帶噴射器的跨臨界CO2車用空調系統實驗研究

李 浩， 張振宇， 宋 霞， 陳江平

(上海交通大學 制冷與低溫工程研究所， 上海 200240)

汽車空調中使用的制冷劑R134a是溫室氣體排放的主要源頭[1]，其全球變暖潛能值(GWP)高達 1 430.隨著國際社會對環境保護的重視，環保型車用空調制冷劑越來越受到人們的關注.自然工質二氧化碳(CO2)是汽車空調領域最具潛力的環保型制冷劑之一，具有無毒、不可燃、對環境友好(GWP=1)等優點.

國內外學者已經對車用CO2制冷空調系統進行了深入的理論分析與實驗研究.在系統仿真方面，丁國良等[2]早在2001年就建立了跨臨界CO2汽車空調穩態仿真模型，對美國空調制冷中心的樣機進行了計算，結果表明提高高壓側壓力有利于CO2制冷系統的制冷量和系統能效比(COP).Steven等[3]采用半理論循環模型評估了CO2和R134a汽車空調的系統性能，仿真結果表明當環境溫度為32.2 ℃和48.9 ℃時，CO2制冷系統的COP分別降低了21%和34%.在實驗研究方面，Pettersen等[4]研究了利用CO2作為制冷劑的汽車空調系統，證明了CO2汽車空調系統與R134a汽車空調系統的性能相當.劉洪勝等[5-6]搭建了國內第一套配置CO2空調系統的轎車并進行了實驗測試，結果表明CO2空調器基本能夠滿足降溫的需求，但零部件的性能需要改善.金紀峰[7]和Jin等[8]研制了國內第一款采用微通道換熱器的CO2汽車空調系統，并進行了變參數實驗研究.Kim等[9]研究了運行工況對跨臨界CO2汽車空調制冷系統性能的影響，結果表明CO2汽車空調系統具有良好的制冷性能.

CO2制冷空調系統在環境溫度較高時系統能耗較大，性能出現明顯的衰減，其主要原因是CO2制冷空調系統的節流損失較大.在CO2制冷空調系統中應用噴射器，將噴射流體的動能用于引射流體的升壓能夠降低壓縮機的負荷，從而提高系統的能效比[10].許多學者對CO2噴射制冷系統開展了豐富的理論探索與實驗研究.Yu等[11]、Elbel等[12]和Besagni等[13]對應用于CO2制冷循環中的噴射器進行了研究回顧，較多研究結果表明噴射器能夠提高跨臨界CO2系統的COP.Li等[14]建立了噴射器的恒壓混合模型，對CO2跨臨界噴射循環進行了熱力學分析.研究結果表明，對于典型的空調運行工況，CO2跨臨界噴射循環的COP比CO2常規跨臨界循環提高了16%以上.Haida等[15]開發了CO2兩相噴射器的計算流體動力學(CFD)模型，用以研究熱傳遞對噴射器性能的影響.Elbel等[16]首先將可變兩相噴射器引入跨臨界CO2系統，通過在活動噴嘴中安裝針頭對噴嘴的喉部直徑進行控制.在測試工況下，噴射器能夠提升系統制冷量和COP.Liu等[17]研究了不同運行工況對帶噴射器的跨臨界CO2空調器性能的影響.實驗結果表明，使用噴射器代替傳統的膨脹閥可以提高CO2制冷空調系統的COP.隨著喉部直徑的減小，COP的提升幅度有所增大.Zhu等[18]通過實驗研究了不同主流壓力、引射流壓力、背壓等參數對噴射器性能的影響，獲得了噴射器主流流量與主流壓力大致呈線性關系的結論，且噴射器出口的干度對噴射器的引射比與制冷系統的COP有一定的影響.Smolka等[19]對比研究了應用于CO2制冷系統的固定式噴射器和喉部面積可調噴射器的性能，發現設計良好的固定式噴射器能夠在全局工況下表現出優良的性能.對于喉部面積可調的噴射器而言，當其喉部直徑小于固定式噴射器的喉部直徑時，能夠增加噴射器的工作效率，最高可增加25%.Li等[20]對跨臨界CO2兩相噴射器進行了可視化的實驗分析，研究表明當噴嘴擴張角大于2° 時，主流CO2會由欠膨脹狀態轉變為過膨脹狀態，引射比在擴張角等于2° 時達到最大.

