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使用固定和变容量压缩机的汽车空调系统的性能比较
AlpaslanAlkan, Murat Hosoz
科贾埃利大学机械教育系，科贾埃利41380，土耳其
摘要：
本研究调查了汽车空调（AAC）系统在使用固定和变容量压缩机（FCC和VCC）的情况下的实验性能。为此目的，已经建立并配备了由HFC134a AAC系统原始组件组成的实验系统。对于每个压缩机壳体，通过改变压缩机转速，进入冷凝器和蒸发器的空气流的温度以及这些空气流的速度，系统已经在稳态运行条件下进行测试。能量和火用分析已应用于实验系统，并对其压缩机运行的性能进行了评估。结果表明，与使用FCC的操作相比，使用VCC的操作通常产生较高的COP，但冷却能力较低。此外，达到一定的压缩机速度后，VCC运行中的制冷能力和总的（火用）破坏速率几乎保持不变，而FCC操作中两个参数都随着压缩机速度而不断增加。
命名
AAC 汽车空调
AC 交流电
CFC 氯氟烃
COP 性能系数
DC 直流电
Ed （火用）破坏率（W）
FCC 固定容量压缩机
h 比焓（kJ kg-1）
hf 冷凝物的比焓
hg 水蒸气的比焓
HC 烃
HFC 氢氟烃
M 质量流率
n 压缩机速度
N 函数R中的自变量数
Qevap 蒸发器冷却能力
R 一个独立变量的函数
Rh 相对湿度
S 特定的熵
T 温度
TXV 恒温膨胀阀
T0 环境温度
Vm 平均风速
VCC 可变容量压缩机
W 比湿
Wcomp 压缩机功率
X 自变量
下标
a 空气
ai 空气入口
Ahellip;E 如图1所示的空气回路中的点
Cond 聚光器
comp 压缩机
evap 蒸发器
FCC 定容压缩机
r 制冷剂
tot 总
valve 膨胀阀
VCC 可变容量压缩机
1.介绍
汽车空调（AAC）系统采用固定式或变容式压缩机，可接收来自蒸发器的低压过热制冷剂，并将其压力升高至冷凝器的压力。由于AAC压缩机通常由发动机带传动，因此压缩机转速与发动机转速成正比。因此，使用固定容量压缩机（FCC）的AAC系统的冷却能力根据发动机转速而变化。因此，FCC不断循环开启和关闭以满足空调需求。另一方面，使用可变容量压缩机（VCC）的AAC系统的冷却能力与压缩机速度相当独立，因为这种类型的压缩机改变其活塞排量以控制容量。因此，这样的系统在所有操作条件下都能满足空调需求，而且循环更少。有了这个特点，预计采用VCC的AAC系统可以提供平稳连续的压缩机运行，提供更好的热舒适性并提高燃油经济性。
由于AAC是一个具有竞争力和技术导向的行业，因此关于AAC系统实验性能的公开发表的文献非常有限。在蒙特利尔议定书的触发下，一些调查人员确定了使用替代CFC12的制冷剂的AAC系统的性能，该替代品是1994年以前广泛用于AAC系统的制冷剂。Jung等确定了用于现有AAC系统的CFC12的补充/改型制冷剂混合物的实验性能。他们发现HFC134a / RE170混合物是补充CFC12的最佳长期候选物。在使用CFC12改造AAC系统以使用HFC134a之后，Al-Rabghi和Niyaz确定了具有CFC12的AAC系统比具有HFC134a的系统具有更好的性能系数（COP）23％。Joudi等人模拟了使用R12和几种替代制冷剂的理想AAC系统的性能。他们发现混合物HC290 / HC600a是CFC12的最佳替代品。
虽然汽车行业自1994年以来一直使用HFC134a作为CFC12的标准替代品，但这种新型制冷剂具有非常高的全球变暖潜力。因此，最近的一些研究旨在通过设计需要较少量HFC134a或使用CO2和碳氢化合物作为HFC134a替代物的系统来降低由AAC系统引起的全球变暖。 Bhatti研究了HFC134a对全球变暖影响的AAC系统的潜在增强。 Brown等人比较了使用CO2和HFC134a的AAC系统的各种性能参数。他们发现使用CO2的系统与使用HFC134a的系统相比具有竞争力。Liu开发了含二氧化碳的AAC系统并确定了其实验性能。为了找到与HFC134a相比具有较低全球变暖潜力的替代碳氢化合物制冷剂，Ghodbane模拟了几种碳氢化合物的AAC系统的性能。他确定使用HC152a和HC270的系统比使用HFC134a的系统性能更好。Wongwises等人使用几种碳氢化合物及其混合物研究了AAC系统的实验性能。他们发现含有50％HC290,40％HC600和10％HC600a的混合物是替代HFC134a的最合适的制冷剂。
