带喷射器的跨临界CO2车用空调系统实验研究

李 浩， 张振宇， 宋 霞， 陈江平

(上海交通大学 制冷与低温工程研究所， 上海 200240)

汽车空调中使用的制冷剂R134a是温室气体排放的主要源头[1]，其全球变暖潜能值(GWP)高达 1 430.随着国际社会对环境保护的重视，环保型车用空调制冷剂越来越受到人们的关注.自然工质二氧化碳(CO2)是汽车空调领域最具潜力的环保型制冷剂之一，具有无毒、不可燃、对环境友好(GWP=1)等优点.

国内外学者已经对车用CO2制冷空调系统进行了深入的理论分析与实验研究.在系统仿真方面，丁国良等[2]早在2001年就建立了跨临界CO2汽车空调稳态仿真模型，对美国空调制冷中心的样机进行了计算，结果表明提高高压侧压力有利于CO2制冷系统的制冷量和系统能效比(COP).Steven等[3]采用半理论循环模型评估了CO2和R134a汽车空调的系统性能，仿真结果表明当环境温度为32.2 ℃和48.9 ℃时，CO2制冷系统的COP分别降低了21%和34%.在实验研究方面，Pettersen等[4]研究了利用CO2作为制冷剂的汽车空调系统，证明了CO2汽车空调系统与R134a汽车空调系统的性能相当.刘洪胜等[5-6]搭建了国内第一套配置CO2空调系统的轿车并进行了实验测试，结果表明CO2空调器基本能够满足降温的需求，但零部件的性能需要改善.金纪峰[7]和Jin等[8]研制了国内第一款采用微通道换热器的CO2汽车空调系统，并进行了变参数实验研究.Kim等[9]研究了运行工况对跨临界CO2汽车空调制冷系统性能的影响，结果表明CO2汽车空调系统具有良好的制冷性能.

CO2制冷空调系统在环境温度较高时系统能耗较大，性能出现明显的衰减，其主要原因是CO2制冷空调系统的节流损失较大.在CO2制冷空调系统中应用喷射器，将喷射流体的动能用于引射流体的升压能够降低压缩机的负荷，从而提高系统的能效比[10].许多学者对CO2喷射制冷系统开展了丰富的理论探索与实验研究.Yu等[11]、Elbel等[12]和Besagni等[13]对应用于CO2制冷循环中的喷射器进行了研究回顾，较多研究结果表明喷射器能够提高跨临界CO2系统的COP.Li等[14]建立了喷射器的恒压混合模型，对CO2跨临界喷射循环进行了热力学分析.研究结果表明，对于典型的空调运行工况，CO2跨临界喷射循环的COP比CO2常规跨临界循环提高了16%以上.Haida等[15]开发了CO2两相喷射器的计算流体动力学(CFD)模型，用以研究热传递对喷射器性能的影响.Elbel等[16]首先将可变两相喷射器引入跨临界CO2系统，通过在活动喷嘴中安装针头对喷嘴的喉部直径进行控制.在测试工况下，喷射器能够提升系统制冷量和COP.Liu等[17]研究了不同运行工况对带喷射器的跨临界CO2空调器性能的影响.实验结果表明，使用喷射器代替传统的膨胀阀可以提高CO2制冷空调系统的COP.随着喉部直径的减小，COP的提升幅度有所增大.Zhu等[18]通过实验研究了不同主流压力、引射流压力、背压等参数对喷射器性能的影响，获得了喷射器主流流量与主流压力大致呈线性关系的结论，且喷射器出口的干度对喷射器的引射比与制冷系统的COP有一定的影响.Smolka等[19]对比研究了应用于CO2制冷系统的固定式喷射器和喉部面积可调喷射器的性能，发现设计良好的固定式喷射器能够在全局工况下表现出优良的性能.对于喉部面积可调的喷射器而言，当其喉部直径小于固定式喷射器的喉部直径时，能够增加喷射器的工作效率，最高可增加25%.Li等[20]对跨临界CO2两相喷射器进行了可视化的实验分析，研究表明当喷嘴扩张角大于2° 时，主流CO2会由欠膨胀状态转变为过膨胀状态，引射比在扩张角等于2° 时达到最大.

