跨临界循环二氧化碳汽车空调研究进展

1、? 1994-2009 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. http:/专题综述跨临界循环二氧化碳汽车空调研究进展丁国良 黄冬平 张春路 陈江平 陈芝久(上海交通大学制冷与低温工程研究所,上海200030)摘要:二氧化碳作为一种自然制冷剂,可以从根本上解决汽车空调系统的cfcs替代问题。本文介绍了二氧化碳超临界循环汽车空调系统的构成与特性,以及从理论与实验研究上得到的与其它工质汽车空调系统的对比结果。本文还介绍了该系统专用的气体冷却器、 蒸发器 、 压缩机 。关键词:二氧化碳汽车空调

2、跨临界 研究进展review on application of transcritical carbon dioxidecycle in mobile air conditionersabstract :as a natural refrigerant , carbon dioxide will be a complete s olution to the problemof cfcssubsti2tution in automobile air conditioning systems. this paper illustrates the constructions and charac

3、teristics oftranscritical carbon dioxide cycle in automobile air conditioning systems, aswell assome resultscompared withother working fluids used in automobile air conditioning systems. development of special components suitablefor such system, including gas coolers, evaporatorsand compressors, is

4、also introduced.key words :carbon dioxide , automobile air conditioners, transcritical , review1、 二氧化碳作为汽车空调制冷剂的原因过去汽车空调中使用cfc12为制冷工质 ,但由于该工质破坏环境,现在一般用hfc134a来替代,我国的cfcs替代国家方案中也将hfc134a作为汽车空调中的cfcs替代工质 。hfc134a虽然不破坏臭氧层,但温室效应明显,温室效应潜能是二氧化碳的4130倍 。虽然人们可以努力合成更好的汽车空调工质,但由于工质不可避免的排放,都可能给地球的生态平衡造成破坏。因此 ,最

5、终的环保型的制冷工质应当是非人为合成的自然工质。二氧化碳是一种自然制冷剂,odp= 0 ,gwp较小 ,由于 co2可由回收工业废气得到 ,使用它不会增加环境负担。与其它制冷剂相比 ,它还有以下优点:无毒 、 不燃 ;安全保护装置与现有系统相同;短期和长期暴露极限相当于甚至好于cfc hcfc;破裂时释放的能量与现有系统相当;成本低廉,容易获得 ;co2的所有特性都为人熟悉,研究应用方便 ;系统质量和体积与r134a系统相当 ;蒸发潜热较大,单位容积制冷量相当大;运动粘度低;充分适用各种润滑油和常用机器零部件材料。由于二氧化碳具有上述优点,已被很多国家作为汽车空调制冷剂的长期替代物进行研究。2

6、、 二氧化碳汽车空调的研究概况二氧化碳在上世纪末至本世纪三十年?7?制冷学报2000年第2期? 1994-2009 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. http:/代前曾在制冷空调行业广泛使用。早年以亚临界条件下的逆循环来制冷,需要温度较低的冷却水,否则其循环的效率很低,而且限于当时的制造水平,二氧化碳系统由于承受高压而比较笨重,致使其逐渐被替代。在 cfcs替代的形势下,二氧化碳重新受到重视与前国际制冷协会主席lorentzen的大力倡导有关。他认为应该跳出通过合成制冷剂来满足eva

7、ns- perkins循环的定势 ,采用新的循环和系统来适应新的工质和新的应用条件以达到高效、 节能的要求。他在挪威 nth 研究所进行二氧化碳跨临界循环的汽车空调的样机制作,并在典型的情况下进行了实验比较。在欧洲,德国 、 丹麦等也已开展了这方面的工作,二氧化碳汽车空调装置在德国奔驰公司汽车上试用取得了较好的效果 。美国有不少研究机构也进行了这方面的研究 。伊 利 诺 斯 大 学 空 调 和 制 冷 中 心(acrc) ,在美国各大制冷空调企业的支持下 ,对于二氧化碳在汽车空调、 家用空调 、 超市冷柜等方面的应用进行了广泛的研究,建立了相应的各种实验台,得到了高于现有工质 cop的效果 。

