二氧化碳汽車(chē)空調(diào)的研究與應(yīng)用前景

　　摘　要:本文介紹了二氧化碳作為天然環(huán)保制冷劑在汽車(chē)空調(diào)的研究與運(yùn)用;闡述了相比較于其它制冷劑所具有的一些優(yōu)缺點(diǎn)以及超臨界循環(huán)的CO2制冷系統(tǒng)原理;另外由于CO2自身的特性，使得在系統(tǒng)各個(gè)部件如壓縮機(jī)、換熱器、管路等的制造與使用傳統(tǒng)制冷劑部件相差較大,對(duì)此也做了較為詳細(xì)的介紹;同時(shí)，本文針對(duì)CO2空調(diào)系統(tǒng)高壓運(yùn)行所帶來(lái)的安全問(wèn)題給予了很明確的詮釋。

　　1.概述：CO2是天然冷媒，它無(wú)毒、不可燃，消耗臭氧潛能值為零，q*變暖潛能值為1。CO2還具有優(yōu)良的熱物理性質(zhì)。如：CO2的容積制冷量是R12的8倍左右，這可使設(shè)備更緊湊。20世紀(jì)70年代，CFC及HCFC被發(fā)現(xiàn)破壞大氣臭氧層及溫室效應(yīng)指數(shù)較高而面臨全面禁用。在此背景下，采用超臨界循環(huán)的CO2系統(tǒng)以其優(yōu)良的環(huán)保特性、較低的流動(dòng)阻力及相當(dāng)大的單位容積制冷量，重新在制冷領(lǐng)域得到了青睞。美、日、歐都已相繼研制成功了二氧化碳汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)并裝車(chē)試運(yùn)行，DANFOSS、DENSO、ZEXEL等已進(jìn)入二氧化碳?jí)嚎s機(jī)小批量生產(chǎn)階段[1]。

　　2.超臨界循環(huán)的CO2制冷系統(tǒng)原理

　　90年代初，挪威技術(shù)大學(xué)Lorentzen教授開(kāi)發(fā)了采用跨臨界制冷循環(huán)的汽車(chē)空調(diào)樣機(jī)[3]，并申請(qǐng)獲得了國(guó)際專(zhuān)利。跨臨界制冷循環(huán)的流程圖和壓焓圖見(jiàn)上圖1、圖2所示，它是一種和深度冷凍裝置中的高壓(林德)流程氣體液化與分離裝置類(lèi)似的系統(tǒng)，只不過(guò)其目的不是為了氣體液化和分離，而是利用氣體液化后可以蒸發(fā)吸收汽化潛熱的特性以達(dá)到制冷的目的。

　　跨臨界系統(tǒng)由壓縮機(jī)C、氣體冷卻器G、內(nèi)部熱交換器I、節(jié)流閥V、蒸發(fā)器E與儲(chǔ)液器A組成封閉回路。氣體工質(zhì)在壓縮機(jī)中升壓至超臨界壓力P2，在p-h圖上為過(guò)程f-a，然后進(jìn)入氣體冷卻器中，被冷卻介質(zhì)(空氣或冷卻水)所冷卻。為了提高系統(tǒng)的性能系數(shù)COP，出氣體冷卻器后的高壓氣體在內(nèi)部熱交換器中進(jìn)一步冷卻。它是用壓縮機(jī)回氣管前面的低溫低壓蒸汽過(guò)熱這一回?zé)嵩韺?shí)現(xiàn)的，此即過(guò)程b-c。理想情況下，焓降hb-hc=hf-he。然后用節(jié)流閥減壓，經(jīng)節(jié)流后的氣體被冷卻，且部分氣體液化，濕蒸汽進(jìn)入蒸發(fā)器E內(nèi)汽化，吸收周?chē)橘|(zhì)的熱量。蒸發(fā)器中的液體并不全部汽化，而是設(shè)計(jì)成有少量液體盈余，因此其出口狀態(tài)a將在兩相區(qū)內(nèi)，這對(duì)提高蒸發(fā)器的傳熱效率十分有利。正因?yàn)槿绱?，E出口須配置儲(chǔ)液器，以防止壓縮機(jī)液擊和便于壓縮機(jī)回油(專(zhuān)用回油管道如圖上虛線(xiàn)所示)。儲(chǔ)液器出來(lái)的低壓飽和蒸汽進(jìn)入內(nèi)部熱交換器的低壓側(cè)通道，吸收高溫高壓的超臨界氣體的熱量后，成為過(guò)熱蒸汽進(jìn)入壓縮機(jī)升壓。如此周而復(fù)始完成循環(huán)。

