二氧化碳汽車空調系統研究與分析

謝娟烘

（肇慶科技職業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年代發現了R12制冷劑對大氣臭氧層有嚴重的破壞作用，并產生較大的溫室效應，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“蒙特利爾協定”，R12已經被全部禁用。根據“京都協議書”，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]。隨著對環境的日益重視及可持續發展考慮，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汽車空調系統以其較低的流動阻力、良好的傳熱性質、良好的環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情況下，由于CO2較低的臨界溫度，當環境溫度較高時，CO2的功耗升高，制冷能力下降，嚴重影響了經濟性，CO2很快被人們所拋棄。跨臨界CO2制冷循環能成功地突破這一瓶頸，所以，CO2再次得到人們的重視。

1 CO2汽車空調制冷循環原理

CO2汽車空調系統如圖1所示。

圖1 CO2汽車空調系統

CO2汽車空調系統制冷循環原理與普通制冷循環系統基本相同，CO2蒸汽壓縮制冷循環如圖2所示。

圖2 制冷系統p-h圖

其目的是利用液化后氣體可以蒸發吸收汽化潛熱的特性以達到制冷。跨臨界CO2系統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，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，為了系統性能系數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，接著用節流閥減壓，經節流減壓后的氣體被冷卻，而且有部分氣體被液化，濕蒸汽進入到蒸發器內汽化，周圍介質的熱量被吸收。為了蒸發器傳熱效率的提高而設計成有少量液體盈余，所以，蒸發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。這就是CO2汽車空調制冷循環原理。

2 CO2汽車空調系統結構

CO2汽車空調系統由壓縮機、氣體冷卻器、熱交換器、儲液器、膨脹閥和蒸發器組成。其中，壓縮機、節流閥、蒸發器的結構和作用與普通的制冷循環系統相同，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，與普通制冷循環系統中的冷凝器的作用相同。CO2的臨界參數[5]為:臨界溫度31.1℃，臨界壓力7.38 MPa。CO2汽車空調系統只能采用跨臨界循環，因為CO2在氣體冷卻器中的降溫過程中，不會出現傳統蒸汽壓縮循環中的冷凝液化過程，它始終在臨界點以上。CO2汽車空調系統的循環特點是蒸發吸熱過程發生在亞臨界區，而放熱過程發生在跨臨界區，這就是CO2汽車空調系統中將氣體冷卻器代替冷凝器的主要原因。

3 CO2汽車空調系統主要部件

美國馬里蘭大學進行對比實驗的CO2系統和R134a系統見表1。

3.1 壓縮機

汽車空調壓縮機是制冷系統的心臟，壓縮機對整個制冷系統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系統和R134a系統

3.2 氣體冷卻器

在CO2超臨界循環系統中，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]，其作用相當于傳統制冷循環中的冷凝器。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傳熱引起的損失。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制冷循環中冷凝器的進一步優化。最初開發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，依據設計情況定通道數和管的寬度。

3.3 膨脹閥

CO2汽車空調系統對膨脹閥的要求較高，因為汽車空調系統是在動態環境條件下工作的。一般情況下，CO2汽車空調系統的膨脹閥由高壓調節閥和手動節流閥或背壓閥兩個閥組成[8]，高壓調節閥是可以進行高壓側壓力控制。膨脹閥跨臨界制冷循環節流前的高壓制冷劑不是冷凝液體，環境溫度對系統性能的影響較小，正是由于CO2流體節流前是處于超臨界狀態，壓力高，節流后流體處于兩相區，壓力低，節流前后壓差大，因此，系統性能基本上由高壓側壓力所決定，為了達到調節系統制冷量的目的，可以通過控制膨脹閥的大小調節高壓側壓力[6]。系統中一般采用電子膨脹閥，因為系統壓力較高，傳統的熱力膨脹閥的結構很難適應。

3.4 蒸發器

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

3.5 回熱器

系統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勢:

1）溫室效應指數接近0;

2）蒸發潛熱是R12的5倍;

3）運動黏度僅為R12的1/4;

4）絕熱指數較高，k=1.30;

5）無需回收循環利用。

CO2汽車空調由于環境方面的優越性和優良的熱物理特性，越來越被人們重視，CO2汽車空調替代現有的汽車空調系統比較樂觀。CO2汽車空調技術具有重要的意義和廣闊的發展前景。

[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狀和發展前景展望[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.

[6] 黃進祿.汽車空調制冷劑發展的研究綜述[J].科技咨詢導報，2007（7）:116-117.

[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的研究與分析[J].制冷與空調，2008（12）:18-19.