8、美国马里兰大学也对于二氧化碳汽车空调进行了的研究。国内天津大学马一太12 、 西安交通大学林高平13 、 长沙铁道学院廖胜明14 等人也发表了有关二氧化碳制冷系统的研究论文 。上海市重视二氧化碳汽车空调系统研究 ,市科委立项并已下拨经费,由丁国良负责进行二氧化碳超临界循环汽车空调装置研究 ,上海交通大学与上海交大动力与能源工程学院另外配套设项(项目负责人分别为张春路与丁国良) 支持该项研究。3、 二氧化碳跨临界循环汽车空调系统特性3. 1 co2跨临界循环的构成90年代初,挪威的nth研究所开发了采用跨临界循环的汽车空调样机,并就样机图1二氧化碳跨临界循环与基本的cfc12系统进行了实验比较。

9、co2跨临界循环如图1 所示 ,系统由压缩机、 气体冷却器 、 内部热交换器、 蒸发器和储液器组成 。由于超临界状态下压力与温度相互独立 ,可以调节彭胀阀开度,实现高压侧压力连续调节,达到调节冷量的目的。为了提高蒸发器传热效率,蒸发器出口为湿蒸汽,然后进入储液器汽液分离以避免压缩机液击和便于压缩机回油。储液器的设置也保证了在调节彭胀阀时蒸发器不会被蒸干,同时增大了系统内部容积,避免在高环境温度下怠速时系统内的压力过高。压缩机吸气前先经过内部热交换器,保证制冷剂全部蒸发,并提高了cop值,在极高的环境温度下还可以避免冷量消失。3. 2 co2跨临界循环汽车空调系统特性的理论分析研究bhatti9

10、 研究了理 想 co2循 环 和 理 想r134a循环的性能。比较的条件为两系统的冷凝器 气体冷却器空气进口温度相同、蒸发器空气进口温度相同、 两换热器制冷剂容积流率相同,没有吸气热交换器,没有过热和过冷 。结果表明不论是怠速还是开车?8?制冷学报2000年第2期? 1994-2009 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. http:/时 ,co2循环的 cop 都不到 r134a循环的一半 ;co2循环的换热器压降比r134a循环小得多 ;co2循环的压缩机等熵效率比r134a循环高得

11、多。由此可见如果将co2循环的换热器压降设计得和r134a循环的一样,可以期望得到更好的性能。廖胜明14 和林高平13 的理论分析表明 ,存在一个使制冷系统性能系数最高的高压侧压力值,该值依赖于蒸发温度、 冷却器出口温度以及压缩机效率。在冷却压力较低时 ,尤其冷却器出口温度高时,提高吸气过热度 ;当蒸发温度和冷却器出口温度较高时 ,减小回热器的传热温差,均可有效地提高系统的性能系数。3. 3 co2跨临界循环汽车空调系统特性的实验研究挪威nth 研 究 所1 - 3对 co2系 统 和cfc12系统在怠速和开车两种典型的情况下全冷量运行进行了实验比较,系统各部件型式如表1 所示 。co2系统中

12、压缩机容积排量比较小,换热器总体尺寸与cfc12系统相当 ,但制冷剂侧面积小而空气侧面积大。在怠速和开车两种情况下冷凝器 气体冷却 器 空 气 迎 风 速 度 分 别 为 1. 0m s 和2. 5m s,在两种系统的实验中保持冷量大体相同 。乘客室的空气温度( 蒸发器进口) 和外部环境温度分别保持相等。研究结果表明 ,c o2系 统 的 cop 值 相 当 于 甚 至 好 于cfc12系统 ,而且环境温度越高或压缩机转速越低 ,差别越大 。他们把 co2系统实际性能好归结为以下几个方面:1) 压缩机中,压比范围为 2. 53. 5 ,接近最佳经济水平,等熵效率比cfc12系统高得多,压力比常

13、用系统大约高十倍,吸排气阀压力损失对系统性能的影响较小。2) co2系统中相同的换热器体积内空气侧表面积较大,空气侧压降小从而空气流量增加,co2传热特性好,蒸发器中无过热区;气体冷却器中制冷剂的温度滑移与空气的温度滑移匹配较好,出口温差减小 。3) 内部热交换器提高了系统的性能。表 1 nth 实验系统参数部件cfc12系统co2系统压缩机双转子滑片式,5个叶片几何排量150cm3三缸斜盘式,几何排量26cm3缸径18. 5mm ,冲程31. 9mm蒸发器管翅式,涨管(od8. 5mm)波纹翅片48根管6回路迎风面积200330mm深度67mm空气侧表面积4. 7m2制冷剂侧表面积0. 4m

