二氧化碳制冷劑汽車空調(diào)

1、.二氧化碳制冷劑汽車空調(diào)293430112001 曹廣升一、 課題背景和目的 自蒙特利爾議定書簽定以來, 以CFCs 和HCFCs 等氟利昂作制冷劑的制冷空調(diào)界面臨著嚴重的挑戰(zhàn), 為了尋找合適的替代物, 全球范圍內(nèi)開展了廣泛的研究。目前推出的包括R 134a在內(nèi)的HFCs 及其混合物, 不能夠滿足長期替代的要求, 大多有較高的溫室效應指數(shù)(GWP) 等缺點。同時, 人們擔心這些化合物可能隱含著不可預知的潛在危險， 因此, 天然工質(zhì)就引起了人們的極大關注, 其中的二氧化碳因其具有良好的熱力性能和環(huán)保特性, 尤其受到了重視。過去CFC12 作為汽車空調(diào)的制冷劑，其用量約占全世界CFC12 用量的2

2、8 。汽車空調(diào)由于處于動態(tài)工作環(huán)境，負荷大，使用開式或半開式壓縮機極易引起泄漏。據(jù)測，全世界泄漏到大氣中的CFC 物質(zhì)中有34 是由于汽車空調(diào)泄漏引起的，在汽車空調(diào)裝置中用新的制冷劑來替代的任務已十分緊迫。二氧化碳是少數(shù)幾種無毒、不易燃的工質(zhì)之一， 如果泄露到大氣中, 它不會導致臭氧層空洞等問題L 與其它工質(zhì)相比, 二氧化碳具有明顯的點:(1)ODP= 0, 且GWP1 很小, 約為R134a 和R22 的千分之一。(2) 運動粘度低, 流動性大，壓縮比較低(約為2.5- 3.0) , 單位容積制冷量大。(3) 來源廣泛, 價格低廉， 維護簡單, 無須循環(huán)利用。(4) 無毒、不可燃, 對常用材

3、料沒有腐蝕性。另外，二氧化碳空調(diào)的安全保護裝置與現(xiàn)有系統(tǒng)相同；短期和長期暴露極限相當于甚至好于CFC/HCFC；破裂時釋放的能量與現(xiàn)有系統(tǒng)相當；二氧化碳的所有特性都為人熟悉，研究應用方便；系統(tǒng)質(zhì)量和體積與R134a 系統(tǒng)相當；蒸發(fā)潛熱較大，單位容積制冷量相當大；充分適用各種潤滑油和常用機器零部件材料等等優(yōu)點。當前, 人們最關心的是環(huán)境污染的問題，二氧化碳作為天然物質(zhì), 對大氣臭氧層無任何破壞作用, 其ODP= 0，至于GWP 值, 制冷系統(tǒng)本身不會產(chǎn)生二氧化碳, 只是利用它作為工質(zhì), 并且是從工業(yè)廢氣回收得到的, 用它作為制冷劑時, 其GWP 值為零，正是因為二氧化碳的這些優(yōu)點, 致使它得到人

4、們的重視和關注，不少專家預言, 二氧化碳將是二十一世紀制冷空調(diào)技術的理想制冷劑，并且已被很多國家作為汽車空調(diào)制冷劑的長期替代物進行研究。然而，由于二氧化碳的臨界壓力高而臨界溫度低，一般以二氧化碳作為汽車空調(diào)的制冷劑工作在跨臨界區(qū)域，而且壓力比較高。目前，二氧化碳制冷劑的制冷機在美國、日本和歐洲已經(jīng)有樣機，而大規(guī)模的應用還存在著許有限制，很多方面需要技術突破，相關的技術文獻也不是太多，特別是國內(nèi)的研究處于起步階段。研究二氧化碳制冷劑的汽車空調(diào)，提高其性能，降低生產(chǎn)和使用成本是一個非常有意義的工作。二、 檢索策略 檢索策略是為實現(xiàn)檢索目標而制訂的全盤計劃或方案，指導整個檢索過程，因此制定正確的檢索

