周子成

1 引 言

1977年中國(guó)汽車產(chǎn)量為134萬(wàn)輛,2007年達(dá)到888萬(wàn)輛,2010年達(dá)到1826.47萬(wàn)輛,其中乘用車1375.78萬(wàn)輛,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)美國(guó),居世界第一位。

目前,不論是在我國(guó)還是在外國(guó),幾乎每輛乘用車都安裝有空調(diào)器。汽車空調(diào)制冷劑泄漏到大氣,使環(huán)境大氣中CO2含量增大,同時(shí),汽車空調(diào)消耗燃油變成排氣所排放的CO2也相當(dāng)可觀,這些都造成大氣中的溫室效應(yīng),使全球氣侯變暖。

由于R12在全世界范圍內(nèi)早已被禁止使用于汽車空調(diào),目前極大多數(shù)汽車空調(diào)中使用的制冷劑是R134a,它的GWP是1300,排放到大氣中對(duì)環(huán)境產(chǎn)生相當(dāng)大的溫室效應(yīng)。

圖1表示全世界累計(jì)生產(chǎn)和釋放到大氣中的R134a的當(dāng)量CO2值,按照這個(gè)趨勢(shì),如果R134a繼續(xù)使用下去,未來(lái)大氣中的當(dāng)量CO2排放量將隨著年代的增加呈拋物線上升。歐盟指令2006/40/EC規(guī)定,從2011年1月1日開(kāi)始,GWP高于150的制冷劑被禁止在歐洲新生產(chǎn)的車型中使用。因此,限制和取代R134a在汽車空調(diào)中的使用已成為世界各汽車制造業(yè)和制冷行業(yè)共同的迫切任務(wù)。

CO2被認(rèn)為是一種在汽車空調(diào)中替代R134a的理想制冷劑。它是一種自然制冷劑,不燃,無(wú)毒,無(wú)已知的致癌、致突變或其他有毒的危害影響,對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的溫室效應(yīng)很小,GWP只有1,即只有R134a的1300分之一。

早在1990年,挪威科學(xué)家勞倫曾教授提出了CO2跨臨界循環(huán)并獲得了專利,且與同事合作在他的研究所研制出CO2汽車空調(diào)樣機(jī)。勞倫曾與佩特森于1992年首次發(fā)表了二氧化碳應(yīng)用于汽車空調(diào)上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)系統(tǒng),表明它與當(dāng)時(shí)流行的R12汽車空調(diào)系統(tǒng)相比,COP有優(yōu)勢(shì)。1994年歐洲一些公司發(fā)起成立RACE聯(lián)合研究項(xiàng)目,聯(lián)合歐洲一些大學(xué)、研究所、汽車制造廠共同研究CO2汽車空調(diào)系統(tǒng),并完成樣機(jī)試驗(yàn)。該項(xiàng)目包括開(kāi)發(fā)和安裝在汽車上的原型系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果,證實(shí)二氧化碳汽車空調(diào)具有竟?fàn)幍臐摿?。?xiàng)目成員包括寶馬(BMW)、戴姆勒奔馳 (Daimler-Benz)、陸虎(Rover)、沃爾沃 (Volvo)、大眾 (Volkswagen)等汽車制造商,以及汽車空調(diào)系統(tǒng)供應(yīng)商貝洱 (Behr)、法雷奧 (Valeo)和一家歐洲的壓縮機(jī)制造商丹佛斯(Danfoss)。德國(guó)汽車工業(yè)學(xué)會(huì) (VDA)組織了幾家汽車生產(chǎn)廠對(duì)CO2汽車空調(diào)進(jìn)行了道路試驗(yàn),證明了比R134a汽車空調(diào)節(jié)油、GWP低。1996年德國(guó)康瓦克塔公司研制出安裝在城市巴士公共汽車上的CO2空調(diào),并進(jìn)行了運(yùn)行試驗(yàn)。美國(guó)制冷空調(diào)中心也開(kāi)發(fā)了第一代CO2汽車空調(diào)樣機(jī),與在福特汽車上使用的R134a汽車空調(diào)相比,制冷量更大,COP更高。2002年開(kāi)發(fā)并測(cè)試了第二代樣機(jī),進(jìn)一步得出同樣的結(jié)論。我國(guó)上海交大于2002年也研發(fā)出CO2汽車空調(diào)樣機(jī)。

