二氧化碳汽车空调系统研究与分析

2011-03-27谢娟烘

长春工业大学学报 2011年3期

谢娟烘

（肇庆科技职业技术学院汽车工程系，广东肇庆 526110）

0 引言

汽车空调用的R12制冷剂一直被广泛应用，直到20世纪70年代发现了R12制冷剂对大气臭氧层有严重的破坏作用，并产生较大的温室效应，所以R12制冷剂成为首批受禁的制冷工质。R134a制冷剂的ODP值为零，但GWP值不小，仍有一定的温室效应。根据“蒙特利尔协定”，R12已经被全部禁用。根据“京都协议书”，R134a也是即将被淘汰的工质。人们一直在寻找R134a的替代工质[1]。随着对环境的日益重视及可持续发展考虑，其替代的任务更为迫切，天然制冷剂替代合成工质成为了必然。在此情况下，采用CO2汽车空调系统以其较低的流动阻力、良好的传热性质、良好的环保性能及较大的单位体积制冷量，在制冷界中重新受到重视。CO2是我们熟悉的天然制冷剂，其ODP值为零，GWP值为1，CO2无毒、不燃烧、不爆炸[2]。从制冷剂的使用历史来看，CO2作为制冷剂在19世纪初到20世纪30年代得到普遍的应用，随着氟利昂制冷剂的应用，鉴于当时机器制造水平，它工作在亚临界制冷循环情况下，由于CO2较低的临界温度，当环境温度较高时，CO2的功耗升高，制冷能力下降，严重影响了经济性，CO2很快被人们所抛弃。跨临界CO2制冷循环能成功地突破这一瓶颈，所以，CO2再次得到人们的重视。

1 CO2汽车空调制冷循环原理

CO2汽车空调系统如图1所示。

图1 CO2汽车空调系统

CO2汽车空调系统制冷循环原理与普通制冷循环系统基本相同，CO2蒸汽压缩制冷循环如图2所示。

图2 制冷系统p-h图

其目的是利用液化后气体可以蒸发吸收汽化潜热的特性以达到制冷。跨临界CO2系统封闭回路是由压缩机、气体冷却器、热交换器、储液器、膨胀阀及蒸发器组成[3]。如p-h图的B-A过程，在压缩机中气体工质升压至超临界压力状态，进入到气体冷却器中，气体工质被冷却介质所冷却。如p-h图F-E过程，为了系统性能系数COP的提高，利用压缩机回气管前面的低温低压蒸汽过热原理，从气体冷却器出来的高压气体在内部热交换器中进一步冷却，接着用节流阀减压，经节流减压后的气体被冷却，而且有部分气体被液化，湿蒸汽进入到蒸发器内汽化，周围介质的热量被吸收。为了蒸发器传热效率的提高而设计成有少量液体盈余，所以，蒸发器中的液体并不完全汽化[4]。正因为如此，以防止压缩机液击和便于压缩机回油（回油管道见图1），故在蒸发器出口配置了储液器。低压饱和蒸汽从储液器出来后进入内部热交换器的低压侧通道，吸收高温高压的超临界气体的热量后成为过热蒸汽，进而进入压缩机升压，进行下一循环。这就是CO2汽车空调制冷循环原理。

2 CO2汽车空调系统结构

CO2汽车空调系统由压缩机、气体冷却器、热交换器、储液器、膨胀阀和蒸发器组成。其中，压缩机、节流阀、蒸发器的结构和作用与普通的制冷循环系统相同，气体冷却器的作用是用以冷却从压缩机排出的高温高压制冷剂，与普通制冷循环系统中的冷凝器的作用相同。CO2的临界参数[5]为:临界温度31.1℃，临界压力7.38 MPa。CO2汽车空调系统只能采用跨临界循环，因为CO2在气体冷却器中的降温过程中，不会出现传统蒸汽压缩循环中的冷凝液化过程，它始终在临界点以上。CO2汽车空调系统的循环特点是蒸发吸热过程发生在亚临界区，而放热过程发生在跨临界区，这就是CO2汽车空调系统中将气体冷却器代替冷凝器的主要原因。

3 CO2汽车空调系统主要部件

美国马里兰大学进行对比实验的CO2系统和R134a系统见表1。

3.1 压缩机

汽车空调压缩机是制冷系统的心脏，压缩机对整个制冷系统工作性能的影响最大，容积效率和指示效率是衡量压缩机工作性能的主要指标，压缩过程的容积效率和指示效率主要与汽缸泄露、气体与汽缸传热、气阀和气腔的压力损失等因素有关。由于CO2跨临界系统的高低压差大，不易密封[6]，所以，CO2汽车空调的压缩机主要有开启活塞式压缩机、涡旋式压缩机和变排量式压缩机。压缩机容积效率较大，因为CO2压缩机压比小以及气缸内余隙容积的再膨胀行程较短，阀打开较早。活塞间隙的泄露是影响压缩过程中最大的因素，泄漏损失对指示效率影响最大，必须减小泄漏间隙的长度，减少间隙大小可以使CO2压缩机具有与R134a压缩机相同的效率，用油润滑的活塞环密封，为了控制泄漏，可将一定量的润滑油混进吸入气体中。与常用系统相比，吸排气阀损失对指示效率的影响很小，因为CO2压缩机吸排气压差很大，克服流动阻力需要的压差相对很小。

表1 美国马里兰大学进行对比实验的CO2系统和R134a系统

3.2 气体冷却器

在CO2超临界循环系统中，高压侧是从气体直接冷却成为液体，主要的传热部分是气体的冷却，采用气体冷却器[7]，其作用相当于传统制冷循环中的冷凝器。在气体冷却器中CO2的温度变化较大，使得气体冷却器进口空气温度和出口制冷剂温度非常接近，这自然可减少高压侧不可逆传热引起的损失。同时为了减轻重量、缩小尺寸及增加安全性，所以，气体冷却器是在传统制冷循环中冷凝器的进一步优化。最初开发的是通过胀管的方法将铝管和平直铝翅片制成一体，CO2在铝管内流动的管片式气体冷却器。一种新开发的平行流微通道换热器是由管外钎焊波纹状铝翅片，翅片表面加工成百叶窗型，多个微通道构成的扁平铝管式。扁平管的高度在1.6 mm左右，微通道的最小直径为0.8 mm左右，依据设计情况定通道数和管的宽度。

3.3 膨胀阀

CO2汽车空调系统对膨胀阀的要求较高，因为汽车空调系统是在动态环境条件下工作的。一般情况下，CO2汽车空调系统的膨胀阀由高压调节阀和手动节流阀或背压阀两个阀组成[8]，高压调节阀是可以进行高压侧压力控制。膨胀阀跨临界制冷循环节流前的高压制冷剂不是冷凝液体，环境温度对系统性能的影响较小，正是由于CO2流体节流前是处于超临界状态，压力高，节流后流体处于两相区，压力低，节流前后压差大，因此，系统性能基本上由高压侧压力所决定，为了达到调节系统制冷量的目的，可以通过控制膨胀阀的大小调节高压侧压力[6]。系统中一般采用电子膨胀阀，因为系统压力较高，传统的热力膨胀阀的结构很难适应。