5、策略非常必要。 （1）確定課題后，在分析課題的基礎上，根據(jù)課題要求和特點，確定檢索內(nèi)容的學科范圍、文獻類型、檢索年限。 （2）將與該課題相關概念陳列開來，確定中英文檢索詞，建立檢索命題。中文：二氧化碳；制冷劑；汽車空調(diào)。英文：CO2， Refrigerants， Automotive Air Conditioning （3）尋找有關資料，根據(jù)學科范圍選擇檢索工具和檢索方法，如中國知網(wǎng)、匯文、EI、google等并評估檢索結(jié)果所得資料是否和課題相關。找出檢索詞，按邏輯關系列出檢索式，制定查找程序。在檢索過程中要特別注意確定各檢索詞之間的組配方式，它是檢索策略的重要部分，關系到檢索結(jié)果的查全、查準

6、。 （4）利用資料后所列的參考書目查尋更多的資料。若所得資料和課題無關，重新將與課題相關的概念陳列開來，并建立檢索關鍵詞。若滿意所找尋到的資料，征引查獲的資料。 （5）根據(jù)查到的文獻線索獲取原始論文，可在檢索工具所附的“來源索引”、“收錄出版物一覽表”等查出刊名的全稱，然后查館藏目錄。對該課題大多數(shù)文獻原文可直接獲取。 三、 檢索過程及初步結(jié)果 1中國期刊全文數(shù)據(jù)庫中國期刊網(wǎng)是中國知識基礎設施(China National Knowledge Infrastructure，簡稱CNKI)工程的重點項目之一。中國期刊網(wǎng)上的數(shù)據(jù)庫包括理工(A、B、C 三類)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生、文史哲、經(jīng)濟法律與政治

7、、教育與社會科學、電子技術與信息科學9 個專輯。 檢索范圍：全部期刊 檢索年份：2001-2010檢索策略1：篇名：二氧化碳 檢中8452條 高級檢索：篇名：二氧化碳 and 關鍵詞：制冷劑 檢中42 篇；篇名：二氧化碳 and 關鍵詞：制冷劑 and 摘要 ：汽車空調(diào) 檢中16篇與課題相關2篇 二氧化碳汽車空調(diào) 作者 ：牟春燕; 趙萬勝; 姚美紅; 二氧化碳汽車空調(diào)系統(tǒng)應用研究進展 作者：陳江平; 穆景陽; 陳芝久; 全文下載閱讀。 在讀者推薦文章欄顯示相關10條推薦文章，選擇符合課題的進行閱讀。檢索策略2：篇名：汽車空調(diào) 檢中539篇 高級檢索：篇名：汽車空調(diào) and 篇名：二氧化碳 檢中

8、20篇 基本與策略1結(jié)果類似，可用文章相同2匯文 檢索策略1： 題名=二氧化碳 檢中11 條 檢索結(jié)果比較少，直接尋找與課題相關書目：二氧化碳制冷技術 丁國良黃冬平編著 ISBN號: 978-7-5025-9975-1 符合檢索要求索書號 條碼號 年卷期 館藏地 書刊狀態(tài) TB66/10005 90264375 - 江浦自然科學圖書借閱室 可借 TB66/10005 90264376 - 江浦自然科學圖書借閱室 可借 TB66/10005 90264378 - 江浦綜合圖書閱覽室 閱覽 TB66/10005 90264377 - 丁家橋自科借閱處 可借可以借閱檢索策略2： 主題詞=制冷劑 檢中

9、3 條 沒有與課題相關的可用圖書檢索策略3： 題名=汽車空調(diào) 檢中15條 主題詞=二氧化碳or制冷劑 檢中0條3工程索引(Ei) 美國工程索引（The Engineering Index，簡稱Ei）是檢索工程技術領域文獻的最主要工具書之一。進入Ei Compendex web界面，Ei的檢索分為Easy search(簡單檢索)、Quick search(快速檢索)和Expert search(專家檢索)。這里選擇Quick search。檢索詞： 二氧化碳= CO2汽車空調(diào)= Automotive Air Conditioning 制冷劑= Refrigerants 檢索策略1：(co2)