目前，虽然已有很多针对CO2制冷空调系统与CO2喷射器的研究，但关于带喷射器的CO2制冷空调系统尚未在小型乘用车中有所应用.由于喷射器的加工难度大、成本高、相关实验研究较少，其系统性能受不同运行工况的影响规律也尚未得到揭示.所以，有必要对带喷射器的车用CO2制冷空调系统进行实验研究，并与常规系统对比探索其实际应用价值.本文研制了一套车用跨临界CO2喷射制冷空调系统，采用实验的方法研究了不同运行参数对该系统性能的影响，对比分析了车用CO2喷射制冷空调系统与常规制冷系统的性能差异，为车用CO2喷射制冷空调系统及其零部件的设计、开发与优化提供一定的理论基础.

1 跨临界CO2喷射循环

常规CO2循环示意图如图1(a)所示.跨临界CO2制冷空调系统通常由压缩机、气冷器、中间换热器、膨胀阀、蒸发器、储液罐等部件组成.CO2制冷剂经过压缩机压缩后，温度与压力升高，之后进入气冷器与室外侧空气换热.在气冷器中，CO2温度降低至环境温度左右，压力也略微有所降低.经由气冷器出来的CO2进入中间换热器与低压侧的制冷剂进行热交换，温度进一步降低.在经过干燥过滤器后，CO2制冷剂经过电子膨胀阀进行节流过程.从电子膨胀阀流出的两相态CO2制冷剂进入蒸发器，吸收室内侧空气的热量.通过储液器的气态CO2进入中间换热器，温度有所升高后回到压缩机，再次进行压缩过程，完成一次制冷循环.与常规制冷剂相比，CO2在高压侧超临界区域会经历较大的温度滑移，热量从气冷器向外界散出而不经历冷凝相变过程.另外，中间换热器用于从气冷器流出的高压高温制冷剂与从低压储液器流出的低压低温制冷剂之间进行热量交换，不仅能够提高压缩机的吸气温度防止液击，还能够降低从气冷器出口流出的制冷剂温度，进而提高系统能效.虽然CO2系统零部件需要具有较高的耐压强度，但是由于CO2具有相对更低的流动阻力以及更大的容积制冷量，所以CO2空调系统可以设计更小的管路、换热器尺寸以及压缩机排量，进而使得CO2汽车空调系统能够满足常规空调系统的质量、体积、结构等方面的要求.

带喷射器的跨临界CO2制冷空调系统循环示意图如图1(b)所示.与常规循环相比，喷射循环最大的特点在于从中间换热器流出的高温高压制冷剂并不进入膨胀阀进行节流过程，而是作为主流从喷射器入口进入喷射器，在喷射器内部膨胀成高速两相射流.从蒸发器流出的制冷剂作为引射流进入喷射器进行膨胀，并与喷射器主流充分混合.在喷射器的扩张段，制冷剂的动能转换为压力势能，压力升高.从喷射器流出的两相制冷剂经过气液分离器后，气态制冷剂回到压缩机，液态制冷剂进入蒸发器.系统循环模式压力-焓值(p-h)图如图2所示.在喷射器的作用下，制冷剂完成节流过程，并且压缩机的吸气压力比常规循环中的吸气压力高，因此压缩机耗功降低，系统能效比获得了提高.

图1 跨临界CO2制冷循环示意图Fig.1 Schematic diagram of trans-critical CO2 refrigeration cycle

图2 系统循环模式p-h图Fig.2 Diagram of p-h of refrigeration system cycles

2 实验系统和测试方法

2.1 车用CO2喷射制冷空调系统

所研制的车用CO2喷射制冷空调系统主要部件包括压缩机、室外换热器、干燥过滤器、喷射器、室内换热器、低压储液器、电子膨胀阀等，该系统的原理图和实物图如图3和4所示.

图3 带喷射器的车用CO2空调系统原理图Fig.3 Schematic diagram of CO2 mobile air conditioning system with an ejector

图4 带喷射器的车用CO2空调系统实物图Fig.4 CO2 mobile air conditioning system with an ejector

为对比喷射器对系统性能的影响，该车用CO2喷射制冷空调系统可以通过阀件的切换在常规制冷模式下运行，其工作原理图如图5所示，其循环过程不再赘述.

图5 实验系统工作模式Fig.5 Working modes of experimental system

图6 零部件安装实物图Fig.6 Installation pictures of several components

该空调系统的室内换热器、室外换热器、喷射器和电子膨胀阀的实物安装图如图6所示.

