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引言：

制冷剂充注量对纯电动客车热泵空调系统的循环性能有很大影响：

若制冷剂充注量不足：使蒸发器内的制冷剂液体未流全程就蒸发为气体，使得压缩机吸气温度过高，造成过热度过大，排气温度过高;；

若充注量过多：导致排气压力过高，严重的时候，会对系统造成破坏。因此，合适的制冷剂充注量对空调系统高效稳定运转具有重要意义。

本文对纯电动客车热泵空调系统进行最佳充注量的实验研究，讨论充注量分别对制冷循环和制热循环下换热量、COP、排气温度、过冷度的影响，从多个方面分析判定得出制冷剂最佳充注量，并对此条件下的循环特点进行了分析。

一、测试系统简介：

测试原理如下图所示：

系统流程上布置了压力传感器和温度传感器，这些测点通过安捷伦数据采集仪采集数据，为分析系统性能提供了具体实测值。

本测试系统的主要设备组成如下表所示：

制冷剂充注量采用电子秤精确测量，其测量精度达到 ± 1g。压缩机转速4000rpm，车内外风机均为额定风量，主路电子膨胀阀过热度设定为 5K。

二、制冷剂充注量估算方法

关于制冷剂的充注量，目前工程上为简化计算，通常采用内容积估算法进行估算，其实质是采用充注量占系统各设备内容积百分比的方法估算总的制冷剂充注量。客车空调系统的制冷剂充注量等于其高压侧、低压侧各管道、气液分离器、储液器以及换热器等部件的充注量之和。各部件制冷剂量所占部件内容积比例，如下表所示：

本系统内容积计算如下表所示：

根据上述表格，制冷剂充注量的估算值如下：

内容积估算法只能得出大致制冷剂充注量，系统实际制冷剂最佳需求量则需要实验进一步验证。实验工况对确定制冷剂最佳充注量至关重要，且制冷工况和制热工况对制冷剂需求量不同，为保证纯电动客车热泵空调系统高效运转，本课题组分别进行制冷工况和制热工况实验。实验工况参数如下表所示：

本课题组先试验制冷工况，制冷剂以 3.5kg起充注，分别为3.5kg、4.0kg、4.1kg、4.4kg、4.6kg、4.8kg、5.2kg、6.0kg、7.0kg。R407C是混合工质，定量减少充注量将改变其组分，影响测试结果，因此，在确定制冷工况下系统最优制冷剂充注量范围后，将系统内制冷剂全部排空。

而后进行制热工况实验，此时制冷剂充注量分别为3.5kg、3.8kg、3.9kg、4.0kg、4.1kg。综合分析充注量对制冷和制热工况系统的性能影响，从而确定最佳充注量。

三、制冷运行结果分析与曲线

如下为制冷量随着充注量变化的曲线图：

现象：随着充注量的增加，制冷量逐渐增大。3.5kg 到4.0kg，制冷量增加梯度最大，提高14.03% ，逐步充注至5.2kg，制冷量达到最大值，再继续充注，略有下降。

分析：当充注量较少时，制冷剂流量很小，蒸发器面积没能有效利用，导致蒸发器出口过热度较大，进一步造成制冷量很小。当充注量逐渐增大时，系统质量流量增大，蒸发温度升高，蒸发器有效换热面积增大，从而制冷量增大。制冷量达到峰值以前，质量流量在传热中占主导地位，但是继续充注制冷剂，蒸发温度的上升使传热温差减小，此时传热温差占主导地位，抑制了制冷量的进一步上升，这就是制冷量出现峰值后又开始下降的原因。

以下为COP随充注量的变化曲线

现象：上图可以得到，随着充注量的增加，能效比COP 会在某一个充注量达到峰值，本系统是在充注量 5.2kg 时达到峰值。

分析：原因在于制冷剂充注量较少时，压缩机功率与质量流量成正比，随着充注量的增加，压缩机吸排气压力同时上升，压比变化不大，因而压缩机功率变化不是很大，随之，COP 和制冷量的变化规律基本一致。

