二氧化碳汽車空調(diào)技術(shù)探究

趙旭森+浮燕+王輝

摘要：針對R134a的GWP值為1300，遠(yuǎn)高于歐盟“GDP值不得高于150”的規(guī)定，本文分析了CO2作為制冷劑的特性，筆者提出了用CO2替代R134a的可行性，并詳細(xì)闡述了二氧化碳汽車空調(diào)系統(tǒng)的原理和系統(tǒng)的主要組成器件。

關(guān)鍵詞：CO2；相關(guān)特性；系統(tǒng)原理；主要器件

一、前言

2014年，中國汽車產(chǎn)量達(dá)到3400萬輛，其中乘用車2100萬輛，幾乎所有乘用車都安裝有空調(diào)器。汽車空調(diào)制冷劑的泄漏，造成環(huán)境大氣中CO2含量增大，引起溫室效應(yīng)，使全球氣侯變暖。根據(jù)“蒙特利爾協(xié)定”，制冷劑R12成為首批受禁的制冷工質(zhì)。目前，R134a廣泛應(yīng)用于汽車空調(diào)系統(tǒng)。該制冷劑ODP值為零，但GWP（即全球變暖潛能值）數(shù)值為1300，遠(yuǎn)高于歐盟提出的“GWP不得超過150”的限值。隨著對環(huán)境的日益重視及可持續(xù)發(fā)展考慮，其替代的任務(wù)更為迫切，天然制冷劑替代合成工質(zhì)成為了必然。近年來，有人提出采用CO2作為汽車空調(diào)制冷劑，徹底解決大氣溫室效應(yīng)的問題。

二、二氧化碳的相關(guān)特性

CO2是我們熟悉的天然制冷劑，臨界溫度31.1℃，臨界壓力7.38 MPa。ODP值為零，不燃燒、不爆炸，無毒，無已知的致癌、致突變或其他有毒的危害影響，對環(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。

三、二氧化碳空調(diào)系統(tǒng)原理

CO2汽車空調(diào)系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、氣體冷卻器、膨脹閥、蒸發(fā)器、儲液器、回?zé)崞鞯冉M成，如圖1所示。CO2汽車空調(diào)系統(tǒng)制冷循環(huán)原理與普通蒸汽壓縮制冷循環(huán)基本相同，主要利用相變即氣體液化放熱，液體蒸發(fā)吸熱的原理實現(xiàn)制冷的目。如p-h圖的B-A過程，在壓縮機(jī)中氣體工質(zhì)升壓至超臨界壓力狀態(tài)，進(jìn)入到氣體冷卻器中，氣體工質(zhì)被冷卻介質(zhì)所冷卻。如p-h圖F-E過程，為了系統(tǒng)性能系數(shù)COP的提高，利用壓縮機(jī)回氣管前面的低溫低壓蒸汽過熱原理，從氣體冷卻器出來的高壓氣體在內(nèi)部熱交換器中進(jìn)一步冷卻，接著用節(jié)流閥減壓，經(jīng)節(jié)流減壓后的氣體被冷卻，而且有部分氣體被液化，濕蒸汽進(jìn)入到蒸發(fā)器內(nèi)汽化，周圍介質(zhì)的熱量被吸收。為了蒸發(fā)器傳熱效率的提高而設(shè)計成有少量液體盈余，所以，蒸發(fā)器中的液體并不完全汽化。正因為如此，以防止壓縮機(jī)液擊和便于壓縮機(jī)回油（回油管道見圖1），故在蒸發(fā)器出口配置了儲液器。低壓飽和蒸汽從儲液器出來后進(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熱蒸汽，進(jìn)而進(jìn)入壓縮機(jī)升壓，進(jìn)行下一循環(huán)。

四、二氧化碳空調(diào)系統(tǒng)主要部件

（一）壓縮機(jī)

汽車空調(diào)壓縮機(jī)是制冷系統(tǒng)的心臟，壓縮機(jī)對整個制冷系統(tǒng)工作性能的影響最大，容積效率和指示效率是衡量壓縮機(jī)工作性能的主要指標(biāo)，壓縮過程的容積效率和指示效率主要與汽缸泄露、氣體與汽缸傳熱、氣閥和氣腔的壓力損失等因素有關(guān)。由于CO2跨臨界系統(tǒng)的高低壓差大，不易密封，所以，CO2汽車空調(diào)的壓縮機(jī)主要有開啟活塞式壓縮機(jī)、渦旋式壓縮機(jī)和變排量式壓縮機(jī)。壓縮機(jī)容積效率較大，因為CO2壓縮機(jī)壓比小以及氣缸內(nèi)余隙容積的再膨脹行程較短，閥打開較早?；钊g隙的泄露是影響壓縮過程中最大的因素，泄漏損失對指示效率影響最大，必須減小泄漏間隙的長度，減少間隙大小可以使CO2壓縮機(jī)具有與R134a壓縮機(jī)相同的效率，用油潤滑的活塞環(huán)密封，為了控制泄漏，可將一定量的潤滑油混進(jìn)吸入氣體中。與常用系統(tǒng)相比，吸排氣閥損失對指示效率的影響很小，因為CO2壓縮機(jī)吸排氣壓差很大，克服流動阻力需要的壓差相對很小。

