Luo Mengbo Shen Weixin

(Department of Automobile Engineering, Hebei Jiaotong Vocational and Technical College, Shijiazhuang 050091)

Abstract: This paper introduces the characteristics of CO₂ refrigerant and the principle of CO₂ refrigerant system under super critical circulation. The structure properties of CO₂ air conditioner system of automobile are analyzed.

Key words: natural refrigerant; CO₂; automotive air condition; property

 

0 引言

    依其來源的不同,，制冷劑可分為天然制冷劑和人工合成制冷劑兩大類,。天然制冷劑是指在大自然中天然存在的可用于制冷工程工作介質(zhì)的物質(zhì)，它的優(yōu)點(diǎn)是不污染環(huán)境,，價(jià)格低廉,。二氧化碳就是一種天然制冷劑。

１ 二氧化碳（CO₂）制冷劑的特性

CO₂在制冷空調(diào)上已有百年以上的使用歷史,。CO₂制冷劑主要是由于其在高溫環(huán)境運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的容積效率損失大,、系統(tǒng)效率低,、操作壓力高等技術(shù)原因在使用上受到限制，但隨著現(xiàn)代材料和制造技術(shù)的發(fā)展,，上述問題都得到了解決,，挪威的G·Lorentzen和J·Pettersen在1993年首先提出了將CO₂制冷劑應(yīng)用在汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)上，并進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究?，F(xiàn)有的研究證明,，二氧化碳制冷劑具有如下特性：

⑴　CO₂的臨界溫度低（31.1℃），接近環(huán)境溫度,，因此,，用CO₂為制冷劑進(jìn)行壓縮，則其放熱區(qū)將超過臨界溫度以上,，而處在超臨界點(diǎn)的區(qū)域中工作,。

⑵　CO₂的臨界點(diǎn)壓力高（7.38MPa），約為R12的1.8倍,，但是,，因其臨界點(diǎn)溫度低，在進(jìn)行壓縮時(shí),，其工作壓力將更高,。

⑶　在0℃時(shí)CO₂的飽和壓力是其他制冷劑的8～10倍，CO₂相對(duì)高的壓力可以認(rèn)為是作為制冷劑的優(yōu)勢(shì),。

CO₂作為制冷劑與鹵代烴相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：與各種潤(rùn)滑油和常用機(jī)器零部件材料都相容,；容易獲取，不受供應(yīng)限制,；運(yùn)行維護(hù)方便,，無須回收再生，且價(jià)格低廉,。

CO₂壓縮機(jī)具有如下熱力特性：高工作壓力,，最高壓力可達(dá)15MPa；小排氣量,，排氣量為：20～25cm³,；低壓縮比：2.5～3.5；大壓力差：低壓為3.5～4.0MPa,，高壓為8.0～11.0MPa,；工作運(yùn)轉(zhuǎn)速度低：640～1600r/min。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

20世紀(jì)90年代初,，挪威Lorentzen教授開發(fā)了采用超臨界制冷循環(huán)的汽車空調(diào)樣機(jī)，其原理如圖１所示,，圖２為超臨界循環(huán)的壓焓（ ）圖。它是一種與深度冷凍裝置中的高壓（林德）流程氣體液化和分離裝置類似的系統(tǒng),，但在這里的目的是利用氣體液化后可以蒸發(fā)吸收氣化潛熱的特性以達(dá)到制冷的目的,，而不是為了氣體液化和分離。

超臨界制冷循環(huán)系統(tǒng)由壓縮機(jī)C,、氣體冷卻器G,、內(nèi)部熱交換器I、節(jié)流閥V,、蒸發(fā)器E與貯液器A組成封閉回路,。氣體工質(zhì)由壓縮機(jī)升壓至超臨界壓力，其在 圖上為過程 ,，然后進(jìn)入氣體冷卻器中,，被冷卻介質(zhì)（空氣或冷卻水）所冷卻。為了提高制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)COP（coefficient of performance）,，自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,，它是利用從蒸發(fā)器出來的低溫低壓蒸氣進(jìn)行熱交換的原理實(shí)現(xiàn)的，這一過程即 ,。這也促使從蒸發(fā)器出來的低溫低壓蒸氣進(jìn)一步氣化,，防止了壓縮機(jī)液擊現(xiàn)象的發(fā)生。理想狀況下,，焓降h_b—h_c=h_f—h_e,。然后利用節(jié)流閥減壓，經(jīng)節(jié)流后的氣體降溫冷卻,，且部分氣體液化（在節(jié)流減壓前不發(fā)生液化）,，濕蒸氣進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)氣化，吸收周圍介質(zhì)的熱量,，使空氣降溫,。蒸發(fā)器內(nèi)的液體并不全部氣化，因此出口工質(zhì)的狀態(tài)處于兩相區(qū),，即氣液并存,，這對(duì)提高蒸發(fā)器的傳熱效率十分有利。正因?yàn)槿绱?，蒸發(fā)器出口處需配置貯液器（在汽車空調(diào)系統(tǒng)中常被稱為集液器或積累器）,，以防止壓縮機(jī)液擊和便于壓縮機(jī)回油（圖上虛線為回油管道）。貯液器出來的低壓飽和蒸氣進(jìn)入熱交換器的低壓側(cè)管道，吸收高溫高壓的超臨界氣體的熱量后,，成為過熱蒸氣進(jìn)入壓縮機(jī)并升壓,。制冷系統(tǒng)如此周而復(fù)始完成循環(huán)。