14、2管翅式,涨管(od4. 6mm)平直翅片60根管5回路迎风面积200325mm深度67mm空气侧表面积5. 9m2制冷剂侧表面积0. 21m2气体冷却器管翅式,涨管(od8. 9mm)波纹带槽翅片50根管3回路迎风面积430570mm深度34mm空气侧表面积8. 3m2制冷剂侧表面积0. 7m2管翅式,涨管(od4. 9mm)平直翅片69根管3回路迎风面积430565mm深度34mm空气侧表面积11. 1m2制冷剂侧表面积0. 41m2美国空调和制冷中心(acrc)6 - 8也开发了二氧化碳汽车空调样机,并以一个在福特汽车上用的r134a汽车空调装置作为对比系统 ,两个装置的参数如表2 所示

15、 。与nth 研究的系统相比,采用了微通道换热器 ,蒸发器和气体冷却器的结构更加紧凑。实验结果比较表明:co2系统一般比对比系统冷量更大,在极高温度下怠速时可以调整使其提供近似相等的冷量,但 cop 值比对比系统低10 %,当室外温度低于40 时 ,?9?制冷学报2000年第2期? 1994-2009 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. http:/co2系统的 cop 值超出基准系统40 %甚至更多 。acrc8 还专门研究了吸气热交换器对二氧化碳汽车空调系统性能的影响。对带有 1.

16、 0m ,1. 5m ,2. 0m 三种长度的逆流和平行流吸气热交换器及不带吸气热交换器的系统进行了实验。吸气换热器是套管式的,热流体在内管流动,冷流体在外管流动。实验结果表明:吸气热交换器提高了cop 和制冷量 。平行流换热器的性能较差。在高环境温度下怠速的情况,由于吸气热交换器的引入而引起的性能的提高比较显著,cop增加了 26 %,冷量增加了10 %。表2acrc实验系统参数系统类型与制冷剂福特r134a系统r744样机膨胀装置节流短管手阀 背压阀压缩机类型和汽缸容积往复式,155cm3往复式,20. 7cm3冷凝器 气体冷却器型式21流程圆铝管,波纹铝翅片3流程平行流微通道,钎焊铝管质

17、量2. 0kg2. 3kg迎风面积1964cm21950cm2芯体深度 体积2. 2cm4320cm31. 65cm3320cm3空气侧表面积7. 2m25. 2m2制冷剂侧表面积0. 40m20. 49m2蒸发器型式4流程,钎焊铝板7流程平行流微通道,钎焊铝管质量1. 8kg2. 2kg迎风面积405cm2408cm2芯体深度 体积9. 2cm3720cm39. 1cm3710cm3空气侧表面积3. 5m24. 2m2制冷剂侧表面积0. 55m20. 66m2吸气热交换器型式两同轴铝管,逆流吸气热交换质量0. 7kg长度,外径1. 5m17mm4、 气体冷却器在二氧化碳超临界循环系统中,高压

18、侧是从气体直接冷却成为液体,主要的传热部分是气体的冷却,采用气体冷却器。第一台汽车空调用气体冷却器制造于1990 1991年 ,它由外径 内径 (od id) 为 4. 9mm 3. 4mm的铝管和平直铝翅片构成。这种设计存在“热短路”问题 ,即经过翅片从热管道向冷管道导热 。后来气体冷却器修改为在空气流动方向第二排管和第三排管之间加入裂缝,制冷剂进口从中间管排移到了后排管道。最初的设计中没有考虑最小破裂压力的需要 ,在后来的设计取最小破裂压力为最大系统压力的 2. 53 倍 。由于基于小直径管道的换热器所需要的管子多、 弯头多,而且小内径涨管的加工困难,成本较高,以后开发了微通道换热器6 。