圖1 全球累計(jì)生產(chǎn)和釋放到大氣中的R134a制冷劑所產(chǎn)生的當(dāng)量CO2

2 CO2汽車空調(diào)系統(tǒng)及其組成部件

2.1 系統(tǒng)流程

圖2表示了勞倫曾與佩特森于1992年發(fā)表的CO2汽車空調(diào)系統(tǒng)流程和相應(yīng)的p-h圖。系統(tǒng)由壓縮機(jī)、冷卻器、回?zé)崞?、膨脹閥、蒸發(fā)器、貯液分液器和管路組成。貯液分液器位于蒸發(fā)器的下游,以防止壓縮機(jī)濕壓縮,熱力膨脹閥控制蒸發(fā)器出口制冷劑的過(guò)熱度,避免進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑氣體溫度過(guò)高,虛線表示回油到壓縮機(jī)。至今的CO2汽車空調(diào)仍然使用這樣的系統(tǒng)。

2.2 換熱器

汽車空調(diào)對(duì)結(jié)構(gòu)緊湊和重量輕有嚴(yán)格的要求。因?yàn)樗陌惭b空間小,同時(shí)它的重量直接關(guān)系到汽車行駛時(shí)的油耗量。

結(jié)構(gòu)緊湊性的指標(biāo)是每單位換熱器體積的空氣側(cè)換熱表面積(m2/m3)。通常汽車空調(diào)換熱器的特征如表1所示。因此要求采用強(qiáng)化傳熱的高效、輕型換熱器,通常用鋁和鋁合金作材料,而不使用銅。二氧化碳的熱物性具有低粘度、高導(dǎo)熱性、高蒸氣密度的優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)良的性能使蒸發(fā)器,回?zé)崞?氣體冷卻器中傳熱效果好。為了使CO2在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)有一定的流速,要求使用小管徑的換熱管。因此,微通道換熱器很適合在CO2汽車空調(diào)中使用。

圖2 跨臨界循環(huán)CO2流程圖和壓焓圖

表1 汽車空調(diào)緊湊式換熱器的特征

另一方面,正確的設(shè)計(jì)可以使CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)的氣體冷卻器與冷卻它的空氣之間實(shí)現(xiàn)比較大的平均換熱溫差,有利于縮小換熱器的面積,如圖3所示。圖中CO2的溫度變化有兩條曲線,實(shí)線是CO2冷卻器與R134a冷凝器按照等平均溫差設(shè)計(jì)的CO2溫度變化,虛線是按照等出口溫度設(shè)計(jì)的CO2溫度變化。

圖3 CO2氣體換熱器中制冷劑和空氣沿回路的溫度變化

圖4 a)表示了汽車空調(diào)制冷劑側(cè)傳熱系數(shù)與壁溫和制冷劑飽和溫度之差間的關(guān)系,圖4 b)表示了空氣側(cè)的傳熱系數(shù)與空氣溫度與壁溫之差間的關(guān)系,可以看出,空氣側(cè)傳熱系數(shù)只有制冷劑側(cè)傳熱系數(shù)的5%～20%,因此,空氣側(cè)換熱表面需要增加翅片。

圖4 制冷劑測(cè)的傳熱系數(shù)a)和空氣測(cè)的傳熱系數(shù)b)

圖5表示了CO2微通道換熱器空氣側(cè)的兩種翅片型式。a)是偏移條帶翅片,b)是百頁(yè)窗翅片,由于圖a)的型式加工復(fù)雜,成本較高,因此圖b)的型式使用較廣。

2.3 壓縮機(jī)

CO2汽車空調(diào)壓縮機(jī)與R134a汽車空調(diào)壓縮機(jī)不同,但壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)基本上仍然保持與典型的R-134a的汽車空調(diào)壓縮機(jī)相似。

CO2壓縮機(jī)具有壁厚更大的外殼,更加耐用的軸封和軸承,部件與軸承間間隙更小。它的機(jī)型仍是采用斜盤(pán)/斜板或渦旋等型式,用皮帶驅(qū)動(dòng)。

生產(chǎn)CO2壓縮機(jī)的工廠已較多,主要有Danfoss、Doowon、電裝、Bock等,均已有批量產(chǎn)品。

CO2壓縮機(jī)由于運(yùn)轉(zhuǎn)接近臨界點(diǎn),壓比是相當(dāng)?shù)偷摹Ｔ谙嗤闹评淞繒r(shí),CO2壓縮機(jī)的壓比只有R134a壓縮機(jī)的3/5,活塞排量只有R134a的1/7。因此,CO2壓縮機(jī)的絕熱壓縮效率和容積效率均比R134a壓縮機(jī)高。

