尺寸153 mm ×75 mm×75 mm |
主路电子膨胀阀 | 阀口径3.2 mm |
补气支路电子膨胀阀 | 阀口径2.2 mm |
水泵 | 流量25 L/min,扬程8 m,转速2900 r/min |
表2 喷射补气热泵机组主要部件参数
Table 2 Parameters of main components of vapor injection heat pump unit
名称 | 主要参数 |
---|---|
压缩机 | R410a变频涡旋压缩机,排量80 cm3/r,频率30~90 Hz |
车内换热器 | 车内换热器共两组,每组尺寸为1300 mm×200 mm×154 mm |
车外换热器 | 车外换热器共一组,尺寸为1400 mm×840 mm×109 mm |
中间换热器 | 中间换热器共两组,选用板式换热器,每组尺寸165 mm ×80 mm×80 mm |
余热换热器 | 余热换热器共两组,选用板式换热器,每组尺寸153 mm ×75 mm×75 mm |
主路电子膨胀阀 | 阀口径3.2 mm |
补气支路电子膨胀阀 | 阀口径2.2 mm |
水泵 | 流量25 L/min,扬程8 m,转速2900 r/min |
测量参数 | 控制范围 | 控制精度 | 测量参数 | 控制范围 | 控制精度 |
---|---|---|---|---|---|
环境室温度/℃ | -40~55 | ±0.1℃ | 环境室湿度 | 20%~90% | ±0.1℃(WB) |
最大制热量/kW | 30 | ±1.5% | 最大风量/(m3/h) | 12000 | ±1% |
温度/℃ | -50~200 | ±0.5℃ | 质量流量/(kg/h) | 0~150, 0~500 | ±0.2% |
压力/MPa | 0~3.0, 0~4.5 | ±0.5% | 压缩机功率/kW | 0~15 | ±0.2% |
表3 焓差实验室误差分析
Table 3 Laboratory error analysis
测量参数 | 控制范围 | 控制精度 | 测量参数 | 控制范围 | 控制精度 |
---|---|---|---|---|---|
环境室温度/℃ | -40~55 | ±0.1℃ | 环境室湿度 | 20%~90% | ±0.1℃(WB) |
最大制热量/kW | 30 | ±1.5% | 最大风量/(m3/h) | 12000 | ±1% |
温度/℃ | -50~200 | ±0.5℃ | 质量流量/(kg/h) | 0~150, 0~500 | ±0.2% |
压力/MPa | 0~3.0, 0~4.5 | ±0.5% | 压缩机功率/kW | 0~15 | ±0.2% |
车外干球温度/℃ | 车内干球温度/℃ | 实际余热量/kW | 车外侧风量/(m3/h) | 车内侧风量/(m3/h) | 压缩机频率/Hz |
---|---|---|---|---|---|
7 | 20 | 0.9,1.2,1.8 | 7000 | 5000 | 50 |
0 | 20 | 0.9,1.2,1.8 | 7000 | 5000 | 60 |
-10 | 20 | 0.9,1.2,1.8 | 7000 | 5000 | 60 |
-20 | 20 | 0.9,1.2,1.8 | 7000 | 4000 | 60 |
表4 电动客车喷射补气热泵试验测试工况
Table 4 Experimental working conditions of vapor injection heat pump for electric bus
车外干球温度/℃ | 车内干球温度/℃ | 实际余热量/kW | 车外侧风量/(m3/h) | 车内侧风量/(m3/h) | 压缩机频率/Hz |
---|---|---|---|---|---|
7 | 20 | 0.9,1.2,1.8 | 7000 | 5000 | 50 |
0 | 20 | 0.9,1.2,1.8 | 7000 | 5000 | 60 |
-10 | 20 | 0.9,1.2,1.8 | 7000 | 5000 | 60 |
-20 | 20 | 0.9,1.2,1.8 | 7000 | 4000 | 60 |
1 | 刘卓然, 陈健, 林凯, 等. 国内外电动汽车发展现状与趋势[J]. 电力建设, 2015, 36(7): 25-32. |
Liu Z R, Chen J, Lin K, et al. Domestic and foreign present situation and the tendency of electric vehicles [J]. Electric Power Construction, 2015, 36(7): 25-32. | |
2 | Yuan X L, Liu X, Zuo J. The development of new energy vehicles for a sustainable future: a review [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2015, 42: 298-305. |
3 | 孙北方. PTC热敏陶瓷加热元件在汽车中的应用[J]. 电子制作, 2000, (11): 12. |
Sun B F. Application of PTC thermal ceramic heating element in automobile [J]. Electronics Practice, 2000, (11): 12. | |
4 | 王鹏程. PTC热敏元件的进展与发展趋势[J]. 电子元件与材料, 1995, 14(3): 1-8. |
Wang P C. Progress and development trends in PTC thermistors [J]. Electronic Components and Materials, 1995, 14(3): 1-8. | |
5 | 史保新, 马国远, 陈观生. 电动车用空调装置的研究[J]. 流体机械, 2002, 30(4): 48-50, 37. |
Shi B X, Ma G Y, Chen G S. Research on heat pump system for electric vehicle air conditioning [J]. Fluid Machinery, 2002, 30(4): 48-50, 37. | |
6 | Peng Q H, Du Q G. Progress in heat pump air conditioning systems for electric vehicles — a review [J]. Energies, 2016, 9(4): 240. |
7 | Malik T N, Bullard C W. Air conditioning hybrid electric vehicles while stopped in traffic [R]. Air Conditioning and Refrigeration Center, University of Illinois, 2004. |