３　二氧化碳汽車空調(diào)系統(tǒng)部件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

 CO₂超臨界系統(tǒng)的工作壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于亞臨界循環(huán),，蒸發(fā)壓力為3～4MPa,，冷凝壓力為10～11MPa，高的工作壓力給壓縮機(jī)及管路的設(shè)計(jì)與密封帶來一系列的問題,，需要進(jìn)行較大的改進(jìn),。與傳統(tǒng)制冷劑相比，CO₂具有更大的單位容積制冷量,，0℃時(shí)CO₂的單位容積制冷量分別為NH₃的1.58倍,、R12的8.5倍、R22的5.12倍,，因此,，CO₂制冷系統(tǒng)中的容積流量可明顯減少，這樣使得壓縮機(jī)的尺寸,、閥門與管道的流通面積比一般制冷系統(tǒng)要小得多,。同時(shí)良好的熱力性質(zhì)也為選擇結(jié)構(gòu)緊湊、高效的熱交換器提供了可能性,。

３.1．壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

CO₂和氨一樣,，具有較高的等熵指數(shù)k，達(dá)1.30,，高的等熵指數(shù)會(huì)引起壓縮機(jī)排氣溫度偏高的顧慮,，但由于CO₂的具有較高的低壓工作壓力p₀，因而壓縮機(jī)的壓比π=p_H/p₀卻比其他制冷劑系統(tǒng)低得多,，因此不會(huì)像氨系統(tǒng)那樣需要對(duì)壓縮機(jī)本身進(jìn)行冷卻,。高的等熵指數(shù)k、小的壓比,，可減小壓縮機(jī)余隙容積的再膨脹損失 , 提高壓縮機(jī)的容積效率,。同時(shí) , 因?yàn)镃O₂壓縮機(jī)的吸排氣壓力均比 R134a 壓縮機(jī)的大得多 , 因而在CO₂壓縮機(jī)類型選擇及設(shè)計(jì)上應(yīng)給于充分考慮。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和理論研究 ,一般認(rèn)為往復(fù)式壓縮機(jī)較適合于CO₂空調(diào)制冷系統(tǒng), 主要原因是柱塞和軸塞式壓縮機(jī)憑借油潤(rùn)滑, 在氣缸壁和活塞之間存在良好的油膜滑動(dòng)密封, 因此成為 CO₂制冷系統(tǒng)的首選,。迄今為止 , 汽車空調(diào)系統(tǒng)中使用的二氧化碳?jí)嚎s機(jī)多采用往復(fù)式結(jié)構(gòu) , DANFOSS 公司研制了三缸斜盤式壓縮機(jī),、 Bock 公司研制了兩缸立式活塞式客車空調(diào)壓縮機(jī)。

應(yīng)用于CO₂汽車空調(diào)系統(tǒng)的壓縮機(jī)氣缸體積小, 吸排氣壓力高,，存在潛在的高沖擊速度,，因此，對(duì)傳統(tǒng)使用的簧片閥提出了挑戰(zhàn), 為滿足系統(tǒng)工作壓力的要求,，必須對(duì)閥門進(jìn)行改進(jìn),。Bock公司將壓縮機(jī)排氣閥改良后發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)效率提高了7%,。

３.2. 熱交換器

CO₂汽車空調(diào)系統(tǒng)熱交換器包括蒸發(fā)器、氣體冷卻器和內(nèi)部氣體換熱器, 占整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量的一半及大部分體積, 為滿足汽車空調(diào)的特殊要求, 必須具備高效,、緊湊,、重量輕的特點(diǎn)。

氣體冷卻器要完成制冷循環(huán)中散熱工作,。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, 二氧化碳工作在超臨界狀態(tài)下, 始終處于氣態(tài), 并不發(fā)生一般冷凝器中的冷凝液化過程。受二氧化碳熱物性的制約,氣體冷卻器中制冷劑側(cè)壓力很高,達(dá)10～11MPa, 另外, 由于二氧化碳處于超臨界狀態(tài), 出口溫度獨(dú)立于出口壓力, 使它可以有較大的壓降,。因此, 制冷劑側(cè)可以設(shè)計(jì)成較大的流量密度 (600～1200kg/s·m²) 和較小的管徑,。同時(shí) , 小管徑也有助于承受較高的壓力。

CO₂的冷卻特性使采用小迎風(fēng)面積,、長(zhǎng)空氣流道、低空氣流速的逆流式換熱器成為可能,。采用逆流式的氣體冷卻器接近方形,，緊湊的結(jié)構(gòu)和較小的空氣流量可以使汽車空調(diào)中的空氣冷卻器不一定放在散熱器前, 也可不放在汽車前部, 有利于汽車設(shè)計(jì)的整體優(yōu)化, 也避免了增加散熱器的負(fù)荷以及車底熱空氣進(jìn)入氣體冷卻器中。

最初的空氣冷卻器由 Lorntzen 和 Pettersen 于 1990～1991 年推出, 為傳統(tǒng)的管片式,。進(jìn)一步的模型計(jì)算表明, 采用更小的管徑有助于提高換熱強(qiáng)度,。同時(shí), 由于對(duì)最小爆炸壓力的考慮, 也要求縮小管徑。因此, Lorentzen 和 Pettersen 在 1994 年對(duì)氣體冷卻器進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì), 使管徑減小到2.Omm,。但過小的管徑帶來制造上的困難, 增加了成本,。在這種情況下 ,開發(fā)了“平行流”氣體冷卻器: 一組平行的小直徑換熱管構(gòu)成一個(gè)整體以便于制造。“平行流”氣體冷卻器增加了換熱面積,，提高了空氣側(cè)和制冷劑側(cè)的換熱量,；提高了氣體冷卻器內(nèi)工質(zhì)流體的溫度和流量分配的均勻度，提高了換熱效率,；減小了制冷劑的流動(dòng)阻力,，降低了制冷劑在冷卻器中的壓力損失，減少壓縮機(jī)功耗,。“平行流”氣體冷卻器的