　　3.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及部件實(shí)現(xiàn)

　　CO2跨臨界系統(tǒng)的工作壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)亞臨界循環(huán)，蒸發(fā)壓力為30-40bar，冷卻壓力為100-110bar，這給壓縮機(jī)及管路的機(jī)械設(shè)計(jì)與密封帶來(lái)一些特殊的問(wèn)題，需要進(jìn)行較大改進(jìn)。CO2具有相當(dāng)大的單位容積制冷量(0℃時(shí)單位容積制冷量分別為R12和R22的8.25倍與5.12倍)，故而與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，CO2制冷系統(tǒng)的容積流量可顯著減小，這樣使得壓縮機(jī)的尺寸，閥門(mén)與管道的流通面積比一般制冷系統(tǒng)小得多。同時(shí)CO2良好的熱力性質(zhì)也為設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊，高效的熱交換器提供了可能性。

　　1)、壓縮機(jī)

　　CO2其絕熱指數(shù)(K)值較高，達(dá)1.30，這可能會(huì)產(chǎn)生壓縮機(jī)排氣溫度偏高的顧慮，但由于CO2的低壓工作壓力P0很高，因而壓縮機(jī)的壓比π=PH/P0卻比其他制冷劑系統(tǒng)的低得多，因此不會(huì)象氨系統(tǒng)那樣需要對(duì)壓縮機(jī)本身進(jìn)行冷卻。正因?yàn)榻^熱指數(shù)K值高，壓比小，可減小壓縮機(jī)余隙容積的再膨脹損失，使壓縮機(jī)的容積效率較高。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論研究，Jurgen SUB和Horst Kruse[4]認(rèn)為往復(fù)式壓縮機(jī)，主要是柱塞和軸塞式壓縮機(jī)憑借油潤(rùn)滑，在汽缸壁和活塞之間存在良好的油膜滑動(dòng)密封，成為CO2系統(tǒng)的s*選。因此迄今為止，汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)中使用的二氧化碳?jí)嚎s機(jī)采用往復(fù)式結(jié)構(gòu)，圖3為DANFOSS研制三缸斜盤(pán)式壓縮機(jī)、Bock研制的兩缸立式活塞式客車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)和電裝的變排量壓縮機(jī)。

　　a 轎車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)三缸斜盤(pán)式，排量26cm3，缸徑18.5mm, 行程31.9mm

　　b 客車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)兩缸直列式，排量120cm3，缸徑28mm, 行程49.0mm

　　2)、熱交換器

　　CO2汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)熱交換器包括蒸發(fā)器、氣體冷卻器和內(nèi)部氣體換熱器，占有整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量的一半及大部分體積，應(yīng)有高效、緊湊、重量輕的特點(diǎn)，以滿(mǎn)足汽車(chē)空調(diào)的特殊要求。

