張振宇，王丹東，陳江平*，張立

（1-上海海立電器有限公司，上海 201206；2-上海交通大學(xué)低溫與制冷工程研究所，上海 200240；3-上海交通大學(xué)溧陽(yáng)研究院，江蘇常州 213000）

0 引言

近年來(lái)，隨著溫室氣體氫氟碳化物（HFCs）的大量排放，全球氣候變暖加劇，導(dǎo)致一系列的極端天氣現(xiàn)象。中國(guó)乘用車保有量在2018年底達(dá)到3.25億輛[1]。汽車空調(diào)中的氫氟碳化物的泄漏是造成溫室效應(yīng)的重要原因之一。因此，許多國(guó)家越來(lái)越重視汽車空調(diào)領(lǐng)域制冷劑的替代，天然工質(zhì)CO2作為一種不破壞臭氧層、溫室效應(yīng)低、全球變暖潛力值（Global Warming Potential，GWP）為1、無(wú)毒、不可燃、傳熱性能好且易獲取的制冷劑，得到了廣泛的認(rèn)可，有望作為環(huán)保制冷劑在汽車空調(diào)中得到應(yīng)用。但是CO2汽車空調(diào)循環(huán)為跨臨界循環(huán)，在高溫環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)制冷性能的衰減，同時(shí)排氣溫度和壓力都很高，高壓能達(dá)到11 MPa 以上。

CICHCNG 等[2]研究了R290 的充注量對(duì)于系統(tǒng)性能的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論研究充注量對(duì)于吸氣過(guò)熱度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明充注量使得系統(tǒng)的過(guò)熱度發(fā)生變化，當(dāng)系統(tǒng)過(guò)熱度越大，對(duì)系統(tǒng)的性能影響越大。SIANG 等[3]研究了充注量對(duì)制冷劑溫度、質(zhì)量流量、排氣壓力、制冷量和壓縮機(jī)功耗的影響，研究結(jié)果表明，降低單位制冷劑的制冷量的同時(shí)，由于制冷劑增加，系統(tǒng)的整體制冷量有所提高。HERMES 等[4]利用純熱力學(xué)分析熱門制冷劑的充注量對(duì)于換熱器性能的影響，從而能夠在保證系統(tǒng)性能的前提下，降低系統(tǒng)的充注量。SUN 等[5]采用反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)空調(diào)系統(tǒng)中的制冷劑充注量進(jìn)行故障診斷，將過(guò)充故障數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率從82.7%提高到了93.8%。通過(guò)建立充注量模型，簡(jiǎn)化了對(duì)最優(yōu)充注量的判斷。ROH 等[6]對(duì)二氧化碳兩級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)進(jìn)行了性能分析，通過(guò)分析得出過(guò)熱度、壓縮機(jī)效率、質(zhì)量流量等對(duì)制冷量、功耗和COP的影響。APREA 等[7]研究了CO2充注量對(duì)于系統(tǒng)性能系數(shù)以及制冷能力等影響。KANG 等[8]研究在不同工況下帶中間換熱器儲(chǔ)液罐的換熱性能，比較了R410A、R134a 和R22 在該儲(chǔ)液罐系統(tǒng)中的換熱特性，發(fā)現(xiàn)R410A 和R134a 的傳熱速率比R22 高40%和23%。RAISER 等[9]建立了新的儲(chǔ)液罐模型，對(duì)泄油孔和J 型管進(jìn)口質(zhì)量流量的壓降特性進(jìn)行了相關(guān)研究，對(duì)比了制冷循環(huán)模型的模擬和測(cè)量結(jié)果，研究了儲(chǔ)液罐對(duì)系統(tǒng)瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)的影響。HAZARKA 等[10]建立了CO2跨臨界空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)值模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了充注量、環(huán)境溫度對(duì)于系統(tǒng)性能的影響，同時(shí)通過(guò)數(shù)值模型預(yù)測(cè)了系統(tǒng)的最佳COP。劉圣春等[11]建立了CO2跨臨界雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)的熱力學(xué)模型，并分析了中間壓力、氣冷器出口溫度等對(duì)系統(tǒng)性能的影響。趙家威等[12]設(shè)計(jì)了R134A 制冷劑的熱泵系統(tǒng)，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了制冷劑充注量對(duì)于熱泵系統(tǒng)性能的影響。劉杰等[13]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了最優(yōu)充注量對(duì)于新型換熱器汽車空調(diào)的影響，結(jié)果表明采用了新型換熱器系統(tǒng)制冷量提高18%，COP 提升了5%，最優(yōu)充注量反而降低了100 g。王棟等[14]研究了充注量對(duì)于小型制冷系統(tǒng)的影響，討論了不同充注量下吸排氣壓力和吸排氣溫度的變化。劉業(yè)鳳等[15]研究了CO2熱泵熱水器充注量的影響，結(jié)果表明充注量對(duì)于排氣壓力和系統(tǒng)性能影響最大。賈慶賢等[16]研究分析了4 mm管換熱器的充注量特性，研究發(fā)現(xiàn)4 mm 的管換熱器能夠在保持性能不變的情況下，有效降低制冷劑的充注量。戴國(guó)民等[17]對(duì)空調(diào)器的毛細(xì)管長(zhǎng)度和沖注量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。史劍春[18]對(duì)沖注量和毛細(xì)管尺寸的確定方法進(jìn)行了闡述分析。龍建佑等[19]研究了沖注量以及毛細(xì)管長(zhǎng)度對(duì)性能的影響。王敏等[20]計(jì)算分析研究了換熱器面積和充注量對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

