謝娟烘

（肇慶科技職業(yè)技術學院汽車工程系，廣東肇慶 526110）

0 引 言

汽車空調用的R12制冷劑一直被廣泛應用，直到20世紀70年代發(fā)現(xiàn)了R12制冷劑對大氣臭氧層有嚴重的破壞作用，并產(chǎn)生較大的溫室效應，所以R12制冷劑成為首批受禁的制冷工質。R134a制冷劑的ODP值為零，但GWP值不小，仍有一定的溫室效應。根據(jù)“蒙特利爾協(xié)定”，R12已經(jīng)被全部禁用。根據(jù)“京都協(xié)議書”，R134a也是即將被淘汰的工質。人們一直在尋找R134a的替代工質[1]。隨著對環(huán)境的日益重視及可持續(xù)發(fā)展考慮，其替代的任務更為迫切，天然制冷劑替代合成工質成為了必然。在此情況下，采用CO2汽車空調系統(tǒng)以其較低的流動阻力、良好的傳熱性質、良好的環(huán)保性能及較大的單位體積制冷量，在制冷界中重新受到重視。CO2是我們熟悉的天然制冷劑，其ODP值為零，GWP值為1，CO2無毒、不燃燒、不爆炸[2]。從制冷劑的使用歷史來看，CO2作為制冷劑在19世紀初到20世紀30年代得到普遍的應用，隨著氟利昂制冷劑的應用，鑒于當時機器制造水平，它工作在亞臨界制冷循環(huán)情況下，由于CO2較低的臨界溫度，當環(huán)境溫度較高時，CO2的功耗升高，制冷能力下降，嚴重影響了經(jīng)濟性，CO2很快被人們所拋棄。跨臨界CO2制冷循環(huán)能成功地突破這一瓶頸，所以，CO2再次得到人們的重視。

1 CO2汽車空調制冷循環(huán)原理

CO2汽車空調系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 CO2汽車空調系統(tǒng)

CO2汽車空調系統(tǒng)制冷循環(huán)原理與普通制冷循環(huán)系統(tǒng)基本相同，CO2蒸汽壓縮制冷循環(huán)如圖2所示。

圖2 制冷系統(tǒng)p-h圖

其目的是利用液化后氣體可以蒸發(fā)吸收汽化潛熱的特性以達到制冷?？缗R界CO2系統(tǒng)封閉回路是由壓縮機、氣體冷卻器、熱交換器、儲液器、膨脹閥及蒸發(fā)器組成[3]。如p-h圖的B-A過程，在壓縮機中氣體工質升壓至超臨界壓力狀態(tài)，進入到氣體冷卻器中，氣體工質被冷卻介質所冷卻。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部熱交換器中進一步冷卻，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，濕蒸汽進入到蒸發(fā)器內汽化，周圍介質的熱量被吸收。為了蒸發(fā)器傳熱效率的提高而設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[4]。正因為如此，以防止壓縮機液擊和便于壓縮機回油（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入內部熱交換器的低壓側通道，吸收高溫高壓的超臨界氣體的熱量后成為過熱蒸汽，進而進入壓縮機升壓，進行下一循環(huán)。這就是CO2汽車空調制冷循環(huán)原理。

2 CO2汽車空調系統(tǒng)結構

CO2汽車空調系統(tǒng)由壓縮機、氣體冷卻器、熱交換器、儲液器、膨脹閥和蒸發(fā)器組成。其中，壓縮機、節(jié)流閥、蒸發(fā)器的結構和作用與普通的制冷循環(huán)系統(tǒng)相同，氣體冷卻器的作用是用以冷卻從壓縮機排出的高溫高壓制冷劑，與普通制冷循環(huán)系統(tǒng)中的冷凝器的作用相同。CO2的臨界參數(shù)[5]為:臨界溫度31.1℃，臨界壓力7.38 MPa。CO2汽車空調系統(tǒng)只能采用跨臨界循環(huán)，因為CO2在氣體冷卻器中的降溫過程中，不會出現(xiàn)傳統(tǒng)蒸汽壓縮循環(huán)中的冷凝液化過程，它始終在臨界點以上。CO2汽車空調系統(tǒng)的循環(huán)特點是蒸發(fā)吸熱過程發(fā)生在亞臨界區(qū)，而放熱過程發(fā)生在跨臨界區(qū)，這就是CO2汽車空調系統(tǒng)中將氣體冷卻器代替冷凝器的主要原因。