　　制冷循環(huán)中的散熱由空氣冷卻器完成，其作用相當(dāng)于傳統(tǒng)制冷循環(huán)中的冷凝器。在空氣冷卻器中，二氧化碳工作在超臨界狀態(tài)下，始終處于氣態(tài)，并不發(fā)生一般冷凝器中的冷凝液化過(guò)程。受二氧化碳物性的制約，空氣冷卻器中制冷劑側(cè)壓力很高，達(dá)110bar左右。另外，由于二氧化碳處于超臨界狀態(tài)，出口溫度獨(dú)立于出口壓力，使它可以有較大的壓降。因此，制冷劑側(cè)往往設(shè)計(jì)成較大的流量密度()和較小的管徑()。同時(shí)，小管徑也有助于承受較高的壓力。同樣的平均溫差下，二氧化碳和R-22的冷卻曲線(xiàn)如圖4： CO2的冷卻曲線(xiàn)特性使采用小迎風(fēng)面積、長(zhǎng)空氣流道、低空氣流速的逆流式換熱器成為可能。相同換熱量下，逆流式與叉流式的比較見(jiàn)下表2。采用逆流式設(shè)計(jì)的氣冷器接近方形，緊湊的結(jié)構(gòu)和較小的空氣流量可以使汽車(chē)空調(diào)中的空氣冷卻器不必一定放在散熱器前，也可不放在汽車(chē)前部，有利于汽車(chē)設(shè)計(jì)整體優(yōu)化，也避免了增加散熱器的負(fù)荷以及車(chē)底熱空氣進(jìn)入冷卻器中。

　　4.實(shí)用化研究現(xiàn)狀

　　二氧化碳超臨界循環(huán)理論由挪威技術(shù)學(xué)院的Lorentzen教授提出，在歐洲z*先得到響應(yīng)。 1994年起B(yǎng)MW、DAIMLERBENZ、VOLVO、德國(guó)大眾、Danfoss、Valeo等歐洲著名公司發(fā)起了名為“RACE”的聯(lián)合項(xiàng)目，聯(lián)合歐洲著名高校、汽車(chē)空調(diào)制造商等研制CO2汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)，并計(jì)劃在2003年歐洲生產(chǎn)的汽車(chē)有一半裝備CO2汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)。BENZ公司現(xiàn)已有裝備二氧化碳汽車(chē)空調(diào)的轎車(chē)生產(chǎn)。DANFOSS、奧地利的Obrist均已研制出二氧化碳車(chē)用壓縮機(jī)。日本的DENSO、ZEXEL的二氧化碳?jí)嚎s機(jī)已進(jìn)入小批量生產(chǎn)階段。

　　5.小結(jié)

　　1. CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)，充分利用了CO2高飽和壓力，良好熱力性能及相當(dāng)大單位容積制 冷量，具有高效緊湊等特點(diǎn)，適合于汽車(chē)空調(diào)。

　　2. 在CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)研究的理論和實(shí)驗(yàn)方面已經(jīng)取得了不小的成就，CO2系統(tǒng)日趨成熟，商用化指日可待。

　　3. CO2具有優(yōu)良環(huán)保性能，從安全方面考慮，汽車(chē)空調(diào)中CO2雖然壓力高，但其體積很小，即使在部件破裂著一不太可能發(fā)生的情況下，例如制冷劑側(cè)容積不到2L的CO2汽車(chē)空調(diào)機(jī)所釋放出來(lái)的潛在能量還趕不上一個(gè)典型的CO2滅火器釋放的多，何況有保護(hù)系統(tǒng)予以監(jiān)控與保護(hù)，因而機(jī)械系統(tǒng)的安全性是完全可靠的。

　　4. CO2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原車(chē)用空調(diào)系統(tǒng)有明顯不同，高壓側(cè)壓力、回?zé)釗Q熱量等系統(tǒng)循環(huán)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)COP影響顯著，必須對(duì)系統(tǒng)熱力循環(huán)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　5. 以CO2作為工質(zhì)的汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)，無(wú)論在理論方面，還是在部件實(shí)現(xiàn)方面，都完全具備了可能性。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1].陳江平.二氧化碳汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)研究進(jìn)展。交通運(yùn)輸制冷空調(diào)，2000(1)：2

　　[2].方貴銀.我國(guó)汽車(chē)空調(diào)的現(xiàn)狀及展望.上海汽車(chē)，1998(3)：27～31

　　[3].Pettersen J，Lorentzen G. A new efficient and environmentally benign system for automobile air conditioning。SAE Trans，1993，102(5)：pp. 135-145

　　[4]Jurgen SuB and Horst Kruse. Efficiency of the indicated process of CO2-compresser. Int. J. of Refrig.，1998. Vol. 21，No. 3，pp1944-01