除了使用替代制冷剂的AAC系统的实验性能研究之外，一些研究人员还模拟了AAC系统。 Lee和Yoo通过结合单独组件的性能分析程序，开发了AAC系统的仿真模型。他们发现仿真结果与实验结果的一致性在7％以内。贾巴尔等人为使用VCC的AAC系统开发了稳态仿真模型，并在实验单元上研究了其有效性。他们发现，制冷量，COP和制冷剂质量流量的模拟结果和实验结果之间的偏差在18％以内。Kaynakli和Horuz分析了使用HFC134a的AAC系统的实验性能，以找到最佳的操作条件。Tian和Li利用VCC开发了HFC134a AAC系统的数学模型，以模拟其稳态性能。他们的模型研究了压缩机转速，环境温度和蒸发器空气流量对蒸发压力，冷凝压力，制冷量和压缩机功率的影响。他们验证了实验单元的模型结果，发现模拟参数和测量参数之间的偏差在11％以内。Tian和Li也使用VCC模拟了AAC系统的瞬态行为。他们提出计算活塞行程长度的变化，发现模拟结果与实验数据很吻合。Hosoz使用稳态测试数据对HFC134a AAC系统进行了火用分析，并确定制冷回路每个部件的能量损耗通常随着压缩机转速，蒸发器负荷和冷凝温度的升高而增加。Hosoz和Ertunc使用人工神经网络预测了HFC134a AAC系统的性能。他们发现预测结果与实验结果非常吻合。Hosoz和Direk研究了HFC134a AAC系统的实验性能，该系统具有作为空对空热泵的特性。他们确定，与空调运行相比，热泵运行产生较高的COP和较低的单位容量能量损失率，但它提供的供热不足。
从上面概述的文献调查可以看出，AAC系统在使用固定和变容量压缩机的情况下的比较性能尚未研究。此外，对AAC系统的调查通常集中在这些系统的能量表现上，并从第一定律的角度确定各种性能参数。然而，为了理解操作的热力学细节并确定AAC系统中能源资源浪费的位置，原因和程度，还需要进行火用分析。因此，本研究的主要目的是评估HFC134a AAC系统在使用基于能量和火用分析的固定和变容量压缩机的情况下的比较稳态性能。为此目的，开发了一种实验性的AAC系统并进行了测试。然后，通过改变压缩机速度，进入蒸发器和冷凝器的空气流的温度以及这些空气流的流速来测试它。最后，实验AAC系统的两个压缩机机箱的性能参数已经过评估并相互比较。
2.实验设置
实验AAC系统主要由小型HFC134a汽车空调系统的原始组件组成，如图1所示。此外，它包含一些用于在所需条件下测试系统的辅助设备，以及一些用于执行机械测量的仪器。该
系统的制冷回路由平行流微通道冷凝器，液体接收器/过滤器/干燥器，内置式恒温图1 - 实验汽车空调系统的示意图。
膨胀阀，层压式蒸发器，五缸摆盘式FCC组成， 138立方厘米/转和五缸摇摆板VCC，扫气量为9.8-151毫升/转。
实验系统包含两个通风管，蒸发器和冷凝器已插入其中。包含蒸发器管道的横截面积为0.048平方米，长度为1米。该管道有一个由直流电机驱动的离心风机和一个最大容量为1.8 kW的电加热器。通过电压调节器改变风扇马达两端的电压，可以将通过蒸发器的空气流量保持在所需的值。此外，蒸发器入口处的所需空气温度可以通过经由另一个电压调节器改变加热器两端的电压来实现。另一方面，包含冷凝器的管道的横截面积为0.219平方米，长度为1米。该风管配有由直流电机驱动的双风扇装置和另一个最大容量为5.6 kW的电加热器。冷凝器空气流量可以通过调节风扇电机两端的电压来改变。而且，通过改变加热器两端的电压，可使进入冷凝器的空气流的温度保持在所需值。两个通风管都用3厘米厚的聚氨酯泡沫隔热。
实验系统中的FCC和VCC通过一变频器，由三相4kW电动机驱动，从而允许压缩机以所需速度运行。尽管两个压缩机的皮带轮都转动，但只有活动压缩机的电磁离合器被激励，因此在测试运行中仅运行一台压缩机。在操作之前，活动压缩机的手动阀完全打开以将其连接到制冷回路，而不活动的压缩机的手动阀紧密关闭。 AAC系统的容量通常由恒温器控制，当车厢空气温度足够低时，恒温器断开电磁离合器的电源。然而，为了在没有中断的稳态操作下测试系统，实验系统没有配备恒温器。
