CN115077950A - 一种通用式热泵空调系统性能检测装置及其检测方法 - Google Patents

一种通用式热泵空调系统性能检测装置及其检测方法 Download PDF

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陈新文
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Abstract

一种通用式热泵空调系统性能检测装置及其检测方法，包括：动力系统，用于压缩制冷剂，排出压缩机后的高温高压制冷剂气体，包括压缩机；温度压力检测系统，用于接收管道流量信号、温度信号与压力信号，从而判别制热工况或制冷工况下压缩机与换热器的性能表现，包括温控箱，流量计，压力传感器，温度传感器，四通阀；换热系统，用于冷却剂的相变，与外界进行热交换，包括膨胀阀、换热器一、换热器二、PTC加热器。本发明采用通用式热泵空调检测方法，可以同时检测制冷与制热工况下压缩机与换热器的性能，且可以根据需求更换不同型号的压缩机与换热器，操作简单，有效提高检测效率。增设温度箱，改变不同温度测试范围，实现不同工况下压缩机与换热器的性能检测，有效缩短研发周期。

Description

一种通用式热泵空调系统性能检测装置及其检测方法
技术领域
本发明属于新能源汽车热泵空调检测技术领域，特别涉及一种通用式热泵空调系统性能检测装置及其检测方法。
背景技术
当前新能源汽车产业发展快速，研究新能源汽车的空调系统以及热管理也变得极为迫切。由于我国汽车厂商众多，也是出现了多种多样的新能源汽车的车型，虽然各种车型的新能源汽车热泵空调原理一样，但各自的规格尺寸和型式均不相同，所以在新能源汽车热泵空调的设计、验证、调节改善、包括运算逻辑方面都会有大量的财力、物力、人力的投入。目前，我们对热泵型空调的验证、检测通常都是在标准焓差台试验台进行，通过按照标准的方法检测以获得相关数据，然后再根据这些数据调整或修改空调的设计，整个过程周期长、费用高，对人员专业素质要求也高。
因此急需提供一种汽车热泵空调测试系统，它能够快速地测试汽车热泵空调系统在各种模式下的制冷和制热性能，不需要使用焓差台，测试速度更快，测试过程更简单，通过不同零部件之间的配合工作实现，极大缩短开发周期，降低人力、物力和财力的投入。
发明内容
针对现有热泵空调系统性能检测技术的不足，本发明提供一种通用式热泵空调系统性能检测装置及其检测方法，其测试系统可以在汽车热泵空调系统设计开发前期对空调系统进行制热或制冷性能测试，保证压缩机的冷热工况正常运行，从而大大缩短研发周期。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种通用式热泵空调系统性能检测装置及其检测方法，包括：
动力系统，用于压缩制冷剂，排出压缩机后的高温高压制冷剂气体，包括压缩机；
温度压力检测系统，用于接收管道流量信号、温度信号，从而判别制热工况或制冷工况性能表现，包括温控箱，流量计，压力传感器，温度传感器，四通阀；
换热系统，用于冷却剂的相变，与外界进行热交换，包括膨胀阀、换热器一、换热器二、PTC加热器；
所述压缩机的吸入口和排出口分别通过四通阀与换热器一、换热器二相连，所述换热器一、换热器二分别置于温控箱内，换热器一、二之间的管道接有膨胀阀，所述换热器一、二处的温控箱内分别设有PTC加热器；所述四通阀，用来改变制冷剂气体流向。
进一步地，所述压缩机采用柔性接口接入系统，方便不同种类压缩机接入，用于压缩制冷剂，推动制冷剂在系统中循环；
进一步地，所述温控箱采用铝合金材质，用于模拟不同环境温度，通过铜管与水泵相连；所述温度传感器采用热电偶传感器，用于检测所述管道高温高压的气体温度；所述换热器一与膨胀阀之间、换热器二与膨胀阀之间分别设置预加热系统，用于提高管内气体温度，降低压缩机的压缩比；所述流量计采用叶轮式流量计，用于记录冷却剂的流量；