8 | Qi Z G. Advances on air conditioning and heat pump system in electric vehicles - a review [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2014, 38: 754-764. |
9 | 柴沁虎, 马国远. 空气源热泵低温适应性研究的现状及进展[J]. 能源工程, 2002, (5): 25-31. |
Chai Q H, Ma G Y. State of knowledge and current challenges in the ASHP developed for the cold areas [J]. Energy Engineering, 2002, (5): 25-31. | |
10 | 马国远, 邵双全. 寒冷地区空调用热泵的研究[J]. 太阳能学报, 2002, 23(1): 17-21. |
Ma G Y, Shao S Q. Research on heat pump cycle for air conditioning in cold regions [J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2002, 23(1): 17-21. | |
11 | 陈浩. 大型电动客车热泵空调系统设计与试验研究[D]. 郑州: 中原工学院, 2016. |
Chen H. Performance evaluation and design of heat pump air conditioning for electric bus [D]. Zhengzhou: Zhongyuan University of Technology, 2016. | |
12 | 张东京. 纯电动客车超低温热泵型空调系统结融霜特性研究[D]. 郑州: 中原工学院, 2019. |
Zhang D J. Study on frosting characteristics of ultra-low temperature heat pump air conditioning system for pure electric bus [D]. Zhengzhou: Zhongyuan University of Technology, 2019. | |
13 | 周光辉, 禹佩利, 李海军, 等. 带经济器的热泵型纯电动客车空调系统结霜特性研究[J]. 低温与超导, 2019, 47(8): 75-79. |
Zhou G H, Yu P L, Li H J, et al. Study on frosting performance of heat pump air conditioning system with economizer for only electric-driven vehicle [J]. Cryogenics & Superconductivity, 2019, 47(8): 75-79. | |
14 | Han X X, Zou H M, Xu H B, et al. Experimental study on vapor injection air source heat pump with internal heat exchanger for electric bus [J]. Energy Procedia, 2019, 158: 4147-4153. |
15 | Han X X, Zou H M, Tian C Q, et al. Numerical study on the heating performance of a novel integrated thermal management system for the electric bus [J]. Energy, 2019, 186: 115812. |
16 | Shams-Zahraei M, Kouzani A Z, Kutter S, et al. Integrated thermal and energy management of plug-in hybrid electric vehicles [J]. Journal of Power Sources, 2012, 216: 237-248. |
17 | Bennion K, Thornton M. Integrated vehicle thermal management for advanced vehicle propulsion technologies [C]// SAE Technical Paper Series. 400 Commonwealth Drive, Warrendale, PA, United States: SAE International, 2010: 2010-01-0836. |
18 | Pesaran A A. Battery thermal models for hybrid vehicle simulations [J]. Journal of Power Sources, 2002, 110(2): 377-382. |
19 | Kim S C, Kim M S, Hwang I C, et al. Heating performance enhancement of a CO2 heat pump system recovering stack exhaust thermal energy in fuel cell vehicles [J]. International Journal of Refrigeration, 2007, 30(7): 1215-1226. |
20 | Kim S C, Kim M S, Hwang I C, et al. Performance evaluation of a CO2 heat pump system for fuel cell vehicles considering the heat exchanger arrangements [J]. International Journal of Refrigeration, 2007, 30(7): 1195-1206. |
21 | Ahn J H, Kang H, Lee H S, et al. Heating performance characteristics of a dual source heat pump using air and waste heat in electric vehicles [J]. Applied Energy, 2014, 119: 1-9. |
22 | Cho C W, Lee H S, Won J P, et al. Measurement and evaluation of heating performance of heat pump systems using wasted heat from electric devices for an electric bus [J]. Energies, 2012, 5(3): 658-669. |
23 | Zou H M, Jiang B, Wang Q, et al. Performance analysis of a heat pump air conditioning system coupling with battery cooling for electric vehicles [J]. Energy Procedia, 2014, 61: 891-894. |