车用CO2喷射制冷空调系统采用的零部件规格参数如表1所示.其中，实验系统中的喷射器为加工定制.目前，常用的CO2压缩机主要分为转子式和活塞式，其中活塞式压缩机的体积、质量均较大，不适合应用于汽车空调，因此本实验系统选用了排量为6 mL/r的转子式压缩机.该压缩机能够达到的最大排气压力为12 MPa，最高排气温度为120 ℃.对于气冷器和蒸发器，采用微通道扁管能够增大换热面积，提高换热器耐压极限.

表1 车用CO2喷射制冷空调系统关键零部件信息

通过相似分析法，对比目前商用领域(大型超市冷冻冷藏系统)的喷射器以及汽车空调常见的运行工况，初步确定喷射器结构参数.采用CFD数值模型对结构参数进一步进行优化[21].最后，与加工委托单位根据现有的加工技术条件调整部分设计参数，进而生成定制图纸，如图7所示.所加工的喷射器样件的整体外观图和主喷嘴外观图如图8所示，其主喷嘴为不锈钢材质，其余部分为铜材质.

图7 喷射器二维结构图(mm)Fig.7 2D structure diagram of ejector (mm)

图8 喷射器实物图Fig.8 Pictures of ejector

2.2 实验测试方法

本实验在标准CO2汽车空调性能焓差实验室中进行.该焓差实验室主要由具有不同开放式风洞的室内室和室外室组成.两个房间中都安装有风洞，风洞中的风量可以通过风机的转速以及风洞喷嘴的大小进行控制.同时，每一个房间的干球温度及湿球温度都可以控制在 ±0.2 ℃以内，能够满足实验所需要的精度.车用CO2制冷空调系统的室内换热器安装于焓差实验室的室内侧风洞前部，室外换热器安装于焓差实验室的室外侧风洞前部.室内换热器与室外换热器的前后均有空气采集设备，能够对换热器前后空气的干湿球温度进行测量，进而获得换热器前后的空气焓差，再利用喷嘴测出空气流量，即可得到换热器的空气侧换热量.实验中测量参数的范围及精度如表2所示.

表2 测量参数范围及其精度Tab.2 Test ranges and accuracies of measured data

CO2制冷空调系统的制冷量可由空气侧换热量和制冷剂侧换热量的平均值获得：

Qc=(Qa+Qr)/2

(1)

式中：Qc为CO2制冷空调系统制冷量；Qa为空气侧换热量；Qr为制冷剂侧换热量.

空气侧的换热量可通过焓差室设备读出，制冷剂侧的换热量为

(2)

制冷系统的COP由下式确定：

COP=Qc/P

(3)

式中：P为压缩机实际电功率.

为验证制冷量和COP的测量精度，采用Moffat[22]提出的不确定分析方法进行可靠性分析.假设制冷量和COP等实验结果Y由一组测量值计算得出，Xi代表每一个独立的测量值，总的不确定度∑R是基于根和平方法的每一个测量值的不确定度组合.

Y=Y(X1,X2,X3,…,XN)

(4)

(5)

利用该分析方法，通过式(4)和(5)计算的制冷量和COP的相对不确定度分别为5.5%和6.3%.

2.3 测试工况

在CO2汽车空调标准焓差实验室内进行CO2制冷空调系统性能探究，对比分析CO2喷射制冷空调系统与常规制冷空调系统在不同工况下的性能差异.首先，通过实验研究了在相同转速下不同室内侧风量对系统性能的影响.其次，研究了在相同转速下不同室外温度对系统性能的影响.最后，改变压缩机转速和电子膨胀阀的开度，以确定两者对系统性能的影响，并将车用CO2喷射制冷空调系统与常规制冷空调系统的性能做对比.详细的实验工况如表3所示，其中：Vin为室内侧风量；Tout为室外侧温度；n为压缩机转速；s1为车用CO2常规制冷空调系统电子膨胀阀开度；s2为车用CO2喷射制冷空调系统电子膨胀阀开度.

表3 测试工况Tab.3 Test conditions

3 结果与分析

3.1 室内侧风量对系统性能的影响

室内风量是影响制冷系统性能的重要因素，蒸发器的换热量会随着风量的增大而增大.当风量较小时，制冷剂在蒸发器的出口状态为两相态，对系统能效产生负面影响.