（二）換熱器

汽車空調(diào)對結(jié)構(gòu)緊湊和重量輕有嚴(yán)格的要求。因為它的安裝空間小，同時它的重量直接關(guān)系到汽車行駛時的油耗量。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)流動時有一定的流速，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。

（三）氣體冷卻器

在CO2超臨界循環(huán)系統(tǒng)中，高壓側(cè)是從氣體直接冷卻成為液體，主要的傳熱部分是氣體的冷卻，采用氣體冷卻器，其作用相當(dāng)于傳統(tǒng)制冷循環(huán)中的冷凝器。在氣體冷卻器中CO2的溫度變化較大，使得氣體冷卻器進(jìn)口空氣溫度和出口制冷劑溫度非常接近，這自然可減少高壓側(cè)不可逆?zhèn)鳠嵋鸬膿p失。同時為了減輕重量、縮小尺寸及增加安全性，所以，氣體冷卻器是在傳統(tǒng)制冷循環(huán)中冷凝器的進(jìn)一步優(yōu)化。

（四）膨脹閥

CO2汽車空調(diào)系統(tǒng)對膨脹閥的要求較高，因為汽車空調(diào)系統(tǒng)是在動態(tài)環(huán)境條件下工作的。一般情況下，CO2汽車空調(diào)系統(tǒng)的膨脹閥由高壓調(diào)節(jié)閥和手動節(jié)流閥或背壓閥兩個閥組成，高壓調(diào)節(jié)閥是可以進(jìn)行高壓側(cè)壓力控制。膨脹閥跨臨界制冷循環(huán)節(jié)流前的高壓制冷劑不是冷凝液體，環(huán)境溫度對系統(tǒng)性能的影響較小，正是由于CO2流體節(jié)流前是處于超臨界狀態(tài)，壓力高，節(jié)流后流體處于兩相區(qū)，壓力低，節(jié)流前后壓差大，因此，系統(tǒng)性能基本上由高壓側(cè)壓力所決定，為了達(dá)到調(diào)節(jié)系統(tǒng)制冷量的目的，可以通過控制膨脹閥的大小調(diào)節(jié)高壓側(cè)壓力。系統(tǒng)中一般采用電子膨脹閥，因為系統(tǒng)壓力較高，傳統(tǒng)的熱力膨脹閥的結(jié)構(gòu)很難適應(yīng)。

（五）蒸發(fā)器

蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)與氣體冷卻器類似，其結(jié)構(gòu)由管片式發(fā)展為平行流微通道式。CO2蒸發(fā)器的工作壓力在3.4-7.2MPa左右，是傳統(tǒng)制冷劑壓力的10倍左右。

（六）回?zé)崞?/p>

系統(tǒng)中的回?zé)崞鞔蠖嗖捎煤唵螣崃黧w在管內(nèi)流動，冷流體在管外流動的套管式結(jié)構(gòu)，回?zé)崞鞯慕Y(jié)構(gòu)比較簡單，但系統(tǒng)性能可以得到有效提高。有關(guān)的試驗研究表明，增設(shè)回?zé)崞骱?，系統(tǒng)的COP值最大可以提高15%-20%，制冷量將改善10%，回?zé)崞鞯墓荛L和管徑尺寸由換熱量和設(shè)計工況確定。

（七）儲液器

儲液器的作用是防止壓縮機(jī)液擊和便于壓縮機(jī)回油。為了滿足不同工況要求，儲液器容量的設(shè)計比較大。在儲液器中設(shè)置干燥器，以防止水與CO2反應(yīng)產(chǎn)生腐蝕。

五、結(jié)論

CO2汽車空調(diào)由于環(huán)境方面的優(yōu)越性和優(yōu)良的熱物理特性，越來越被人們重視，CO2汽車空調(diào)替代現(xiàn)有的汽車空調(diào)系統(tǒng)比較樂觀。CO2汽車空調(diào)技術(shù)具有重要的意義和廣闊的發(fā)展前景。