混合动力汽车车载吸收-压缩混合式制冷系统的动态性能研究

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研究表明,在高转速大负荷工况下,发动机的排气中所含的能量具有很大的回收潜力。利用吸收式制冷系统可将排气余热转化为冷量后再利用。然而,单独的吸收式制冷系统不能满足车辆的冷量需求。为此,学者们提出了一种吸收-压缩混合式制冷系统,并对其进行了稳态特性研究。为了更加准确的反映吸收-压缩混合式制冷系统在实际应用过程的表现,本文基于MATLAB/SIMULINK和REFPROP分析了压缩式制冷系统以及吸收-压缩混合式制冷系统的动态性能。并研究了吸收-压缩混合式制冷系统在循环工况下对混合动力汽车能量消耗的影响。首先,本文搭建了以R134a为工质的蒸汽压缩式制冷循环系统的动态模型,分析了压缩式制冷系统对车速、乘员舱温度以及环境温度变化的阶跃响应。结果表明,压缩式制冷系统的阶跃响应时间较短(约为50 s),压缩式制冷系统的COP随车速增加、环境温度降低、车内温度降低而升高。车速和环境温度主要影响了冷凝器的性能,从而影响压缩式制冷系统的功耗和COP,对蒸发器的性能以及制冷量的影响很小;而乘员舱内温度对压缩式制冷系统整体的影响最大。除了蒸发压力,压缩式制冷系统的其他参数都对车内温度较为敏感。按照以上三个因素对压缩式制冷系统耗功功率的影响程度从大到小排序依次为:车内温度、环境温度和车速。若按三个因素对制冷系统COP的影响程度从大到小排序则分别是:环境温度、车内温度和车速。其次,设计了以R134a/DMAC为工质对的吸收式制冷系统,并建立了吸收式制冷系统中溶液循环的动态模型,以及吸收-压缩混合式制冷系统的动态模型。结果表明,混合式制冷系统的系统阶跃响应时间(约1000 s)大概是压缩式制冷系统响应时间(50 s)的20倍。设计工况下,混合式制冷系统的功率相比于压缩式制冷系统降低了11.1%,COP提高了12.3%。在混合式制冷系统中,按照车速、热源温度以及环境温度三个因素对系统节能效果的影响程度大小依次排序为:环境温度、排气温度和车速。最后,建立了混合动力汽车的动态模型并将吸收-压缩混合式制冷系统的动态模型耦合到整车模型中,研究了包含低、中、高车速的真实实验循环下,车辆以及制冷系统的表现。在乘员舱温度298.15 K、环境温度308.15 K并保持不变的条件下,车速变化对混合式制冷系统的冷凝压力影响最大,对蒸发器出口处工质的过热度、对冷凝器出口工质的过冷度以及蒸发器中工质流量几乎没有影响。采用压缩式制冷系统时车辆的能耗比不制冷时增加了11.9%~22.0%,而采用混合式制冷系统比采用压缩式制冷系统节约了约7.4%的能量消耗。循环工况下,车内温度对混合式制冷系统功耗的影响大于环境温度的影响。而环境温度对混合式制冷系统COP的影响大于车内温度的影响。车内温度对蒸发器压力、蒸发器出口处工质过热度以及冷凝器出口处工质过冷度的影响最小,对制冷系统中流过蒸发器的工质流量以及系统的功率影响最大。环境温度对蒸发压力和系统制冷量的影响最小,对冷凝器出口处工质的过冷度以及系统的功率影响最大。不同车内温度以及环境温度下,制冷系统对整车能量消耗的影响需要具体分析。
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