現(xiàn)有的研究中，氣液分離器對(duì)CO2汽車空調(diào)的影響研究較少，本文通過(guò)可視化的氣液分離器研究了充注量對(duì)制冷劑在氣液分離器中行為的影響。壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，如果出現(xiàn)吸氣帶液現(xiàn)象，說(shuō)明系統(tǒng)性能衰減嚴(yán)重。通過(guò)在壓縮機(jī)前增加氣液分離器和中間換熱器（Intermediate Heat Exchanger，IHX），可以保證壓縮機(jī)吸氣過(guò)熱，提高系統(tǒng)的制冷性能。氣液分離器具有一定的儲(chǔ)液功能，對(duì)于系統(tǒng)的充注量會(huì)造成一定的影響，本文通過(guò)對(duì)充注量和閥開(kāi)度的分析研究氣液分離器對(duì)于系統(tǒng)制冷性能的影響。

1 帶氣液分離器的CO2 汽車空調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理與裝置

實(shí)驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)原理如圖1所示，制冷劑為天然工質(zhì)CO2，經(jīng)壓縮機(jī)后變成高溫高壓的制冷劑，之后在氣冷器中和外界空氣換熱，溫度相對(duì)較高的制冷劑和壓縮機(jī)入口的制冷劑換熱，流入壓縮機(jī)的制冷劑部分過(guò)熱，有利于系統(tǒng)性能的提升。隨后依次流經(jīng)干燥過(guò)濾器和流量計(jì)，流量計(jì)記錄系統(tǒng)中制冷劑的流量。換熱后高壓制冷劑經(jīng)過(guò)可調(diào)節(jié)開(kāi)度的電子膨脹閥節(jié)流降壓。電子膨脹閥的開(kāi)度通過(guò)外接Lin 通訊進(jìn)行調(diào)節(jié)。CO2制冷劑經(jīng)過(guò)電子膨脹閥節(jié)流降壓，此時(shí)CO2通過(guò)冷凝器和外界空氣進(jìn)行換熱，在充注量較高的工況下，蒸發(fā)器出口為兩相流。兩相流在氣液分離器中分離，部分液體積存在氣液分離器中，氣體從出口流出，由于氣液分離器中J 型管底部有著直徑為1 mm 的回油孔，高速流動(dòng)的氣態(tài)CO2制冷劑會(huì)將部分液態(tài)CO2制冷劑從回油孔中攜帶回壓縮機(jī)。此時(shí)氣液分離器出口制冷劑存在一定的干度，如果直接進(jìn)入壓縮機(jī)，會(huì)造成壓縮機(jī)吸氣帶液，對(duì)系統(tǒng)的性能和壓縮機(jī)的壽命都會(huì)造成一定的影響，因此系統(tǒng)中增加中間換熱器，讓氣冷器出口的高溫CO2制冷劑和氣液分離器出口的CO2制冷劑進(jìn)行換熱，使得進(jìn)入壓縮機(jī)入口的制冷劑過(guò)熱，提高系統(tǒng)性能。

圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)原理

氣液分離器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，從蒸發(fā)器中出來(lái)的兩相流CO2制冷劑從左側(cè)進(jìn)入到氣液分離器中，制冷劑沖擊到擋板上，液態(tài)制冷劑從擋板周圍流入到罐子中，液體在下方積存，J 型管底部存在1 mm 直徑的回油孔，可以讓隨制冷劑流動(dòng)的潤(rùn)滑油回到壓縮機(jī)。氣態(tài)制冷劑從J 型管處流出，在IHX處換熱回到壓縮機(jī)，IHX 換熱段的長(zhǎng)度為1.0 m。