24 | 钱程, 谷波, 田镇, 等. 纯电动汽车双热源热泵系统性能分析[J]. 上海交通大学学报, 2016, 50(4): 569-574. |
Qian C, Gu B, Tian Z, et al. Performance analysis of dual source heat pump in electric vehicles [J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University, 2016, 50(4): 569-574. | |
25 | 李萍, 谷波, 缪梦华. 废热回收型纯电动汽车热泵系统试验研究[J]. 上海交通大学学报, 2019, 53(4): 468-472. |
Li P, Gu B, Miao M H. Experimental research on waste-heat recovery heat pump system in electric vehicles [J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University, 2019, 53(4): 468-472. | |
26 | 张桂英. 纯电动汽车一体式热管理及节能技术研究[D]. 北京: 中国科学院大学, 2017. |
Zhang G Y. Research on integrated thermal management and energy saving technology for pure electric vehicles [D]. Beijing: University of Chinese Academy of Sciences, 2017. | |
27 | Zhang L, Hashimoto K, Hasegawa H, et al. Performance analysis of a heat pump system with integrated desiccant for electric vehicles [J]. International Journal of Refrigeration, 2018, 86: 154-162. |
28 | Tian Z, Gan W, Zhang X L, et al. Investigation on an integrated thermal management system with battery cooling and motor waste heat recovery for electric vehicle [J]. Applied Thermal Engineering, 2018, 136: 16-27. |
29 | Lee D Y, Cho C W, Won J P, et al. Performance characteristics of mobile heat pump for a large passenger electric vehicle [J]. Applied Thermal Engineering, 2013, 50(1): 660-669. |
[1] | 张双星, 刘舫辰, 张义飞, 杜文静. R-134a脉动热管相变蓄放热实验研究[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 165-171. |
[2] | 张义飞, 刘舫辰, 张双星, 杜文静. 超临界二氧化碳用印刷电路板式换热器性能分析[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 183-190. |
[3] | 陈爱强, 代艳奇, 刘悦, 刘斌, 吴翰铭. 基板温度对HFE7100液滴蒸发过程的影响研究[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 191-197. |
[4] | 刘明栖, 吴延鹏. 导光管直径和长度对传热影响的模拟分析[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 206-212. |
[5] | 王志国, 薛孟, 董芋双, 张田震, 秦晓凯, 韩强. 基于裂隙粗糙性表征方法的地热岩体热流耦合数值模拟与分析[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 223-234. |
[6] | 杨欣, 王文, 徐凯, 马凡华. 高压氢气加注过程中温度特征仿真分析[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 280-286. |
[7] | 晁京伟, 许嘉兴, 李廷贤. 基于无管束蒸发换热强化策略的吸附热池的供热性能研究[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 302-310. |
[8] | 黄琮琪, 吴一梅, 陈建业, 邵双全. 碱性电解水制氢装置热管理系统仿真研究[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 320-328. |
[9] | 程成, 段钟弟, 孙浩然, 胡海涛, 薛鸿祥. 表面微结构对析晶沉积特性影响的格子Boltzmann模拟[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 74-86. |
[10] | 张化福, 童莉葛, 张振涛, 杨俊玲, 王立, 张俊浩. 机械蒸汽压缩蒸发技术研究现状与发展趋势[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 8-24. |
[11] | 李艺彤, 郭航, 陈浩, 叶芳. 催化剂非均匀分布的质子交换膜燃料电池操作条件研究[J]. 化工学报, 2023, 74(9): 3831-3840. |
[12] | 王玉兵, 李杰, 詹宏波, 朱光亚, 张大林. R134a在菱形离散肋微小通道内的流动沸腾换热实验研究[J]. 化工学报, 2023, 74(9): 3797-3806. |
[13] | 齐聪, 丁子, 余杰, 汤茂清, 梁林. 基于选择吸收纳米薄膜的太阳能温差发电特性研究[J]. 化工学报, 2023, 74(9): 3921-3930. |
[14] | 李科, 文键, 忻碧平. 耦合蒸气冷却屏的真空多层绝热结构对液氢储罐自增压过程的影响机制研究[J]. 化工学报, 2023, 74(9): 3786-3796. |
[15] | 陈天华, 刘兆轩, 韩群, 张程宾, 李文明. 喷雾冷却换热强化研究进展及影响因素[J]. 化工学报, 2023, 74(8): 3149-3170. |
阅读次数 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
全文 187
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
摘要 392
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||