10、WN KY) 檢中3323條二次檢索：(co2) WN KY) AND (Automotive Air Conditioning ) WN KY) 檢中4條其中第一條和第二條與課題相關獲取原文：通過左下角 FULL TEXT LINKS鏈接獲取原文原文第一頁如下：第二篇同樣方法獲取原文，原文第一頁如下圖：檢索策略2： title = CO2 檢中731 條 二次檢索：title=co2 and abstract=Refrigerants 檢中1條 Technical and economic assessment of CO2 transportation for CCS purposes F

11、radet, Aude (Gaz de France); Saysset, Samuel; Odru, Pierre; Broutin, Paul; Ruer, Jacques; Bonnissel, Marc Source: Global Pipeline Monthly, v 3, n 6, July, 2007, 與課題關系不大檢索策略3： (Automotive Air Conditioning ) WN TI) 檢中115 條 二次檢索：(Automotive Air Conditioning ) WN TI) AND (Refrigerants) WN AB) 檢中54條(Auto

12、motive Air Conditioning ) WN TI) AND (Refrigerants) WN AB) AND (co2) WN KY) 檢中1條Experimental study on automotive cooling and heating air conditioning system using CO2 as a refrigerantTamura, Tomoichiro (Living Environment Development Center, Matsushita Electric Industrial Co. Ltd.); Yakumaru, Yuuich

13、i; Nishiwaki, Fumitoshi Source: International Journal of Refrigeration, v 28, n 8, December, 2005, p 1302-1307與研究課題相關，檢索策略1中已獲取原文。4. 搜索引擎 檢索策略1：co2 and 汽車空調(diào) and 制冷劑 檢中368條與課題相關：CO2制冷技術新發(fā)展 獲取原文，需付費。檢索策略2：汽車空調(diào) and 制冷劑 and 二氧化碳 檢中417條與課題相關二氧化碳制冷劑的應用研究 記錄為空二氧化碳汽車空調(diào)器仿真與優(yōu)化獲取原文，需付費。四、 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的綜述 二氧化碳制冷劑汽車空

14、調(diào)摘要: 綜述了二氧化碳汽車空調(diào)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀, 提出CO2作為工質(zhì)具有優(yōu)良的環(huán)保性能, 在汽車空調(diào)系統(tǒng)中無論在理論方面, 還是在部件實現(xiàn)方面, 都完全具備了可能性。關鍵詞: 二氧化碳; 汽車空調(diào); 制冷劑1概述CO2作為最早采用的制冷劑之一, 在上個世紀并直到30 年代得到了普遍使用, 隨著CFCs 的出現(xiàn), 除在船用領域一直被采用外, CO 2 很快被人們所拋棄, 這種發(fā)展的主要原因是在冷卻水溫高的熱帶地區(qū), 由于CO 2 的臨界溫度只有3111 , 采用傳統(tǒng)Perk in 蒸汽壓縮制冷循環(huán)時冷量損失較大, 且存在著飽和壓力過高, 壓縮機功耗過大的缺點, 當然這也和當時的制造水平有關。70

15、 年代, CFC 及HCFC 被發(fā)現(xiàn)破壞大氣臭氧層及溫室效應指數(shù)較高而面臨全面禁用。HFC134a也由于其溫室效應指數(shù)較高而被認為是一種過渡型的替代物。在此背景下, 采用超臨界循環(huán)的CO 2 系統(tǒng)以其優(yōu)良的環(huán)保特性、良好的傳熱性質(zhì)、較低的流動阻力及相當大的單位容積制冷量, 重新在制冷領域, 尤其在認為用新型化合替代物同樣會隱藏著不可預知潛在危險的歐洲得到了青睞。由于汽車空調(diào)易于泄漏, 其替代的任務更為迫切, 二氧化碳汽車空調(diào)的研制進展最快, 離實用化的距離也最近。美、日、歐洲都已相繼研制成功了二氧化碳汽車空調(diào)系統(tǒng)并裝車試運行, DAN FO SS、DEN SO、ZEX2EL 等已進入二氧化碳壓