进一步地，所述膨胀阀用于调整所述换热器一出口与换热器二入口的压力比，保证输出低温低压的气体至换热器二；所述换热器一采用柔性接口接入系统，方便不同型号换热器一接入，用于将所述压缩机压缩后的高温高压制冷剂气体冷凝为饱和液体，期间释放大量热量；所述换热器二采用柔性接口接入系统，方便不同型号的换热器二接入系统，设有PTC电加热装置，用于将制冷剂液体蒸发为饱和气体，期间吸收大量热量；
进一步地，所述压缩机质量流量、耗功与出口状态的算法满足以下关系：
压缩机质量流量计算公式：
Figure BDA0002970282070000021
其中，mcom为压缩机质量流量，kg/s；ηv为容积效率；vth为理论排气量，m3/r；rcom为压缩机转速，r/s；vsuc为吸气比容，m3/kg。
压缩机功率计算公式：
W＝mcom(hdis-hsuc)/fQ
其中，W为压缩机耗功，kw；hdis为排气焓，kJ/kg；hsuc为吸气焓，kJ/kg；fQ为热损系数(可视为常数，一般在0.9～1.0之间)。
Figure BDA0002970282070000031
其中，hdis|s为等熵压缩下的排气焓，kJ/kg；ηs为等熵效率。
进一步地，所述换热器一的换热面积的算法满足以下关系：
制冷剂侧有效换热面积由直接换热面积与间接换热面积组成：
Ar＝Ar1+ηtAr2
其中，冷剂侧直接换热面积：
Ar1＝2[Tdi-Thi-CP(NC-1)]lw+π·Thilw
其中，Tdi为扁管内宽，m；Thi为扁管内高，m；CP为定压比热容，J/(kg·K)。
在计算制冷剂侧换热面积时，将微通道间距视作内表面矩形截面直肋，用以增加内表面换热，故在计算制冷剂侧间接换热面积时可以采用下述公式：
Ar1＝2(NC-1)Thilw
肋片效率：
Figure BDA0002970282070000032
Figure BDA0002970282070000033
进一步地，所述换热器二传热算法满足以下关系：
换热器二的传热面积计算公式：
Qe＝KAΔTm
Qe为换热器二的制冷量，W；K为换热器二的传热系数，W/M2.℃；A为换热器二的传热面积，M2；ΔTm为换热器二的平均传热温差，℃。
Figure BDA0002970282070000034
其中，T1、T2为被冷却液体进、出换热器二的温度，℃；Te为蒸发温度，℃；
系统制冷量：Qe＝mae(haei-haeo)
系统制热量：Qe＝mac(haco-haci)
其中，haei，haeo为换热器二左右两端的焓值。
进一步地，所述膨胀阀质量流量损失算法满足以下关系：
Figure BDA0002970282070000035
其中，Cd流量系数，A0流通截面积，m2，ρL阀膨胀阀入口处液态制冷剂密度，kg/m3，Pi，p0针阀膨胀阀进、出口压力Pa。
Figure BDA0002970282070000041
其中，v0为出口制冷剂的比容，m3/kg。
上述一种通用式热泵空调系统性能检测法，其特征是，包括以下步骤：
1)首先，启动温度压力检测系统，实时监测温度与压力。
2)制冷模式时，从压缩机的高压排出口排出的制冷剂依次流经压力和温度传感器、换热器一、换热器一出口的压力和温度传感器、膨胀阀、膨胀阀出口的压力和温度传感器、换热器二及换热器二出口的压力传感器、温度传感器、流量计，最后从压缩机的低压吸入口返回压缩机；其中，制冷剂在换热器一进行冷凝放热反应，在换热器二进行蒸发吸热反应以达到降温的目的，换热器一处的PTC加热器不工作，换热器二处的PTC加热器工作，换热器二处的风扇吹冷风。
3)制热模式时，从压缩机的高压排出口排出的制冷剂依次流经压力和温度传感器、换热器二、换热器二出口的压力和温度传感器、膨胀阀、膨胀阀出口的压力和温度传感器、换热器一及换热器一出口的压力传感器、温度传感器、流量计，最后从压缩机的低压吸入口返回压缩机；其中，制冷剂在换热器二进行冷凝放热反应，以达到加热的目的，在换热器一进行蒸发吸热反应，换热器一处的PTC加热器工作，换热器二处的PTC加热器不工作，换热器二处的风扇吹热风。