目前，雖然已有很多針對CO2制冷空調系統與CO2噴射器的研究，但關于帶噴射器的CO2制冷空調系統尚未在小型乘用車中有所應用.由于噴射器的加工難度大、成本高、相關實驗研究較少，其系統性能受不同運行工況的影響規律也尚未得到揭示.所以，有必要對帶噴射器的車用CO2制冷空調系統進行實驗研究，并與常規系統對比探索其實際應用價值.本文研制了一套車用跨臨界CO2噴射制冷空調系統，采用實驗的方法研究了不同運行參數對該系統性能的影響，對比分析了車用CO2噴射制冷空調系統與常規制冷系統的性能差異，為車用CO2噴射制冷空調系統及其零部件的設計、開發與優化提供一定的理論基礎.

1 跨臨界CO2噴射循環

常規CO2循環示意圖如圖1(a)所示.跨臨界CO2制冷空調系統通常由壓縮機、氣冷器、中間換熱器、膨脹閥、蒸發器、儲液罐等部件組成.CO2制冷劑經過壓縮機壓縮后，溫度與壓力升高，之后進入氣冷器與室外側空氣換熱.在氣冷器中，CO2溫度降低至環境溫度左右，壓力也略微有所降低.經由氣冷器出來的CO2進入中間換熱器與低壓側的制冷劑進行熱交換，溫度進一步降低.在經過干燥過濾器后，CO2制冷劑經過電子膨脹閥進行節流過程.從電子膨脹閥流出的兩相態CO2制冷劑進入蒸發器，吸收室內側空氣的熱量.通過儲液器的氣態CO2進入中間換熱器，溫度有所升高后回到壓縮機，再次進行壓縮過程，完成一次制冷循環.與常規制冷劑相比，CO2在高壓側超臨界區域會經歷較大的溫度滑移，熱量從氣冷器向外界散出而不經歷冷凝相變過程.另外，中間換熱器用于從氣冷器流出的高壓高溫制冷劑與從低壓儲液器流出的低壓低溫制冷劑之間進行熱量交換，不僅能夠提高壓縮機的吸氣溫度防止液擊，還能夠降低從氣冷器出口流出的制冷劑溫度，進而提高系統能效.雖然CO2系統零部件需要具有較高的耐壓強度，但是由于CO2具有相對更低的流動阻力以及更大的容積制冷量，所以CO2空調系統可以設計更小的管路、換熱器尺寸以及壓縮機排量，進而使得CO2汽車空調系統能夠滿足常規空調系統的質量、體積、結構等方面的要求.

帶噴射器的跨臨界CO2制冷空調系統循環示意圖如圖1(b)所示.與常規循環相比，噴射循環最大的特點在于從中間換熱器流出的高溫高壓制冷劑并不進入膨脹閥進行節流過程，而是作為主流從噴射器入口進入噴射器，在噴射器內部膨脹成高速兩相射流.從蒸發器流出的制冷劑作為引射流進入噴射器進行膨脹，并與噴射器主流充分混合.在噴射器的擴張段，制冷劑的動能轉換為壓力勢能，壓力升高.從噴射器流出的兩相制冷劑經過氣液分離器后，氣態制冷劑回到壓縮機，液態制冷劑進入蒸發器.系統循環模式壓力-焓值(p-h)圖如圖2所示.在噴射器的作用下，制冷劑完成節流過程，并且壓縮機的吸氣壓力比常規循環中的吸氣壓力高，因此壓縮機耗功降低，系統能效比獲得了提高.

圖1 跨臨界CO2制冷循環示意圖Fig.1 Schematic diagram of trans-critical CO2 refrigeration cycle

圖2 系統循環模式p-h圖Fig.2 Diagram of p-h of refrigeration system cycles

2 實驗系統和測試方法

2.1 車用CO2噴射制冷空調系統

所研制的車用CO2噴射制冷空調系統主要部件包括壓縮機、室外換熱器、干燥過濾器、噴射器、室內換熱器、低壓儲液器、電子膨脹閥等，該系統的原理圖和實物圖如圖3和4所示.

圖3 帶噴射器的車用CO2空調系統原理圖Fig.3 Schematic diagram of CO2 mobile air conditioning system with an ejector

圖4 帶噴射器的車用CO2空調系統實物圖Fig.4 CO2 mobile air conditioning system with an ejector

為對比噴射器對系統性能的影響，該車用CO2噴射制冷空調系統可以通過閥件的切換在常規制冷模式下運行，其工作原理圖如圖5所示，其循環過程不再贅述.

圖5 實驗系統工作模式Fig.5 Working modes of experimental system

圖6 零部件安裝實物圖Fig.6 Installation pictures of several components

該空調系統的室內換熱器、室外換熱器、噴射器和電子膨脹閥的實物安裝圖如圖6所示.