16、縮機小批量生產(chǎn)階段。1996 年德國Konvek ta 公司研制出頂置式巴士空調(diào),并通過各種試驗。1999 年3 月, IEA 聯(lián)合日本、挪威、瑞典、英國和美國啟動“Selected Issue on CO2 as Working Fluid in Compression Systems”的三年計劃項目,2000 年9 月18 日在NTH 進行了第一次會議.當前環(huán)境保護問題越來越受到重視, 二氧化碳汽車空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)品一旦成熟, 必將使其它制冷工質(zhì)黯然失色, 我國汽車空調(diào)業(yè)又將面臨新的挑戰(zhàn), 為此本文對二氧化碳汽車空調(diào)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進行總結(jié), 以期為關心汽車空調(diào)發(fā)展的讀者提供參考。2超臨界循環(huán)的C

17、O 2 制冷系統(tǒng)原理20 世紀90 年代初, 挪威技術大學Lo ren tzen 教授開發(fā)了采用跨臨界制冷循環(huán)的汽車空調(diào)樣機, 并申請獲得了國際專利?？缗R界的CO 2 蒸汽壓縮制冷循環(huán)如圖1 所示, 它是一種和深度冷凍裝置中的高壓(林德) 流程氣體液化與分離裝置類似的系統(tǒng), 只不過其目的不是為了氣體液化和分離, 而是利用氣體液化后可以蒸發(fā)吸收汽化潛熱的特性以達到制冷的目的。跨臨界系統(tǒng)由壓縮機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 與儲液器A 組成封閉回路。氣體工質(zhì)在壓縮機中升壓至超臨界壓力P 2, 在p 2h 圖上為過程f2a, 然后進入氣體冷卻器中,被冷卻介質(zhì)(空氣或冷卻水)

18、所冷卻。為了提高系統(tǒng)的性能系數(shù)CO P , 出氣體冷卻器后的高壓氣體在內(nèi)部熱交換器中進一步冷卻。它是用壓縮機回氣管前面的低溫低壓蒸汽過熱這一回熱原理實現(xiàn)的, 此即過程b2c。理想情況下, 焓降hb2hc= hf2he。然后用節(jié)流閥減壓, 經(jīng)節(jié)流后的氣體被冷卻, 且部分氣體液化, 濕蒸汽進入蒸發(fā)器E 內(nèi)汽化, 吸收周圍介質(zhì)的熱量。蒸發(fā)器中的液體并不全部汽化, 而是設計成有少量液體盈余, 因此其出口狀態(tài)a 將在兩相區(qū)內(nèi), 這對提高蒸發(fā)器的傳熱效率十分有利。正因為如此, E 出口須配置儲液器, 以防止壓縮機液擊和便于壓縮機回油(專用回油管道如圖上虛線所示)。儲液器出來的低壓飽和蒸汽進入內(nèi)部熱交換器的

19、低壓側(cè)通道, 吸收高溫高壓的超臨界氣體的熱量后, 成為過熱蒸汽進入壓縮機升壓。如此周而復始完成循環(huán)。3系統(tǒng)結(jié)構及部件實現(xiàn)CO2跨臨界系統(tǒng)的工作壓力遠遠超過亞臨界循環(huán), 蒸發(fā)壓力為34 M Pa, 冷卻壓力為1011 M Pa, 這給壓縮機及管路的機械設計與密封帶來一些特殊的問題, 需要進行較大改進。CO2具有相當大的單位容積制冷量0時單位容積制冷量分別為NH3的1158 倍, 是R12 和R22的8125倍與5112倍) , 故而與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比, CO2制冷系統(tǒng)的容積流量可顯著減小, 這樣使得壓縮機的尺寸, 閥門與管道的流通面積比一般制冷系統(tǒng)小得多。同時CO2良好的熱力性質(zhì)也為設計結(jié)構緊湊、高

