基于電場(chǎng)除霜的新能源汽車熱泵空調(diào)技術(shù)

解雅雯，陳冠霖

（無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214121）

前言

純電動(dòng)汽車由于克服了燃油車依賴燃料的問題，節(jié)約了能源，環(huán)保，噪聲小，故代表著未來汽車的發(fā)展趨勢(shì)?？照{(diào)作為純電動(dòng)汽車大功率用電部件，其工作性能直接影響著電動(dòng)車的續(xù)航里程與舒適性。相比于傳統(tǒng)的PTC 加熱系統(tǒng)，熱泵加熱技術(shù)在制熱效率和經(jīng)濟(jì)上有著明顯的優(yōu)勢(shì)[1]，是目前研究的主流。但是空氣源熱泵室外換熱器表面結(jié)霜導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行效果差，表面形成的霜層增加了空氣流動(dòng)的阻力，導(dǎo)致空氣流量的減小，另一方面霜層的存在增大了室外熱交換器導(dǎo)熱熱阻，從而使機(jī)體的性能系數(shù)被大大降低?？諝庠礋岜玫慕Y(jié)霜問題成為了制約其發(fā)展的瓶頸。因此，如何有效的延緩空氣源熱泵結(jié)霜以及高效除霜成為了空氣源熱泵發(fā)展的重要問題。

1 熱泵空調(diào)的工作原理

制冷模式：四通閥不通電時(shí)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)壓縮機(jī)工作，壓縮機(jī)吸入低溫低壓的氣態(tài)制冷劑，并將它壓縮為高溫高壓的氣態(tài)制冷劑，隨后進(jìn)入過濾器，過濾器濾去制冷劑中水分及各種雜質(zhì)后，制冷劑通過四通閥進(jìn)入車室外換熱器，將熱量散發(fā)出去，同時(shí)車室外側(cè)風(fēng)扇吸入的室外空氣流經(jīng)室外換熱器，帶走制冷劑放出的大量熱量，使高溫高壓氣態(tài)制冷劑凝結(jié)為高溫高壓液態(tài)制冷劑，經(jīng)過膨脹閥降溫降壓后流入車室內(nèi)換熱器，蒸發(fā)吸收車內(nèi)熱量，同時(shí)室內(nèi)側(cè)風(fēng)扇讓室內(nèi)空氣不斷進(jìn)入室內(nèi)換熱器散熱片間進(jìn)行熱交換，并將散熱后變冷的氣體送入車內(nèi)，制冷劑經(jīng)室內(nèi)換熱器換熱后變?yōu)榈蜏氐蛪簹鈶B(tài)制冷劑通過四通閥、氣液分離器回到壓縮機(jī)內(nèi)，接著下一個(gè)工作循環(huán)，至始至終，完成了制冷循環(huán)。

圖1 熱泵空調(diào)工作原理圖

制熱模式：四通閥通電時(shí)，低溫低壓的氣態(tài)制冷劑被壓縮機(jī)吸入，轉(zhuǎn)化為高溫高壓的氣態(tài)制冷劑，隨后進(jìn)入過濾器，濾去水分和雜質(zhì)，通過換向四通閥改變制冷劑的流動(dòng)方向后，進(jìn)入車室內(nèi)換熱器，向車室內(nèi)空氣釋放熱量，供乘客取暖，其后轉(zhuǎn)化為低溫高壓的液態(tài)制冷劑，經(jīng)過膨脹閥降壓后轉(zhuǎn)化為低溫低壓的氣液混合態(tài)制冷劑，最后經(jīng)車室外換熱器從室外吸熱變成低溫低壓氣態(tài)制冷劑并通過四通閥、氣液分離器后進(jìn)入壓縮機(jī)內(nèi)，接著下一個(gè)工作循環(huán)，至始至終，從而完成了制熱循環(huán)。

2 結(jié)霜機(jī)理

交換器在冬季運(yùn)行時(shí)，當(dāng)空氣氣溫低于0℃時(shí)且低于露點(diǎn)溫度時(shí)，就在其表面結(jié)霜。結(jié)霜會(huì)使車外交換器表面空氣流動(dòng)阻力增大，風(fēng)量減小，換熱器換熱溫度增高，壓縮機(jī)吸排溫差增大，制冷劑流量降低，導(dǎo)致功耗增大，供熱能力明顯下降。甚至，會(huì)損壞相關(guān)機(jī)件。

霜層是由冰的冰晶和結(jié)晶之間的空氣組成的多孔性松散物質(zhì)，霜層的形成過程實(shí)際上就是熱質(zhì)傳遞的過程，與其形成的初始狀態(tài)，時(shí)間和霜層各個(gè)階段的結(jié)構(gòu)是密切相關(guān)的。

由于霜層的結(jié)構(gòu)不同，大致可以將霜層形成的階段分為以下三個(gè)階段，霜層晶體形成階段、霜層生長(zhǎng)階段和霜層的充分發(fā)展階段。

當(dāng)空氣接觸到低于0℃并低于其露點(diǎn)溫度時(shí)，熱換器的冷壁面上就會(huì)由空氣中的水分形成互相相隔的結(jié)晶胚胎。水蒸氣凝結(jié)成霜柱，形成霜柱沿壁面不斷均勻分布新的針狀或柱狀的霜晶體出來。這個(gè)階段霜層高度增長(zhǎng)快，而霜的密度不大，稱為霜層晶體形成階段。