圖6表示了由美國(guó)伊里諾依斯大學(xué)測(cè)定的CO2壓縮機(jī)和R134a壓縮機(jī)的總效率比較。可以看出,在R134a的最高轉(zhuǎn)速 (4000r/mim)時(shí),CO2壓縮機(jī)的總效率比R134a壓縮機(jī)的總效率高79%。

圖7表示了CO2壓縮機(jī)和R134a壓縮機(jī)容積效率比較,在1000r/min時(shí),CO2壓縮機(jī)比R134a壓縮機(jī)高13%,在2750r/min時(shí),CO2壓縮機(jī)比 R134a壓縮機(jī)高27%。

圖8表示CO2與R134a的p-V圖。由圖8可看出,CO2的行程容積較小、余隙容積也較小,膨脹過(guò)程的容積損失也較小。

圖8 CO2與R134a的 p-V 圖

3 CO2與R134a汽車空調(diào)LCCP比較

LCCP稱為生命周期氣候性能 (Life Cycle Climate Performance)。這一概念是由美國(guó)Arthur D Little公司于1999年提出的,它是用來(lái)評(píng)價(jià)制冷劑對(duì)全球氣候變暖影響的指標(biāo)。

制冷劑在汽車空調(diào)中使用時(shí)對(duì)全球氣候變暖的影響,除了考慮制冷劑的直接影響和間接影響外,還需要考慮汽車空調(diào)系統(tǒng)在汽車行駛時(shí)的影響。

圖9表示了裝備R-134a空調(diào)的汽車,在亞洲地區(qū)每年平均行駛15 000km時(shí)的LCCP(圖a)和燃油耗量 (圖b)。在孟買,它在15年壽命中排放出約10公噸的溫室氣體二氧化碳當(dāng)量。如果汽車裝備CO2空調(diào),溫室氣體排放量可以減少40%?，F(xiàn)行的R134a汽車空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行所需的燃料消耗量估計(jì)約為3000立升/15年,如果汽車裝備CO2空調(diào),在新德里,因氣候比孟買暖,R134a系統(tǒng)的溫室氣體排放量將超過(guò)11公噸,汽車空調(diào)汽油消耗量也增大到3500立升/15年。相比之下,一臺(tái)CO2汽車空調(diào)可節(jié)省855公升汽油。一輛汽車在新德里行駛時(shí),汽車空調(diào)的溫室氣體總排放量將比在孟買減少4.5公噸。

在中國(guó),由于所選擇的比較城市上海和北京的氣溫均較印度低,每臺(tái)汽車空調(diào)車輛的溫室氣體總排放量比印度少。在上海,當(dāng)裝備了R134a的汽車空調(diào)系統(tǒng)時(shí),汽車排放量約4.8公噸。如果是CO2汽車空調(diào)系統(tǒng),這個(gè)值可以減少一半以上。

圖10是在歐洲氣候R134a和CO2汽車空調(diào)的LCCP(圖a)和燃料消耗量 (圖b)。運(yùn)行在歐洲南部的車輛的汽車空調(diào)系統(tǒng),當(dāng)每年行駛12 500km時(shí),在其12年的運(yùn)行中排放約3.5公噸溫室氣體當(dāng)量值,如果R134a汽車空調(diào)系統(tǒng)密封性好,這個(gè)值可以減少到2.4公噸。而CO2汽車空調(diào)系統(tǒng)在歐洲將減少約50%的溫室氣體排放量,在中歐將減少63%的排放量。

R134a汽車空調(diào)系統(tǒng)每年的額外燃料消耗量與CO2汽車空調(diào)系統(tǒng)相比,在雅典溫暖地區(qū)約多消耗18公升汽油,歐洲北部則多消耗1公升汽油。

4 結(jié)論

CO2作為汽車空調(diào)制冷劑,從減弱對(duì)全球氣候變暖的影響、安全性好、效率高、燃料消耗量小、體積小、重量輕等方面分析,都優(yōu)于當(dāng)前使用的R134a制冷劑。是一種在汽車空調(diào)中使用有前途的制冷劑。

[1]Walter Reulens,Nature Refrigerant CO2,2009

[2]Almin Hafner and Petter Neska,Global environmental&economic benefits of introducing R744mobile air conditioning,MAC-summit Shanghai,2008