在常规制冷和喷射制冷两个工作模式下，室内侧风量对车用CO2制冷空调系统性能的影响如图9所示.其中：Qc，1为常规制冷模式制冷量；COP1为常规制冷模式系统能效比；Qc，2为喷射制冷模式制冷量；COP2为喷射制冷模式系统能效比.实验过程中，控制室内侧干湿球温度为27 ℃/19.5 ℃，室外侧干球温度为35 ℃，室外侧风量为 4 500 m3/h，压缩机转速为 4 200 r/min，电子膨胀阀开度为68%.由图9可知，在CO2常规制冷系统中，随着室内风量由250 m3/h增加到650 m3/h，制冷系统的制冷量由2.92 kW增加到4.15 kW，COP由1.60增加到2.10.在车用CO2喷射制冷空调系统中，随着室内风量由250 m3/h增加到650 m3/h，系统制冷量由2.99 kW增加到4.19 kW，COP由1.64增加到2.37.在喷射制冷系统中，流经蒸发器的CO2制冷剂较常规制冷系统少，使喷射系统制冷量大幅降低；另一方面，喷射器能够提升压缩机吸气压力，从气液分离器流出的液态制冷剂焓值较常规制冷系统低，使单位CO2制冷剂的气化潜热更大，能够吸收更多热量，使喷射器系统制冷量大幅增加.在这两方面的共同作用下，喷射系统制冷量与常规系统制冷量几乎相等.在低风量工况下，蒸发器出口为两相态，喷射器引射比降低，导致有更多的制冷剂在压缩机回路中循环，此时气液分离器达到最大分离量，会有部分的液态制冷剂进入到压缩机，造成压缩功耗增加，系统COP下降，这也是喷射制冷系统在低风量工况下COP与常规系统接近的原因.

图9 室内侧风量对系统性能的影响Fig.9 Impacts of indoor air flow rate on system performance

3.2 室外侧温度对系统性能的影响

CO2制冷空调系统在高温工况下，性能会出现急剧衰减.然而，车用制冷空调系统需要适应不同的室外环境，因此在不同环境温度下，对车用CO2制冷空调系统的性能进行了实验探究.

图10 室外侧温度对系统性能的影响Fig.10 Impacts of outdoor temperature on system performance

在常规制冷和喷射制冷两个工作模式下，室外侧温度对车用CO2空调系统性能的影响如图10所示.实验过程中，控制室内侧干湿球温度为27 ℃/19.5 ℃，室内侧风量为450 m3/h，室外侧风量为 4 500 m3/h，压缩机转速为 4 200 r/min，电子膨胀阀开度为68%.由图10可知，对于CO2常规制冷系统而言，当室外温度从30 ℃升高到40 ℃，制冷量从3.86 kW下降为3.13 kW，COP由2.28下降为1.62.对于车用CO2喷射制冷空调系统而言，当室外温度从30 ℃升高到40 ℃，制冷量从3.90 kW下降为3.19 kW，COP由2.47下降为1.69.CO2喷射制冷系统与常规制冷系统相比，吸气压力更高，使得压缩机耗功减小，提升了系统COP.因此在各个工况下，CO2喷射制冷系统的COP均优于常规制冷系统，但随着室外侧温度的升高，其优势将逐渐减小.

3.3 压缩机转速对系统性能的影响

压缩机是制冷系统工作的动力来源，对于车用制冷空调系统，压缩机转速是用来控制系统制冷剂流量和制冷量的重要参数.

图11 压缩机转速对系统性能的影响Fig.11 Impacts of compressor rotate speed on system performance

在常规制冷和喷射制冷两个工作模式下，压缩机转速对车用CO2空调系统性能的影响如图11所示.实验过程中，控制室内侧干湿球温度为27 ℃/19.5 ℃，室外侧干球温度为35 ℃，室内侧风量为450 m3/h，室外侧风量为 4 500 m3/h，电子膨胀阀开度为68%.由图11可知，随着压缩机转速从 3 000 r/min增加到 6 000 r/min，CO2常规系统制冷量由2.66 kW增加到4.19 kW，系统COP由2.31降低到1.36；随着压缩机转速从 3 000 r/min增加到 6 000 r/min，车用CO2喷射制冷空调系统制冷量由2.57 kW增加到4.38 kW，系统COP由2.57降低到1.48.从图11可以看出，提高压缩机转速可以提高系统制冷量，但当压缩机转速升高时，压缩机耗功幅度增加更大，所以COP反而降低.对比两种制冷系统，车用CO2喷射制冷空调系统的COP在各个工况下均优于常规制冷空调系统，但在低转速工况下，喷射制冷空调系统的制冷量与常规制冷空调系统接近，甚至低于常规制冷空调系统制冷量.