圖2 氣液分離器結(jié)構(gòu)

氣液分離器垂直方向開(kāi)有5 個(gè)玻璃窗，通過(guò)玻璃窗觀察氣液分離器在不同充注量下內(nèi)部液位高度，分析氣液分離器對(duì)系統(tǒng)性能和充注量的影響。

壓縮機(jī)的類型為轉(zhuǎn)子式，排量6 mL/r，由變頻器控制。通過(guò)變頻器可以控制壓縮的轉(zhuǎn)速范圍為1,800～6,000 r/min，同時(shí)壓縮機(jī)裝有過(guò)溫保護(hù)，限制溫度為120 ℃。蒸發(fā)器和氣冷器為微通道換熱器，尺寸分別為W×H×D=310 mm×236 mm×32 mm 和620 mm×456 mm×12 mm。閥采用的是CO2電子膨脹閥，開(kāi)度范圍為0～576 步，通過(guò)穩(wěn)壓電源的電壓大小來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

CO2系統(tǒng)運(yùn)行壓力較高，高壓達(dá)到11 MPa，因此所有實(shí)驗(yàn)部件均為耐壓部件，高壓側(cè)壓力傳感器的范圍為0～20 MPa，低壓側(cè)壓力傳感器范圍為0～10 MPa，溫度傳感器為Pt100 的鎧裝熱電偶，精度為0.2%FS。為保證實(shí)驗(yàn)的安全進(jìn)行，在壓縮機(jī)出口處安裝壓力開(kāi)關(guān)，壓力設(shè)定值為13 MPa，一旦排氣壓力高于13 MPa，壓力開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)給繼電器，斷開(kāi)壓縮機(jī)電源。流量計(jì)精度為±0.5%。數(shù)據(jù)采集設(shè)備為agilent34970，能夠準(zhǔn)確及時(shí)采集到系統(tǒng)各個(gè)點(diǎn)的壓力、溫度和流量。環(huán)境溫度由焓差臺(tái)控制，保證溫度和濕度的穩(wěn)定，以模擬汽車運(yùn)行過(guò)程中的工況。具體實(shí)驗(yàn)工況如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)工況

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及討論

2.1 不同充注量下氣液分離器對(duì)系統(tǒng)性能的影響

控制室內(nèi)側(cè)干球溫度為27 ℃，濕球溫度為19.5 ℃，室外側(cè)干球溫度為35 ℃，濕球溫度為26.2 ℃。系統(tǒng)充注量從400 g 不斷增加，直至增加到1,700 g，原先系統(tǒng)處于缺制冷劑的狀態(tài)，每次往系統(tǒng)里充注100 g，等到制冷劑達(dá)到最優(yōu)充注附近，每次往系統(tǒng)里充注50 g，之后過(guò)充注之后，每次往系統(tǒng)中充注100 g，充注至1,700 g 結(jié)束。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，在400～1,000 g 充注量下，氣液分離器中不存在液態(tài)CO2，系統(tǒng)表現(xiàn)為缺制冷劑的狀態(tài)，高壓側(cè)和低壓側(cè)的壓力明顯偏低。當(dāng)充注量達(dá)到1,100～1,500 g，蒸發(fā)器出口為兩相流，之后兩相流進(jìn)入到氣液分離器中，氣態(tài)制冷劑從氣液分離器出口流出回到壓縮機(jī)，液態(tài)制冷劑則積存在氣液分離器中。隨著制冷劑充注量的增加，氣液分離器中的液位不斷升高，直至達(dá)到出氣孔的位置。當(dāng)充注量達(dá)到1,600 g 之后，氣液分離器中的液位不再升高，達(dá)到最高值，IHX 換熱量不足，進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑不再是過(guò)熱氣體，壓縮機(jī)吸氣部分帶液，導(dǎo)致排氣溫度降低，使得系統(tǒng)的性能出現(xiàn)大幅下降。氣液分離器中液位采用刻度線進(jìn)行記錄，液位記錄如圖3所示。