与现有技术相比，本发明提供的一种通用式热泵空调系统性能检测法有如下优点：
1)采用通用式热泵空调检测方法，可以同时检测制冷与制热工况下压缩机与换热器的性能，且可以根据需求更换不同型号的压缩机与换热器，操作简单，有效提高检测效率。
2)增设温度箱，改变不同温度测试范围，实现不同工况下压缩机与换热器的性能检测，有效缩短研发周期。
附图说明
附图1是本发明热泵空调系统性能检测原理图；
附图2是本发明制冷性能检测原理图；
附图3是本发明制热性能检测原理图。
具体实施方式
下面结合流程原理图对本发明作进一步的说明。一种通用式热泵空调系统性能检测装置及其检测方法。包括动力系统，温度压力检测系统，换热系统。
具体的，动力系统，包括压缩机；首先压缩机吸入低温低压的气体，将制冷剂压缩为高压、高温气体排至换热器一，在此过程中换热器一会不断地散热，将高温高压的气体冷凝为饱和液体。
具体的，温度压力检测系统，包括温控箱，流量计，压力传感器，温度传感器，四通阀；温控箱采用电子式，精确度高，用来模拟环境温度，以便测试各种工况下热泵系统性能的表现，流量计用于测量系统制冷剂实时流量，压力传感器用于测量压缩机排期压力，换热器二入口压力，压缩机吸气压力，每个压力传感器需要9-30V的直流电源，并且输出0-5V的直流电压；温度传感器用于测量压缩机排气，换热器一出口，换热器二入口，换热器二出口和压缩机入口的温度。首先温度传感器开始检测压缩机出口端的制冷剂温度，经过四通阀，改变制冷剂气体流向，通过流量计流入温控箱中，经过冷凝散热，通过压力传感器测得换热器二两端的压力值，最终从压缩机的低压吸入口返回至压缩机。
具体的，换热系统，包括膨胀阀，PTC加热器，换热器一，换热器二；由于膨胀阀阻挡制冷剂的流动，冷却系统中生成高低压区域，确保制冷循环可以进行。液体经过膨胀阀流入换热器二，高压的液态冷媒通过膨胀阀进入换热器二，由于膨胀阀的雾化作用，使液态的冷媒变成雾状，雾状的冷媒在低压条件下转变为气态。利用蒸发吸热原理，吸收周围热量，使换热器二附近结霜，所以此时换热器二的表面温度较低，最终实现制冷过程。同样的，从压缩机的高压排出口排出的制冷剂依次流经换热器二、膨胀阀、换热器一，最后从压缩机的低压吸入口返回压缩机；其中，制冷剂在换热器二进行冷凝放热反应，从而实现制热过程。
以上是对本发明的较佳实施进行的具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种通用式热泵空调系统性能检测装置，其特征是，包括：
动力系统，用于压缩制冷剂，排出压缩机后的高温高压制冷剂气体，包括压缩机；
温度压力检测系统，用于接收管道流量信号、温度信号和压力信号，从而判别制热工况或制冷工况下压缩机与换热器的性能表现，包括温控箱、流量计、压力传感器、温度传感器、四通阀；
换热系统，用于冷却剂的相变，与外界进行热交换，包括膨胀阀、换热器一、换热器二、PTC加热器。
2.根据权利要求1所述的一种通用式热泵空调系统性能检测装置，其特征是，所述压缩机的吸入口和排出口分别通过四通阀与换热器一、换热器二相连，所述换热器一、换热器二分别置于温控箱内，换热器一、二之间的管道接有膨胀阀，所述换热器一、二处的温控箱内分别设有PTC加热器；所述四通阀，用来作改变制冷剂气体流向。
3.根据权利要求2所述的一种通用式热泵空调系统性能检测装置，其特征是，所述压缩机采用柔性接口接入系统，方便不同种类压缩机接入，用于压缩制冷剂，推动制冷剂在系统中循环。
4.根据权利要求2所述的一种通用式热泵空调系统性能检测装置，其特征是，所述温控箱采用铝合金材质，用于模拟环境温度，通过铜管与水泵相连。
5.根据权利要求2所述的一种通用式热泵空调系统性能检测装置，其特征是，所述温度传感器采用热电偶传感器，用于检测所述管道高温高压的气体温度。
6.根据权利要求2所述的一种通用式热泵空调系统性能检测装置，其特征是，所述换热器一与膨胀阀之间、换热器二与膨胀阀之间分别设置预加热系统，用于提高管内气体温度，降低压缩机的压缩比。