以下为排气温度随充注量的变化曲线

现象：随着充注量的增加，排气温度逐渐降低，如上图所示。

分析：原因在于，充注量少时，蒸发器出口过热度较大，吸气温度较高，压缩机吸入过热的制冷剂后，经等熵压缩后排气温度必然很高。随着充注量的增大，通过蒸发器的质量流量增加，蒸发器出口过热度降低，吸气温度降低，而压比变化不大，排气温度亦降低。

过冷度随着充足量的变化曲线：

现象：冷凝器出口过冷度，是判定客车空调系统制冷剂充注量是否合适的最重要指标。由上图可知，在充注量的起始阶段，冷凝器出口过冷度很小，这对系统性能不利。充注量4.0kg 时，过冷度提高98% ，继续充注，冷凝器出口过冷度逐渐增大，充注量5.2kg 至7.0kg 区域，冷凝器出口过冷度相对稳定，这是因为多余的制冷剂被储存在储液器内，继续充注对提高冷凝器出口过冷度没有意义，因此，过冷度相对稳定时即为最佳充注量。

结论：由图 2 ～ 图 5 可以看出，在制冷工况下，制冷剂充注量在5.2kg 时，系统的制冷量、能效比、排气温度、过冷度均处于比较理想的状态。

四、制热运行结果分析与曲线

测试制热工况时，各性能参数的变化趋势下图所示：

充注量3.5kg 至 3.9kg，制热量、能效比和冷凝器出口过冷度都随着充注量的增加而增大。排气温度随着充注量的增加而降低，继续充注，各性能参数趋于平稳。

这是由于，随着充注量的增加，蒸发器的利用效率增大，过热度逐渐接近设定值，压缩机吸气温度有所下降，压比不变，排气温度亦降低。继续充注制冷剂，各性能参数变化不大，此时系统制冷剂需求量已经足够。综上可知，制热工况系统各性能参数在制冷剂充注量4.0kg 最优。

五、结论：

01、制冷剂充注量是影响客车空调系统性能的重要因素之一，合适的制冷剂充注量能够保证系统高效稳定运行。

02、系统各部件内容积越大，制冷剂需求量越多，其中液体管道的长度对充注量的影响很大。

03、制冷工况和制热工况的制冷剂最佳需求量不同。制冷工况最佳充注量为 5.2kg，制热工况最佳充注量是 4.0kg。储液器的设置解决了制冷工况和制热工况制冷剂需求量不同的问题，更能保证冷凝器出口有合适的过冷度，使系统性能最优。

04、 内容积估算法得出的制冷剂充注量与实验最佳充注量存在偏差，实验得出制冷剂最佳充注量，对纯电动客车热泵空调的产品研究与开发具有指导意义。

下面我们 试着用excel来计算空调制冷剂充注量的方法：

在制冷系统中80%-90%的制冷剂都在两器，但是汽车空调中，两器的占比在制冷剂的充注量中占得比重大约为65%，因此，在汽车空调的制冷剂的充注量中，我们建议计算各部件的容积（两器、储液器、气液分离器、高压管、低压管），再利用密度乘以容积的方式，来计算整个系统的制冷剂充注量。

制冷剂的在两器中，质量计算有如下公式：

我们先来看下冷凝器，我们只需要知道冷凝器的容积，然后乘以平均密度，就可以得到冷凝器中制冷剂的质量了；

方法如下：

根据上节课的介绍，我们计算出了冷凝器中三种状态（过热、冷凝、过冷）的容积比了；我们假设每段的换热系数与换热温差是相等的；

根据以下公式：

A= m*Δh/ K*ΔTm

则每个焓增都对用相同的换热面积，

将焓差均分为10点，容积比也均分为10点，每点的容积比、焓值如表格所示：通过每点的压力和焓值，计算出对应的密度：

上述表格为过热段的数据。

其他两段数据结果如下：

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