圖3 不同充注量下氣液分離器中液位（單位：cm）

圖4所示為系統(tǒng)在不同充注量下，系統(tǒng)性能系數(shù)（Coefficient of Performance，COP）、換熱量和液位高度。在欠充注的情況下，系統(tǒng)的制冷量偏低，COP 也偏低。此時(shí)系統(tǒng)中制冷劑偏少，流量小，通過(guò)蒸發(fā)器的制冷劑少，即使所有制冷劑蒸發(fā)吸熱，制冷量也偏低。隨著制冷劑充注量不斷增加，換熱量迅速升高，直至充注量達(dá)到1,100 g，換熱量達(dá)到最大值。COP 則在充注量1,000 g 左右達(dá)到最大值1.87，可見(jiàn)換熱量和COP 相比，存在著一定的滯后性。當(dāng)充注量在1,200～1,500 g，系統(tǒng)的制冷量和COP 未發(fā)生明顯的變化。在這個(gè)階段，往系統(tǒng)中充制冷劑，多余的制冷劑則不斷積存在氣液分離器中，系統(tǒng)中運(yùn)行的制冷劑的量基本不變。從液位中可以反映出來(lái)，液位從1,100 g 充注量下的0 cm 到1,600 g 充注量下的21 cm，體積為580 mL。在系統(tǒng)過(guò)充注的情況下，即充注量在1,600～1,700 g，此時(shí)液位達(dá)到最高。多余的制冷劑無(wú)法積存在氣液分離器中，只能從氣液分離器出口進(jìn)入到壓縮機(jī)，導(dǎo)致壓縮機(jī)吸氣帶液，使系統(tǒng)性能下降，制冷量下降6.8%。但是COP 與之相比，只下降了3.2%，可見(jiàn)充注量對(duì)于換熱量的影響高于COP。

圖4 COP、換熱量、液位隨充注量的變化

2.2 不同閥開(kāi)度下系統(tǒng)性能分析

在制冷劑欠充注的系統(tǒng)壓焓圖如圖5所示。閥全開(kāi)步數(shù)576 步，在700 g 充注量下，系統(tǒng)整體高低壓的焓值較高，閥開(kāi)度范圍在70%～80%，流量變化范圍53.2～93.6 kg/h。

圖5 700 g 充注量下系統(tǒng)的壓焓圖

從壓焓圖中可知，在欠充注下，調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度對(duì)于系統(tǒng)的高壓影響較小，但是對(duì)于低壓影響較大。在系統(tǒng)缺少制冷劑的情況下，閥的節(jié)流能力和壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速相比，對(duì)系統(tǒng)的影響更大。此時(shí)，高壓壓力略微高于CO2氣體的臨界壓力，系統(tǒng)中制冷劑流量太小，導(dǎo)致氣冷器側(cè)換熱不夠充分。在CO2制冷劑焓值較大的時(shí)候就進(jìn)入電子膨脹閥中節(jié)流降壓，系統(tǒng)中由于缺少制冷劑，電子膨脹閥能較好控制低壓側(cè)的壓力。CO2制冷劑經(jīng)過(guò)節(jié)流降壓之后，進(jìn)入到氣液兩相區(qū)域，由于電子膨脹閥的作用為降低高壓側(cè)的壓力，不改變閥前后的焓值，即節(jié)流后的焓值和IHX 高壓側(cè)出口的焓值一樣，此時(shí)焓值偏高，系統(tǒng)循環(huán)整體偏窄，蒸發(fā)器的性能無(wú)法完全發(fā)揮出來(lái)，制冷劑經(jīng)蒸發(fā)器換熱之后完全汽化，從壓焓圖中可知蒸發(fā)器中制冷劑的兩相狀態(tài)只占50%左右，對(duì)于這種情況，氣液分離器中無(wú)液態(tài)制冷劑，IHX 中也是氣態(tài)制冷劑和氣態(tài)制冷劑進(jìn)行換熱。

適當(dāng)充注量下系統(tǒng)壓焓圖如圖6所示，此時(shí)系統(tǒng)充注量為1,500 g，和700 g 充注量相比，系統(tǒng)中的高壓和低壓明顯變高。閥的開(kāi)度為50.5%～78.6%。在此充注量下，隨著閥的開(kāi)度變化，系統(tǒng)高低壓都出現(xiàn)一定的變化，特別是高壓，和700 g 相比，變化更加明顯。