3.4 电子膨胀阀开度对系统性能的影响

电子膨胀阀是调节CO2制冷系统稳定运行和提高系统能效的重要控制部件.

在常规制冷与喷射制冷两个工作模式下，在不同阀开度时车用CO2空调系统的性能变化如图12所示，其中s为电子膨胀阀开度.实验过程中，控制室内侧干湿球温度为27 ℃/19.5 ℃，室外侧干球温度为35 ℃，室内侧风量为450 m3/h，室外侧风量为 4 500 m3/h，压缩机转速为 4 200 r/min.由图12可知，当阀开度由64%逐渐增大到77%的过程中，常规制冷系统的制冷量和COP会先升高，当阀开度为68%时，系统制冷量达到最大值3.67 kW，系统COP达到最大值1.92，但超过该开度后会出现较大程度的下降.这是因为超过一定阀开度后，膨胀阀的节流效果变差，导致无法完全发挥蒸发器的性能而使制冷量下降.

图12 膨胀阀开度对系统性能的影响Fig.12 Impacts of expansion valve on system performance

对于车用CO2喷射制冷空调系统而言(见图12)，当阀开度由64%逐渐增大到92%时，系统制冷量和COP逐渐增大至最大值，分别为3.73 kW和2.15.当阀开度继续增大至100%时，系统性能会出现小幅度下降.这是因为当阀开度为100%时，蒸发器出口过热度减小，甚至变为两相态，引射比降低导致制冷量下降.由于实验过程中喷射器喉部直径尺寸与喷射器入口压力基本稳定，所以即使电子膨胀阀全开，系统制冷量和COP都不会出现较大幅度的下降.

4 结论

本文研制了一套车用CO2喷射制冷空调系统，研究了不同运行参数对该系统性能的影响.根据实验结果，绘制了变参数系统性能变化曲线，分析了车用CO2喷射制冷空调系统的性能优势，旨在为车用CO2喷射制冷空调系统的设计优化提供方向指导.本文获得的主要结论有：

(1) 室内侧风量是影响车用CO2喷射制冷空调系统性能的重要因素，可以通过增大室内侧换热器风量的方式提高制冷系统COP.在不同风量下，车用CO2喷射制冷空调系统较车用CO2常规制冷空调系统，提升制冷量效果并不明显，但能够提升系统COP 2.69%～12.60%，且风量越大，提升COP效果越明显.

(2) 当室外侧温度较高时，车用CO2喷射制冷空调系统性能会出现急剧的衰减，设计车用CO2喷射制冷空调系统时应该充分考虑环境温度的影响.随着室外温度由30 ℃升高至40 ℃，喷射制冷空调系统制冷量降低18.20%，系统COP降低31.69%.在不同室外侧温度下，喷射制冷空调系统提升制冷量并不显著，但能够提升系统COP 4.32%～8.54%，然而随着室外环境温度升高，提升效果会变差.

(3) 改变压缩机转速能够显著改变车用CO2喷射制冷空调系统制冷量和COP，低转速时空调系统更加节能，高转速时空调系统制冷量更大.随着压缩机转速由 3 000 r/min升至 6 000 r/min，车用CO2喷射制冷空调系统制冷量由2.57 kW增加至4.38 kW，增加70.43%，系统COP由2.35降低至1.48，降低了37.02%.在低转速工况(3 000～3 600 r/min)下，车用CO2喷射制冷空调系统制冷量低于常规制冷空调系统，而在高转速工况(4 200～6 000 r/min)下，车用CO2喷射制冷空调系统制冷量高于常规制冷空调系统.在不同转速工况下，车用CO2喷射制冷空调系统相较于常规制冷空调系统，能够提高系统COP 1.65%～8.38%.

(4) 尽管喷射器具有节流降压的作用，但在车用CO2喷射制冷空调空调系统中电子膨胀阀仍然具有存在的价值.调节电子膨胀阀开度能够调节车用CO2喷射制冷空调系统的制冷量和COP.车用CO2喷射制冷空调系统存在最佳阀开度，当阀开度处于最优值时，系统制冷量和COP达到最大值，分别为3.73 kW和2.15.当阀开度继续增大时，系统性能会出现小幅度下降.