車用CO2噴射制冷空調系統采用的零部件規格參數如表1所示.其中，實驗系統中的噴射器為加工定制.目前，常用的CO2壓縮機主要分為轉子式和活塞式，其中活塞式壓縮機的體積、質量均較大，不適合應用于汽車空調，因此本實驗系統選用了排量為6 mL/r的轉子式壓縮機.該壓縮機能夠達到的最大排氣壓力為12 MPa，最高排氣溫度為120 ℃.對于氣冷器和蒸發器，采用微通道扁管能夠增大換熱面積，提高換熱器耐壓極限.

表1 車用CO2噴射制冷空調系統關鍵零部件信息

通過相似分析法，對比目前商用領域(大型超市冷凍冷藏系統)的噴射器以及汽車空調常見的運行工況，初步確定噴射器結構參數.采用CFD數值模型對結構參數進一步進行優化[21].最后，與加工委托單位根據現有的加工技術條件調整部分設計參數，進而生成定制圖紙，如圖7所示.所加工的噴射器樣件的整體外觀圖和主噴嘴外觀圖如圖8所示，其主噴嘴為不銹鋼材質，其余部分為銅材質.

圖7 噴射器二維結構圖(mm)Fig.7 2D structure diagram of ejector (mm)

圖8 噴射器實物圖Fig.8 Pictures of ejector

2.2 實驗測試方法

本實驗在標準CO2汽車空調性能焓差實驗室中進行.該焓差實驗室主要由具有不同開放式風洞的室內室和室外室組成.兩個房間中都安裝有風洞，風洞中的風量可以通過風機的轉速以及風洞噴嘴的大小進行控制.同時，每一個房間的干球溫度及濕球溫度都可以控制在 ±0.2 ℃以內，能夠滿足實驗所需要的精度.車用CO2制冷空調系統的室內換熱器安裝于焓差實驗室的室內側風洞前部，室外換熱器安裝于焓差實驗室的室外側風洞前部.室內換熱器與室外換熱器的前后均有空氣采集設備，能夠對換熱器前后空氣的干濕球溫度進行測量，進而獲得換熱器前后的空氣焓差，再利用噴嘴測出空氣流量，即可得到換熱器的空氣側換熱量.實驗中測量參數的范圍及精度如表2所示.

表2 測量參數范圍及其精度Tab.2 Test ranges and accuracies of measured data

CO2制冷空調系統的制冷量可由空氣側換熱量和制冷劑側換熱量的平均值獲得：

Qc=(Qa+Qr)/2

(1)

式中：Qc為CO2制冷空調系統制冷量；Qa為空氣側換熱量；Qr為制冷劑側換熱量.

空氣側的換熱量可通過焓差室設備讀出，制冷劑側的換熱量為

(2)

制冷系統的COP由下式確定：

COP=Qc/P

(3)

式中：P為壓縮機實際電功率.

為驗證制冷量和COP的測量精度，采用Moffat[22]提出的不確定分析方法進行可靠性分析.假設制冷量和COP等實驗結果Y由一組測量值計算得出，Xi代表每一個獨立的測量值，總的不確定度∑R是基于根和平方法的每一個測量值的不確定度組合.

Y=Y(X1,X2,X3,…,XN)

(4)

(5)

利用該分析方法，通過式(4)和(5)計算的制冷量和COP的相對不確定度分別為5.5%和6.3%.

2.3 測試工況

在CO2汽車空調標準焓差實驗室內進行CO2制冷空調系統性能探究，對比分析CO2噴射制冷空調系統與常規制冷空調系統在不同工況下的性能差異.首先，通過實驗研究了在相同轉速下不同室內側風量對系統性能的影響.其次，研究了在相同轉速下不同室外溫度對系統性能的影響.最后，改變壓縮機轉速和電子膨脹閥的開度，以確定兩者對系統性能的影響，并將車用CO2噴射制冷空調系統與常規制冷空調系統的性能做對比.詳細的實驗工況如表3所示，其中：Vin為室內側風量；Tout為室外側溫度；n為壓縮機轉速；s1為車用CO2常規制冷空調系統電子膨脹閥開度；s2為車用CO2噴射制冷空調系統電子膨脹閥開度.

表3 測試工況Tab.3 Test conditions

3 結果與分析

3.1 室內側風量對系統性能的影響

室內風量是影響制冷系統性能的重要因素，蒸發器的換熱量會隨著風量的增大而增大.當風量較小時，制冷劑在蒸發器的出口狀態為兩相態，對系統能效產生負面影響.