圖6 1,500g 充注量下系統(tǒng)的壓焓圖

制冷劑流量變化范圍為100.8～138.1 kg/h。閥開(kāi)度達(dá)到70%，CO2系統(tǒng)制冷性能達(dá)到最優(yōu)，即閥開(kāi)度步數(shù)對(duì)應(yīng)395 步。CO2系統(tǒng)中氣冷器換熱充分，使氣冷器出口的焓值大幅度降低，加上系統(tǒng)中存在IHX，使得到達(dá)電子膨脹閥前的焓值進(jìn)一步降低，電子膨脹閥節(jié)流降壓，CO2制冷劑進(jìn)入兩相狀態(tài)，系統(tǒng)中制冷劑的流量和蒸發(fā)器的換熱量匹配，蒸發(fā)器充分換熱，之后兩相流進(jìn)入到氣液分離器中，此時(shí)分離器中積存液態(tài)CO2，由于J 型管下開(kāi)有孔，高速流動(dòng)的氣態(tài)CO2會(huì)攜帶著部分液態(tài)CO2從氣液分離器出口流出，此時(shí)IHX 通過(guò)換熱能夠有效將制冷劑過(guò)熱，使壓縮機(jī)吸氣口不帶液，減小壓縮機(jī)的功耗，提升系統(tǒng)的性能。

在制冷劑過(guò)充注的系統(tǒng)壓焓圖如圖7所示，系統(tǒng)充注量為1,700 g。閥開(kāi)度范圍為34.4%～80.7%。

圖7 1,700g 充注量下系統(tǒng)的壓焓圖

由圖7 可知，隨著閥開(kāi)度變小，系統(tǒng)的低壓變化越來(lái)越小，閥對(duì)低壓的影響漸漸減小。此時(shí)氣液分離器中的制冷劑已經(jīng)溢出，壓縮機(jī)在閥開(kāi)度大于68.6%時(shí)吸氣帶液，IHX 的熱交換能力不足，無(wú)法將氣液分離器中的全部液態(tài)制冷劑加熱成過(guò)熱氣體，導(dǎo)致壓縮機(jī)吸氣帶液，功耗增加、COP 也相應(yīng)增加。當(dāng)閥開(kāi)度繼續(xù)減小，系統(tǒng)中制冷劑流量減小，此時(shí)IHX 的換熱能力可將氣液分離器中出來(lái)的少量液態(tài)制冷劑變成過(guò)熱蒸氣，雖然壓縮機(jī)吸氣不帶液，但是閥開(kāi)度太小，導(dǎo)致高壓變高，最終同樣導(dǎo)致壓縮機(jī)功耗增加，不利于系統(tǒng)性能的提升。

系統(tǒng)中由于存在氣液分離器，能夠儲(chǔ)存一部分的制冷劑，這是系統(tǒng)COP 和制冷量圖中出現(xiàn)平臺(tái)的原因。圖8所示為同閥開(kāi)度下系統(tǒng)壓焓圖。由圖8 可知，1,000～1,500 g 充注量之間，整個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)接近?？梢?jiàn)氣液分離器在一定充注范圍內(nèi)能夠起到穩(wěn)定系統(tǒng)的作用。同時(shí)由于氣液分離器中J 型管中有回油孔，使出口制冷劑的干度保持相對(duì)穩(wěn)定，加上存在IHX 系統(tǒng)，能夠保證進(jìn)入壓縮機(jī)入口的制冷劑狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定。制冷劑欠充注時(shí)，氣液分離器管道較粗，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)無(wú)明顯影響，而當(dāng)過(guò)充注時(shí)，氣液分離器也相當(dāng)于直徑較粗的管道，只是其中的制冷劑由欠充注時(shí)的氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)。此時(shí)有無(wú)氣液分離器對(duì)于系統(tǒng)來(lái)說(shuō)同樣影響不大。

圖8 同閥開(kāi)度下系統(tǒng)的壓焓圖

3 結(jié)論

本文研究了帶有氣液分離器的CO2汽車空調(diào)系統(tǒng)，分析了氣液分離器對(duì)于系統(tǒng)充注量的影響，得出如下結(jié)論：

1）由于氣液分離器的存在，使得在原先的充注量曲線上出現(xiàn)了一段平臺(tái)期，即在平臺(tái)期上，繼續(xù)往系統(tǒng)中充注制冷劑對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)點(diǎn)的狀態(tài)及性能影響都較小；

2）在制冷劑充注量為400～1,000 g 的欠充注工況下，閥對(duì)于低壓的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)高壓的影響；此時(shí)當(dāng)閥開(kāi)度減小，系統(tǒng)中流量降低，低壓側(cè)受到閥的影響反而變化更加明顯；

3）在制冷劑充注量為1,100～1,500 g 的充注適當(dāng)工況下，閥開(kāi)度變化對(duì)高壓和低壓的影響明顯；

4）在制冷劑充注量為1,600 g 以上的過(guò)充注工況下，閥明顯對(duì)于高壓的影響更大。