系统的制冷剂管线由铜管制成，其内径与原始橡胶软管相同，并由弹性材料绝缘。制冷回路装有800克HFC134a。由于实验系统中使用了第二台压缩机，制冷剂库存比原始AAC系统制造商建议的要高50克
测量的位置和类型也在图1中描绘。制冷剂温度通过焊接到铜管的K型热电偶检测。还测量了进入和离开蒸发器和冷凝器的空气流的干球温度和相对湿度。蒸发器和冷凝器出口处的测量分别在四个和六个不同位置进行，结果取平均值。用布尔登管规测量压缩机的吸入压力和排出压力。忽略蒸发器和冷凝器以及连接管线中的压降，假定蒸发和冷凝压力分别等于所测量的吸入和排出压力。压缩机转速由光电转速计测量。通过风速计在四个不同位置测量蒸发器出口处的空气速度，同时在六个不同位置测量冷凝器出口处的空气速度。选择这些位置的方式是通过管道流动区域均匀分布。然后，通过蒸发器和冷凝器的空气质量流率由空气密度乘以平均空气速度与管道流动面积的乘积确定。表1总结了仪器的一些功能，实验装置的更多细节可以在Alkan（2007）中找到。
3.测试程序
实验AAC系统的性能通过进行两组测试来评估。在第一组测试中，称为恒定风速测试，通过改变蒸发器和冷凝器风扇电机两端的电压，蒸发器和冷凝器出口处的平均空气速度分别保持在3.0和2.8ms-1。然后，使用逆变器，压缩机速度在750至1500转/分之间变化，间隔为250转/分钟。最后，蒸发器和冷凝器入口处所需的空气温度分别通过改变蒸发器和冷凝器管道中的电加热器两端的电压来实现。对于每个压缩机速度，系统在蒸发器和冷凝器空气入口温度的三种不同组合下进行测试。
在第二组测试中，称为恒定进气温度测试，蒸发器和冷凝器入口处的空气温度保持在35℃。然后，将压缩机速度保持在1000和1500rpm，并将蒸发器出口处的平均空气速度调节到1.5和3.0m / s。对于每个压缩机速度和蒸发器空气速度，系统在三个不同的冷凝器空气面速度1.4,2.8和4.2 m s-1下进行测试。
在所有的测试中，最小压缩机速度选择为750转/分，以避免低速时可能产生的润滑不足。 VCC的容量控制系统通过调节压缩机活塞的行程来控制制冷剂流量，当吸入压力趋于降低到某个值以下时。这个压力是这样确定的， 即在整个压缩机速度范围和其他运行条件下，蒸发器表面上几乎不出现霜。另一方面，实验系统在FCC转速超过1500转/分的情况下的操作产生的蒸发温度过低，从而导致蒸发器表面结霜。通常情况下，使用FCC的AAC系统配备温度检测器，当蒸发器表面温度低于0℃时，电磁离合器会断电。然而，实验系统没有配备这样的检测器，以便在没有中断的情况下测试系统处于稳定状态。因此，压缩机速度的上限选择为1500rpm
虽然AAC系统的稳态运行相当不寻常，但它构成了一个适当的绩效评估程序。因此，本研究中的所有测试均在稳态条件下进行。假定当关键点的温度偏差低于0.5℃5分钟时达到稳态。一旦发生稳定状况，记录数据以评估系统的性能
4.热力学分析
实验系统的冷却能力可以从中确定
正如方程（1）中，冷却能力取决于空气质量流率，蒸发器入口和出口处潮湿空气的比焓以及离开蒸发器的冷凝物的焓。
然后，可以从中计算制冷剂质量流量
假定压缩过程是绝热的，VCC和FCC操作中由制冷剂吸收的压缩机功率可以从
冷却能力与压缩机功率的比率给出系统的能量性能，即性能系数。 VCC和FCC操作的这个系数可以从中确定
VCC和FCC中由不可逆性引起的（火用）破坏可表示为
其中T0是表示滞止状态的环境温度。
冷凝器和液体管线中的火用损可以从中确定
这种损失主要是由空气和制冷剂流之间的热传导造成的。
假定膨胀过程是绝热的，膨胀阀中的火用损率，是由制冷剂通过阀的膨胀而产生的摩擦耗散而造成的，可以从
蒸发器中的有效能破坏是由制冷剂和空气流之间的热传导引起的，可以从中确定
最后，系统的制冷回路中的全部（火用）损坏率可以从中评估
lt;
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