當(dāng)柱狀晶體的頂部開始分枝時(shí)，由于枝狀結(jié)晶的相互作用發(fā)展形成網(wǎng)狀的霜層，霜層表面趨向平坦。這個(gè)階段霜層高度增長(zhǎng)緩慢但密度增加較快，稱為霜層生長(zhǎng)階段。

當(dāng)霜層表面幾乎成為平面后，霜層的結(jié)構(gòu)不變但厚度增加，霜層增厚而形狀基本不變的這個(gè)階段，稱為霜層充分發(fā)展階段。

對(duì)霜層結(jié)構(gòu)的研究，國內(nèi)外學(xué)者提出了不同的霜層模型，包括有霜的多孔模型，平板結(jié)霜模型，翅片管換熱器結(jié)霜模型，冰柱模型，多孔-冰柱混合模型，緊湊式換熱器結(jié)霜模型等，但每種模型都有其各自的特征和局限性。

3 電場(chǎng)除霜技術(shù)

由于水是極性分子，而結(jié)霜又是一種水分子的遷移過程，因此可以推斷，外加電場(chǎng)必然會(huì)對(duì)結(jié)霜產(chǎn)生一定的影響[2]。第一個(gè)報(bào)道直流電場(chǎng)對(duì)霜層生長(zhǎng)影響的是Schaefer[3]，發(fā)現(xiàn)霜晶在壁面上以胡須狀聚集并快速生長(zhǎng)。Tudor[4]通過實(shí)驗(yàn)研究了直流電場(chǎng)作用下霜層的生長(zhǎng)特性，與數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，注意到了兩種現(xiàn)象：連續(xù)施加電場(chǎng)時(shí)，有非常細(xì)長(zhǎng)的針狀霜晶形成；當(dāng)突然撤去電場(chǎng)時(shí)，霜晶會(huì)從冷板上脫落。Mishra 指出，在高壓電場(chǎng)的作用下，霜晶會(huì)受到電極的吸引力而被拉向電極的一側(cè)，此時(shí)的霜晶變得又長(zhǎng)又細(xì)，易碎，通常會(huì)在自身重力作用下折斷。Babakin 等人利用外加均勻電場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)抑霜，實(shí)驗(yàn)證明：在結(jié)霜初期，高壓靜電場(chǎng)的存在使霜層變?yōu)獒樦鶢?，?dāng)風(fēng)速達(dá)到一定值時(shí)，這些霜晶就會(huì)被折斷并吹走，從而達(dá)到了抑制結(jié)霜的效果；為了對(duì)電場(chǎng)條件下晶的生長(zhǎng)進(jìn)行更深入的理論與數(shù)值分析，Zhang[5-6]等研究了直流電場(chǎng)對(duì)豎直冷板上霜晶初始形態(tài)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電場(chǎng)能夠改變冷壁面上水珠的大小，電場(chǎng)越強(qiáng)，水珠越小。通過對(duì)裸線電極、絕緣線電極、板狀電極以及網(wǎng)狀電極對(duì)紫銅板上的霜層生長(zhǎng)進(jìn)行系統(tǒng)全面的研究發(fā)現(xiàn)，電場(chǎng)能夠改變冷壁面上水珠的大小、霜晶的形態(tài)以及結(jié)霜質(zhì)量，板狀電極和網(wǎng)狀電極電場(chǎng)能加速霜晶的生長(zhǎng)，其生長(zhǎng)速度明顯高于無電場(chǎng)和線電極電場(chǎng)時(shí)霜晶的生長(zhǎng)速度，并在一定的電場(chǎng)強(qiáng)度下觀察到了細(xì)長(zhǎng)的針狀霜晶。另外，通過對(duì)冰的電場(chǎng)特性分析，提出了電場(chǎng)影響霜層生長(zhǎng)的機(jī)理，建立了靜電場(chǎng)作用下霜層生長(zhǎng)的二維非穩(wěn)態(tài)傳熱傳質(zhì)模型，該模型較為完善地反應(yīng)了電場(chǎng)作用下結(jié)雷過程中霜層生長(zhǎng)的物理過程[7]。

式中，E--電場(chǎng)強(qiáng)度；

P--電極化強(qiáng)度；

ρve--電場(chǎng)作用下霜層內(nèi)水蒸氣的密度；

λe--霜層有效導(dǎo)熱系數(shù)；

Cpf--霜層定壓比熱；

ρf--霜層密度。

利用該模型，初步提出該模型可以應(yīng)用于新能源汽車熱泵空調(diào)的除霜技術(shù)上，從而為新能源汽車熱泵空調(diào)除霜提供一種新的解決思路。可以改善新能源汽車空調(diào)的工作環(huán)境，提高熱源利用效率，延長(zhǎng)純電動(dòng)汽車的行駛里程。

4 結(jié)論與展望

熱泵空調(diào)具有高效節(jié)能，不污染環(huán)境，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，是未來的發(fā)展方向。但在現(xiàn)階段的實(shí)際運(yùn)行效果來看，在寒冷季節(jié)制熱運(yùn)行時(shí)，由于車外熱交換器結(jié)霜導(dǎo)致運(yùn)行可靠性下降，效果并不是太明顯。研究和解決熱泵空調(diào)的可靠性和穩(wěn)定性關(guān)鍵在于除霜和抑霜，改善其制熱性能是提高運(yùn)行可靠性的關(guān)鍵問題。對(duì)其除霜和抑霜技術(shù)的深入研究和積極實(shí)踐，必會(huì)將其市場(chǎng)潛力發(fā)揮出來。