一种汽车空调用环保制冷剂—CO2

张红豪,黄汉涛

(郑州科林车用空调有限公司,郑州450000)

近几年来气候的变化对人类生存环境的影响越来越大,给世界很多国家都造成过了巨大的经济损失,为保护臭氧层并减缓温室效应对气候变化的影响,对汽车空调用环保制冷剂又有了新的要求。HFCS是当前最具环境隐患的含氟温室气体,面对HFCS的影响,国际社会已形成对其进行法律或政策规范的趋势,国际绿色和平组织呼吁国际各国逐步淘汰氢氟碳化物 (HFCS)R-134a;欧盟于2006年7月4日起正式实施出台了关于汽车空调系统排放物的法规DIRECTIVE 2006/40/EC,该法规要求,自2011年1月1日起,在欧盟境内生产和销售的所有新的设计车型,不允许使用GWP值大于150的制冷剂;自2017年1月1日起,在欧盟境内生产和销售的所有新车,禁止使用GWP值大于150的制冷剂;并要求其成员国自2007年7月4日起出台一系列措施限制HFCS、PFCS和SF6的使用。由于目前行业内广泛使用的 R134a制冷剂的GWP值为1300,因此制冷剂R134a的逐步淘汰、新的低GWP值的制冷剂的使用将成为必然趋势,目前各国都在积极寻找一种新的并且能一劳永逸的环保制冷剂。在新型环保制冷剂方面,介绍一种无污染的自然制冷剂—CO2(R744)。

1 CO2热力学参数

二氧化碳 (CO2)的临界温度304.2K,临界压力7.39MPa,蒸发热573.5kJ/kg(沸点),由于CO2的临界温度很低,因此CO2的放热过程不是在两相区冷凝,而是在接近或超过临界点的区域的气体冷却器中放热。在CO2跨临界制冷循环中,其放热过程为变温过程,有较大的温度滑移。这种温度滑移正好与所需的变温热源相匹配,是一种特殊的劳伦兹循环,图1是该制冷剂的热力学参数 (T-P)。

图1 CO2T-P图

2 CO2自然制冷剂优点

自然制冷剂环境参数良好,GWP值为零,ODP值也为零,无毒性,不可燃,存在于空气中,植物光合作用的产物,资源丰富,良好的自然制冷剂,由于其良好的自然性,不用考虑像 HCFCS、和HFCS等化学制冷剂因泄漏造成污染环境问题。

自然制冷剂具有与制冷循环和设备相适应的热力学性质。蒸发潜热较大,单位容积制冷量相当高。具有良好的输运和传热性质。导热系数较高,黏度较低,比热容较大。液体密度和蒸气密度值比较小,在低压下两相流动较为均匀,有利于节流后各回路间制冷剂的均匀分配,较小的表面张力能够提高沸腾区的蒸发换热系数。优良的流动和传热特性,可显著减小压缩机与系统地尺寸,使整个系统非常紧凑[1]。

3 CO2制冷剂制冷性能特性

图2是各制冷剂温度和压力对比曲线图。由于CO2跨临界循环的工作压力较高,高压可达10MPa,约为传统工质CFCs或HCFCs系统压力的6～8倍,所以系统中工质流经的管路系统要通过安全性检验。但是由于CO2的容积制冷量为R134a的8倍,系统所需CO2的容积流量很小,而爆炸能为压力和容积的函数,因此系统的工质压力P虽高,但是容积V较小,所以爆炸能增加并不大,以可靠性理论为依据,根据CO2跨临界制冷系统管路可靠性的不同影响因素及其变化规律,对不同管材情况下的可靠性进行深入地研究与分析,得到如下结论:当管路系统的管外径给定时,只要合理地选择管材和管壁厚度,就能保证系统在给定压力下运行的可靠性及安全性,CO2跨临界循环较高的运行压力是可以得到合理解决的;现有钢管基本可以直接应用,而现有铜管则需根据外径和壁厚经安全性分析后选用[2]。因此安全性问题不是阻碍CO2临界循环应用的关键问题。

图2 制冷剂温度和压力对比曲线图

4 CO2制冷剂的经济性

从经济角度考虑,自然制冷剂CO2(R744)来源比较广泛,十分划算。

(1)许多自然制冷剂都并不昂贵 (例如CO2),甚至有一些比HFCS还要便宜。在自然界广泛存在,获取比较方便。

(2)自然制冷剂CO2(R744)的蒸发潜热较大,单位容积制冷量相当高,故压缩机及部件尺寸较小;绝热指数较高K=1.30,压缩机压比约为2.5～3.0,比其它制冷系统低,容积效率相对较大,接近于最佳经济水平,有很大的发展潜力。

(3)由于具有低密度和高潜热的特点,对于同个系统来说,从图3可以看出它所需的充注量是HFCS、HCFCS的一半,性价比更高一些。

(4)随着国际资源价格上涨,油价越来越高,司机越来越关注汽车的百公里耗油量 (L/100km),图4是在同等制冷状态下R134a和 R744耗油量比较。对某客车厂家客车运行进行实际跟踪测试,经分析得出图 4结果。从图4可以看出百公里耗油量R744明显低于R134a,环境温度20℃时,耗油量节省54%,当环境温度28℃时,耗油量节省45%,当环境温度35℃时,耗油量节省14%。中国气候温度分布集中在28℃左右,因此节油效果比较显著。

图3 制冷剂充注量比较 (以R22为基准,kg)

图4 R134a和R744耗油量测试比较

(5)虽然根据投资类型和企业规模的不同,应用CO2制冷剂对企业初期投入也许较高,但从中长期考虑,CO2制冷剂在空气中存在,无污染,无须考虑像HCFCS和HFCS等化学制冷剂的泄漏风险,维护费用比较低,更为节能,对废机的后期处理费用也相对便宜。

5 CO2制冷剂在客车空调的应用前景

积极推动应对全球气候变化的欧洲各国,通过颁布各种规定和法令限制HFCS制冷剂的使用,同时倡导推广环境友好的自然制冷剂 (例如 R744)的应用。

图5 成本与效率的关系示意图

2009年12月份,笔者在德国参观当地某知名压缩机生产厂,并和该厂家技术负责人进行了交流,该负责人介绍说他们已对R744在客车空调用压缩机上做了各种试验,从试验结果分析能满足客车制冷需要,技术已经成熟,并且在北欧一些国家运行的客车上已经开始使用这种压缩机,正在等待政府出台相关的政策。

6 结束语

随着气候变化对人类生存环境影响越来越大,特别是地震、海啸、雪灾、水灾的发生,使各国政府更加越来越重视环境污染这个问题,我国刚刚制定的 “十二五”规划,在规划内有关部门制定了详细的节能减排指标,号召国民加强节能减排和环保意识,并大力支持和扶持节能减排和环保型企业;作为对环境有污染的一种制冷剂,R134a制冷剂被新型环保制冷剂逐步替代使用已提上日程。

[1] Lorentzen G.The use of natural refrigetants;a complete solution to the CFC/HCFC predicament.Int JRefrig,1995

[2] 王侃宏.二氧化碳跨临界循环的理论分析和试验研究[D].天津:天津大学,2000