3 CO2汽車空調系統(tǒng)主要部件

美國馬里蘭大學進行對比實驗的CO2系統(tǒng)和R134a系統(tǒng)見表1。

3.1 壓縮機

汽車空調壓縮機是制冷系統(tǒng)的心臟，壓縮機對整個制冷系統(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工作性能的主要指標，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。由于CO2跨臨界系統(tǒng)的高低壓差大，不易密封[6]，所以，CO2汽車空調的壓縮機主要有開啟活塞式壓縮機、渦旋式壓縮機和變排量式壓縮機。壓縮機容積效率較大，因為CO2壓縮機壓比小以及氣缸內余隙容積的再膨脹行程較短，閥打開較早。活塞間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壓縮機具有與R134a壓縮機相同的效率，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壓縮機吸排氣壓差很大，克服流動阻力需要的壓差相對很小。

表1 美國馬里蘭大學進行對比實驗的CO2系統(tǒng)和R134a系統(tǒng)

3.2 氣體冷卻器

在CO2超臨界循環(huán)系統(tǒng)中，高壓側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[7]，其作用相當于傳統(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)中冷凝器的進一步優(yōu)化。最初開發(fā)的是通過脹管的方法將鋁管和平直鋁翅片制成一體，CO2在鋁管內流動的管片式氣體冷卻器。一種新開發(fā)的平行流微通道換熱器是由管外釬焊波紋狀鋁翅片，翅片表面加工成百葉窗型，多個微通道構成的扁平鋁管式。扁平管的高度在1.6 mm左右，微通道的最小直徑為0.8 mm左右，依據(jù)設計情況定通道數(shù)和管的寬度。

3.3 膨脹閥

CO2汽車空調系統(tǒng)對膨脹閥的要求較高，因為汽車空調系統(tǒng)是在動態(tài)環(huán)境條件下工作的。一般情況下，CO2汽車空調系統(tǒng)的膨脹閥由高壓調節(jié)閥和手動節(jié)流閥或背壓閥兩個閥組成[8]，高壓調節(jié)閥是可以進行高壓側壓力控制。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壓力所決定，為了達到調節(jié)系統(tǒng)制冷量的目的，可以通過控制膨脹閥的大小調節(jié)高壓側壓力[6]。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)的熱力膨脹閥的結構很難適應。

3.4 蒸發(fā)器

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

3.5 回熱器

系統(tǒng)中的回熱器大多采用簡單熱流體在管內流動，冷流體在管外流動的套管式結構，回熱器的結構比較簡單，但系統(tǒng)性能可以得到有效提高。有關的試驗研究表明，增設回熱器后，系統(tǒng)的COP值最大可以提高15%～20%，制冷量將改善10%，回熱器的管長和管徑尺寸由換熱量和設計工況確定[7]。

3.6 儲液器

儲液器的作用是防止壓縮機液擊和便于壓縮機回油。為了滿足不同工況要求，儲液器容量的設計比較大。在儲液器中設置干燥器，以防止水與CO2反應產(chǎn)生腐蝕[8]。

4 結 語

對CO2汽車空調的原理及結構進行了分析。CO2汽車空調具有如下優(yōu)勢:

1）溫室效應指數(shù)接近0;

2）蒸發(fā)潛熱是R12的5倍;

3）運動黏度僅為R12的1/4;

4）絕熱指數(shù)較高，k=1.30;

5）無需回收循環(huán)利用。

CO2汽車空調由于環(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汽車空調替代現(xiàn)有的汽車空調系統(tǒng)比較樂觀。CO2汽車空調技術具有重要的意義和廣闊的發(fā)展前景。

[1] 葉斌.CO2作為汽車空調替代工質的可行性研究[J].制冷空調與電力機械，2006（5）:56-58.

[2] 陳江平，穆景陽，陳芝久.二氧化碳汽車空調系統(tǒng)應用研究進展[J].低溫與特氣，2001（19）:15-18.

[3] 劉遠志.二氧化碳汽車空調的現(xiàn)狀和發(fā)展前景展望[J].汽車與配件，2008（20）:46-47.

[4] 季建剛，黎立新.跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)研究進展[J].機電設備，2002（4）:23-25.

[5] 牟春燕，趙萬勝，姚美紅.二氧化碳汽車空調[J].汽車電器，2006（7）:103-104.

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[7] 范曉偉，張定才.二氧化碳汽車空調若干技術關鍵[J].汽車技術，2002（12）:90-93.

[8] 樓江燕，樓華山.跨臨界二氧化碳汽車空調系統(tǒng)的研究與分析[J].制冷與空調，2008（12）:18-19.