20、效的熱交換器提供了可能性。31壓縮機CO2和氨一樣, 其絕熱指數(shù)(K)值較高, 達1130, 這可能會產(chǎn)生壓縮機排氣溫度偏高的顧慮,但由于CO2的低壓工作壓力P0很高,正因為絕熱指數(shù)K值高, 壓比小, 可減小壓縮機余隙容積的再膨脹損失, 使壓縮機的容積效率較高。這已為文獻2 的樣機測試結(jié)果所證實。同時, 因為CO2壓縮機的吸排氣壓力均比R134a 壓縮機的大得多, 因而選擇壓縮機類型及合理的壓縮機設計顯得尤為重要。經(jīng)過實驗和理論研究, Jurgen SUB和HorstKruse認為往復式壓縮機, 主要是柱塞和軸塞式壓縮機憑借油潤滑, 在汽缸壁和活塞之間存在良好的油膜滑動密封, 成為CO2系統(tǒng)的

21、首選(圖2)。因此迄今為止, 汽車空調(diào)系統(tǒng)中使用的二氧化碳壓縮機采用往復式結(jié)構, 圖3 為DAN FO SS 研制的三缸斜盤式壓縮機、Bock 研制的兩缸立式活塞式客車空調(diào)壓縮機和日本電裝的變排量壓縮機結(jié)構。由于應用于汽車空調(diào)系統(tǒng)的CO 2 壓縮機汽缸體積小, 以及存在潛在高沖擊速度, 對傳統(tǒng)使用的簧片閥提出了挑戰(zhàn), 必須采用更為先進的閥門。Bock 將壓縮機排氣閥改良后發(fā)現(xiàn)壓縮機效率提高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, 占有整個系統(tǒng)質(zhì)量的一半及大部分體積, 應有高效、緊湊、重量輕的特點,以滿足汽車空調(diào)的特殊要求。制冷循環(huán)中的散熱由空氣冷卻

22、器完成, 其作用相當于傳統(tǒng)制冷循環(huán)中的冷凝器。在空氣冷卻器中,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。受二氧化碳物性的制約, 空氣冷卻器中制冷劑側(cè)壓力很高, 達11 M Pa 左右。另外, 由于二氧化碳處于超臨界狀態(tài), 出口溫度獨立于出口壓力, 使它可以有較大的壓降。因此, 制冷劑側(cè)往往設計成較大的流量密度和較小的管徑( 210018 mm ) 。同時,小管徑也有助于承受較高的壓力。同樣的平均溫差下, 二氧化碳和R 22 的冷卻曲線如圖4 所示。CO2的冷卻曲線特性使采用小迎風面積、長空氣流道、低空氣流速的逆流式換熱器成為可能。采用逆流式設計的氣冷器接

23、近方形, 緊湊的結(jié)構和較小的空氣流量可以使汽車空調(diào)中的空氣冷卻器不必一定放在散熱器前, 也可不放在汽車前部, 有利于汽車設計整體優(yōu)化, 也避免了增加散熱器的負荷以及車底熱空氣進入冷卻器中。圖4二氧化碳和R22 的冷卻曲線對比最初的空氣冷卻器由Loren tzen 和Pettersen于1990 1991 年推出, 為傳統(tǒng)的管片式。進一步的模型計算表明, 采用更小的管徑有助于提高換熱強度。同時, 由于對最小爆炸壓力的考慮, 也要求縮小管徑。因此, Lorentzen 和Pet tersen 在1994 年重新設計了氣冷器, 管徑減小到312 mm -210 mm。由于過小的管徑帶來制造上的困難,

24、 增加了成本。在這種情況下, 提出了銅制“平行流”空氣冷卻器的概念, 一組平行的小直徑換熱管構成一個整體以便于制造。計算和實驗都表明這種換熱器有較大的潛力, 管徑更小, 換熱強度更高, 結(jié)構更為緊湊, 成為空氣冷卻器的新標準。與空氣冷卻器類似, 最初的蒸發(fā)器也是從圓管平肋片式逐步發(fā)展到銅制“平行流”式換熱器。CO2系統(tǒng)以內(nèi)部氣體換熱器取代了原來的吸氣軟管及液體管, 采用了逆向雙管系統(tǒng), 通過壓縮機吸氣管前面的蒸汽過熱這一回熱原理實現(xiàn), 有利于提高系統(tǒng)效率, 使節(jié)流前制冷劑處于過冷狀態(tài), 保持節(jié)流機構工作穩(wěn)定。33其它CO2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