7.根据权利要求2所述的一种通用式热泵空调系统性能检测方法，其特征是，包括以下步骤：
1)首先，启动温度压力检测系统，实时监测温度与压力；
2)制冷模式时，从压缩机的高压排出口排出的制冷剂依次流经压力和温度传感器、换热器一、换热器一出口的压力和温度传感器、膨胀阀、膨胀阀出口的压力和温度传感器、换热器二及换热器二出口的压力传感器、温度传感器、流量计，最后从压缩机的低压吸入口返回压缩机；其中，制冷剂在换热器一进行冷凝放热反应，在换热器二进行蒸发吸热反应以达到降温的目的，换热器一处的PTC加热器不工作，换热器二处的PTC加热器工作，换热器二处的风扇吹冷风；
3)制热模式时，从压缩机的高压排出口排出的制冷剂依次流经压力和温度传感器、换热器二、换热器二出口的压力和温度传感器、膨胀阀、膨胀阀出口的压力和温度传感器、换热器一及换热器一出口的压力传感器、温度传感器、流量计，最后从压缩机的低压吸入口返回压缩机；其中，制冷剂在换热器二进行冷凝放热反应，以达到加热的目的，在换热器一进行蒸发吸热反应，换热器一处的PTC加热器工作，换热器二处的PTC加热器不工作，换热器二处的风扇吹热风。
8.根据权利要求7所述的一种通用式热泵空调系统性能检测方法，其特征是，所述压缩机质量流量、耗功与出口状态的算法满足以下关系：
压缩机质量流量计算公式：
Figure FDA0002970282060000021
其中，mcom为压缩机质量流量，kg/s；ηv为容积效率；vth为理论排气量，m3/r；rcom为压缩机转速，r/s；vsuc为吸气比容，m3/kg；
压缩机功率计算公式：
W＝mcom(hdis-hsuc)/fQ
其中，W为压缩机耗功，kw；hdis为排气焓，kJ/kg；hsuc为吸气焓，kJ/kg；fQ为热损系数(可视为常数，一般在0.9～1.0之间)；
Figure FDA0002970282060000022
其中，hdis|s为等熵压缩下的排气焓，kJ/kg；ηs为等熵效率。
9.根据权利要求8所述的一种通用式热泵空调系统性能检测方法，其特征是，所述换热器一的换热面积的算法满足以下关系：
制冷剂侧有效换热面积由直接换热面积与间接换热面积组成：
Ar＝Ar1+ηtAr2
其中，冷剂侧直接换热面积：
Ar1＝2[Tdi-Thi-CP(NC-1)]lw+π·Thilw
其中，Tdi为扁管内宽，m；Thi为扁管内高，m；CP为定压比热容，J/(kg·K)。
在计算制冷剂侧换热面积时，将微通道间距视作内表面矩形截面直肋，用以增加内表面换热，故在计算制冷剂侧间接换热面积时可以采用下述公式：
Ar1＝2(NC-1)Thilw
肋片效率：
Figure FDA0002970282060000031
Figure FDA0002970282060000032
所述换热器二传热算法满足以下关系：
换热器二的传热面积计算公式：
Qe＝KAΔTm
Qe为换热器二的制冷量，W；K为换热器二的传热系数，W/M2.℃；A为换热器二的传热面积，M2；ΔTm为换热器二的平均传热温差，℃。
Figure FDA0002970282060000033
其中，T1、T2为被冷却液体进、出换热器二的温度，℃；Te为蒸发温度，℃；
系统制冷量：Qe＝mae(haei-haeo)
系统制热量：Qe＝mac(haco-haci)
其中，haei，haeo为换热器二左右两端的焓值。
10.根据权利要求9所述的一种通用式热泵空调系统性能检测方法，其特征是，所述膨胀阀质量流量损失算法满足以下关系：
Figure FDA0002970282060000034
其中，Cd流量系数，A0流通截面积，m2，ρL膨胀阀入口处液态制冷剂密度，kg/m3，Pi，p0膨胀阀进、出口压力Pa。
Figure FDA0002970282060000035
其中，v0为出口制冷剂的比容，m3/kg。
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