在常規制冷和噴射制冷兩個工作模式下，室內側風量對車用CO2制冷空調系統性能的影響如圖9所示.其中：Qc，1為常規制冷模式制冷量；COP1為常規制冷模式系統能效比；Qc，2為噴射制冷模式制冷量；COP2為噴射制冷模式系統能效比.實驗過程中，控制室內側干濕球溫度為27 ℃/19.5 ℃，室外側干球溫度為35 ℃，室外側風量為 4 500 m3/h，壓縮機轉速為 4 200 r/min，電子膨脹閥開度為68%.由圖9可知，在CO2常規制冷系統中，隨著室內風量由250 m3/h增加到650 m3/h，制冷系統的制冷量由2.92 kW增加到4.15 kW，COP由1.60增加到2.10.在車用CO2噴射制冷空調系統中，隨著室內風量由250 m3/h增加到650 m3/h，系統制冷量由2.99 kW增加到4.19 kW，COP由1.64增加到2.37.在噴射制冷系統中，流經蒸發器的CO2制冷劑較常規制冷系統少，使噴射系統制冷量大幅降低；另一方面，噴射器能夠提升壓縮機吸氣壓力，從氣液分離器流出的液態制冷劑焓值較常規制冷系統低，使單位CO2制冷劑的氣化潛熱更大，能夠吸收更多熱量，使噴射器系統制冷量大幅增加.在這兩方面的共同作用下，噴射系統制冷量與常規系統制冷量幾乎相等.在低風量工況下，蒸發器出口為兩相態，噴射器引射比降低，導致有更多的制冷劑在壓縮機回路中循環，此時氣液分離器達到最大分離量，會有部分的液態制冷劑進入到壓縮機，造成壓縮功耗增加，系統COP下降，這也是噴射制冷系統在低風量工況下COP與常規系統接近的原因.

圖9 室內側風量對系統性能的影響Fig.9 Impacts of indoor air flow rate on system performance

3.2 室外側溫度對系統性能的影響

CO2制冷空調系統在高溫工況下，性能會出現急劇衰減.然而，車用制冷空調系統需要適應不同的室外環境，因此在不同環境溫度下，對車用CO2制冷空調系統的性能進行了實驗探究.

圖10 室外側溫度對系統性能的影響Fig.10 Impacts of outdoor temperature on system performance

在常規制冷和噴射制冷兩個工作模式下，室外側溫度對車用CO2空調系統性能的影響如圖10所示.實驗過程中，控制室內側干濕球溫度為27 ℃/19.5 ℃，室內側風量為450 m3/h，室外側風量為 4 500 m3/h，壓縮機轉速為 4 200 r/min，電子膨脹閥開度為68%.由圖10可知，對于CO2常規制冷系統而言，當室外溫度從30 ℃升高到40 ℃，制冷量從3.86 kW下降為3.13 kW，COP由2.28下降為1.62.對于車用CO2噴射制冷空調系統而言，當室外溫度從30 ℃升高到40 ℃，制冷量從3.90 kW下降為3.19 kW，COP由2.47下降為1.69.CO2噴射制冷系統與常規制冷系統相比，吸氣壓力更高，使得壓縮機耗功減小，提升了系統COP.因此在各個工況下，CO2噴射制冷系統的COP均優于常規制冷系統，但隨著室外側溫度的升高，其優勢將逐漸減小.

3.3 壓縮機轉速對系統性能的影響

壓縮機是制冷系統工作的動力來源，對于車用制冷空調系統，壓縮機轉速是用來控制系統制冷劑流量和制冷量的重要參數.

圖11 壓縮機轉速對系統性能的影響Fig.11 Impacts of compressor rotate speed on system performance

在常規制冷和噴射制冷兩個工作模式下，壓縮機轉速對車用CO2空調系統性能的影響如圖11所示.實驗過程中，控制室內側干濕球溫度為27 ℃/19.5 ℃，室外側干球溫度為35 ℃，室內側風量為450 m3/h，室外側風量為 4 500 m3/h，電子膨脹閥開度為68%.由圖11可知，隨著壓縮機轉速從 3 000 r/min增加到 6 000 r/min，CO2常規系統制冷量由2.66 kW增加到4.19 kW，系統COP由2.31降低到1.36；隨著壓縮機轉速從 3 000 r/min增加到 6 000 r/min，車用CO2噴射制冷空調系統制冷量由2.57 kW增加到4.38 kW，系統COP由2.57降低到1.48.從圖11可以看出，提高壓縮機轉速可以提高系統制冷量，但當壓縮機轉速升高時，壓縮機耗功幅度增加更大，所以COP反而降低.對比兩種制冷系統，車用CO2噴射制冷空調系統的COP在各個工況下均優于常規制冷空調系統，但在低轉速工況下，噴射制冷空調系統的制冷量與常規制冷空調系統接近，甚至低于常規制冷空調系統制冷量.