25、大為減小, 系統(tǒng)性能基本上由高壓側(cè)壓力所決定, 可以通過控制節(jié)流閥的大小調(diào)節(jié)高壓側(cè)壓力, 從而實現(xiàn)對系統(tǒng)冷量的控制。CO 2 跨臨界制冷循環(huán)具有在一定范圍內(nèi)可連續(xù)調(diào)節(jié)冷量的優(yōu)點, 受環(huán)境影響不大, 適用于汽車空調(diào)系統(tǒng)。在車室溫度較高工況下可加大制冷量, 顯著縮短打冷時間。就控制冷量能力角度來說,膨脹閥已不是簡單傳統(tǒng)意義的概念了。節(jié)流及控制元件應當根據(jù)不同汽車空調(diào)控制精度要求, 采用不同元件, 一般采用自動控制閥。在系統(tǒng)中還采用了儲液器, 用以防止壓縮機液擊和便于壓縮機回油。儲液器容量設計比實際來得大, 以滿足不同工況要求。為防止水與CO 2反應產(chǎn)生腐蝕, 應在儲液器中設置干燥器。此外, 出于C

26、O2系統(tǒng)高工作壓力和汽車空調(diào)具體特點考慮, 管路采用小口徑銅管及采用性能良好的接口, 以減少泄漏。出于安全考慮, 系統(tǒng)需要高低壓保護裝置, 壓縮機安全閥等裝置。歐洲已制訂二氧化碳汽車空調(diào)主要部件的設計標準如表1 所列。4實用化研究現(xiàn)狀二氧化碳超臨界循環(huán)理論由挪威技術學院的Lo ren tzen 教授提出, 在歐洲最先得到響應。1994 年起B(yǎng)MW、DA IML ERBEN Z、VOLVO、德國大眾、Danfoss、Valeo 等歐洲著名公司發(fā)起了名為“RACE”的聯(lián)合項目, 聯(lián)合歐洲著名高校、汽車空調(diào)制造商等研制CO 2 汽車空調(diào)系統(tǒng), 并計劃在2003年歐洲生產(chǎn)的汽車有一半裝備CO 2 汽車

27、空調(diào)系統(tǒng)。BENZ 汽車公司現(xiàn)已生產(chǎn)裝備二氧化碳汽車空調(diào)系統(tǒng)的轎車, 德國KONVECTA 生產(chǎn)的以二氧化碳為工質(zhì)的空調(diào)公交客車從1996 年運行至今。DAN 2FOSS、奧地利的Obrist、英國均已研制出二氧化碳車用壓縮機。日本的DEN SO、ZEXEL 的二氧化碳壓縮機已進入小批量生產(chǎn)階段。2000 年7 月在美國Arizona 召開的SAE年會上展出的VISTEON、CALSONIC、MODINE、DC 公司的二氧化碳汽車空調(diào)系統(tǒng)的主要性能均已超過R 134a 系統(tǒng) 8 。美國開展的研究不僅僅限于汽車空調(diào), 其在家用空調(diào)、坦克空調(diào)、超市陳列柜以及熱泵系統(tǒng)的研究也已取得明顯進展。國內(nèi)對于二氧化碳超臨界循環(huán)技術的研究也已開始, 但多數(shù)以理論分析為主。天津大學馬一太教授在獲得國家自然科學重點基金的資助, 研制二氧化碳水冷熱泵系統(tǒng); 上海交通大學車用空調(diào)工程中心與上海易初通用機器有限公司在上汽集團的支持下, 投資數(shù)百萬元開展二氧化碳汽車空調(diào)系統(tǒng)的研制工作, 目標在三年內(nèi)完成二氧化碳系統(tǒng)的裝車試驗。5小結(jié)1 CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng), 充分利用了CO2高飽和壓力, 良好的熱力性能及相當大的單位容積冷量,具有高效緊湊等特點, 適合于汽車空調(diào)。2 在CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)研究的理論和實驗方面已經(jīng)取得了不小的成就, CO2系統(tǒng)日趨成熟, 商用化指日可待。3 CO2具有優(yōu)良環(huán)