3.4 電子膨脹閥開度對系統性能的影響

電子膨脹閥是調節CO2制冷系統穩定運行和提高系統能效的重要控制部件.

在常規制冷與噴射制冷兩個工作模式下，在不同閥開度時車用CO2空調系統的性能變化如圖12所示，其中s為電子膨脹閥開度.實驗過程中，控制室內側干濕球溫度為27 ℃/19.5 ℃，室外側干球溫度為35 ℃，室內側風量為450 m3/h，室外側風量為 4 500 m3/h，壓縮機轉速為 4 200 r/min.由圖12可知，當閥開度由64%逐漸增大到77%的過程中，常規制冷系統的制冷量和COP會先升高，當閥開度為68%時，系統制冷量達到最大值3.67 kW，系統COP達到最大值1.92，但超過該開度后會出現較大程度的下降.這是因為超過一定閥開度后，膨脹閥的節流效果變差，導致無法完全發揮蒸發器的性能而使制冷量下降.

圖12 膨脹閥開度對系統性能的影響Fig.12 Impacts of expansion valve on system performance

對于車用CO2噴射制冷空調系統而言(見圖12)，當閥開度由64%逐漸增大到92%時，系統制冷量和COP逐漸增大至最大值，分別為3.73 kW和2.15.當閥開度繼續增大至100%時，系統性能會出現小幅度下降.這是因為當閥開度為100%時，蒸發器出口過熱度減小，甚至變為兩相態，引射比降低導致制冷量下降.由于實驗過程中噴射器喉部直徑尺寸與噴射器入口壓力基本穩定，所以即使電子膨脹閥全開，系統制冷量和COP都不會出現較大幅度的下降.

4 結論

本文研制了一套車用CO2噴射制冷空調系統，研究了不同運行參數對該系統性能的影響.根據實驗結果，繪制了變參數系統性能變化曲線，分析了車用CO2噴射制冷空調系統的性能優勢，旨在為車用CO2噴射制冷空調系統的設計優化提供方向指導.本文獲得的主要結論有：

(1) 室內側風量是影響車用CO2噴射制冷空調系統性能的重要因素，可以通過增大室內側換熱器風量的方式提高制冷系統COP.在不同風量下，車用CO2噴射制冷空調系統較車用CO2常規制冷空調系統，提升制冷量效果并不明顯，但能夠提升系統COP 2.69%～12.60%，且風量越大，提升COP效果越明顯.

(2) 當室外側溫度較高時，車用CO2噴射制冷空調系統性能會出現急劇的衰減，設計車用CO2噴射制冷空調系統時應該充分考慮環境溫度的影響.隨著室外溫度由30 ℃升高至40 ℃，噴射制冷空調系統制冷量降低18.20%，系統COP降低31.69%.在不同室外側溫度下，噴射制冷空調系統提升制冷量并不顯著，但能夠提升系統COP 4.32%～8.54%，然而隨著室外環境溫度升高，提升效果會變差.

(3) 改變壓縮機轉速能夠顯著改變車用CO2噴射制冷空調系統制冷量和COP，低轉速時空調系統更加節能，高轉速時空調系統制冷量更大.隨著壓縮機轉速由 3 000 r/min升至 6 000 r/min，車用CO2噴射制冷空調系統制冷量由2.57 kW增加至4.38 kW，增加70.43%，系統COP由2.35降低至1.48，降低了37.02%.在低轉速工況(3 000～3 600 r/min)下，車用CO2噴射制冷空調系統制冷量低于常規制冷空調系統，而在高轉速工況(4 200～6 000 r/min)下，車用CO2噴射制冷空調系統制冷量高于常規制冷空調系統.在不同轉速工況下，車用CO2噴射制冷空調系統相較于常規制冷空調系統，能夠提高系統COP 1.65%～8.38%.

(4) 盡管噴射器具有節流降壓的作用，但在車用CO2噴射制冷空調空調系統中電子膨脹閥仍然具有存在的價值.調節電子膨脹閥開度能夠調節車用CO2噴射制冷空調系統的制冷量和COP.車用CO2噴射制冷空調系統存在最佳閥開度，當閥開度處于最優值時，系統制冷量和COP達到最大值，分別為3.73 kW和2.15.當閥開度繼續增大時，系統性能會出現小幅度下降.