19、微通道平行流换热器由垂直的积液管和水平的微通道传热管组成,如图 2 所示 。传热管插入积液管上的插槽内,折叠翅片安装在管之间 。通过在积液管中插入隔板,可以改变换热器的流程。由于 co2系统承受高压 ,为了节省材料和占地空间必须减小内?01?制冷学报2000年第2期? 1994-2009 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. http:/径 ,因而设计了 “双出口”积液管 。这样大大减少了积液管的质量和大小以及换热器的内部容积,从而减少了爆炸能量。表 4 中给出了几种气体冷却器的性能比较

20、。表3几种气体冷却器的性能比较19901991圆管1994圆管1997微通道管迎风面积m20. 2430. 2770. 290管外 内径mm4. 93. 43. 22. 00. 79管数 回路数72312010394芯体深度mm342116. 5芯体体积10- 3m38. 35. 84. 8箱体体积10- 3m38. 76. 15. 0总质量 kg4. 32. 62. 8空气侧面积m211. 19. 58. 4制冷剂侧压降bar3. 24. 71. 0出口温差k3. 73. 61. 0heun10 ,11专门研究了微通道换热器的结构和性能,以及不同的流程设计对换热器性能的影响 。研究结果表明:

21、通道的直径越小 、 通道数应越多,每个通道应长度越短,单位换热量占用的体积越小。通道形状的选择取决于设计者的目的,如果设计者要求内容积小 ,应选用圆形通道;如果要求外部容积小则应选用其它形状的通道。图2汽车空调用co2气体冷却器图3 六流程co2蒸发器五 、 蒸发器图4 汽车空调用co2蒸发器积液管和微通道传热管剖面?11?制冷学报2000年第2期? 1994-2009 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. http:/表4几种蒸发器的数据co2蒸发器r134a蒸发器19901991圆管

22、1994圆管1997微通道管迎风面积 m20. 0660.0380. 0420. 041管外 内径mm4. 63. 53. 02. 00. 79管数 回路数60514313217芯体深度 mm68879192芯体体积 10- 3m34. 53. 33. 83. 8箱体体积 10- 3m35. 03. 74. 44. 9总质量gkg2. 21. 62. 21. 9空气侧面积sam26. 05. 93. 63. 6冷量qkw5. 65. 46. 05. 3制冷剂侧压降bar1. 64. 11. 1单位质量传热量kw?kg- 12. 53. 42. 72. 8co2具有的高导热率、 低动力粘度、 高

23、定压比热特性对传热有利,而低密度比使蒸发器流体分配更加容易。表面张力小可以增强蒸发器内局部沸腾区域内的蒸发传热。蒸发器制作时就应该充分利用这些特性,提高传热性能 。co2汽车空调蒸发器的发展中,最初是机械涨管结构,以后是具有足够破裂压力的小直径圆管,进一步发展到钎焊微通道蒸发器 。圆管蒸发器虽然具有大量的平行制冷剂回路 ,制冷剂的分配仍不成问题。微通道蒸发器使液体在每个流程之后能在积液管中进行再分配,从而为沿回路流动的制冷剂流量改变提供了更大的弹性。其设计制造中的主要问题就是要有蒸发器宽管道所需要的紧凑、 重量轻 、 能承受高压的积液管。图 3 给出了六个流程蒸发器的整体设计。两个蒸发器用接头

24、将四个顶端固定在一起,这些接头充当积液管的进口或出口,其中有一个用来把制冷剂从后一部分传递到前一部分 。空气从第一排管流向第二排管,制冷剂从后排管的右侧流进,从前排管的右则流出 。表 4 中列出了以上几种蒸发器的数据。六 、 压缩机co2压缩机吸排气压差很大,克服流动阻力需要的压差相对很小,与常用系统相比吸排气阀损失对指示效率的影响也就很小。co2压缩机压比小、 汽缸内余隙容积的再膨胀行程较短,阀打开较早,所以压缩机容积效率较大 。泄漏损失对指示效率影响最大,必须减小泄漏间隙的长度,用油润滑的活塞环密封 ,并设计成大冲程缸径比。这种压缩机的缺点是难于设计具有足够流通面积的阀 ,而且阀的能量损失

25、较大。图 5 所示为德国bock 公司为汽车空调设计的开式往复式压缩机。这台压缩机是在原有的压缩机基础上改进设计的,设计中保持曲轴的负荷不变,考虑到co2系统压力很高 ,减小了活塞直径。由于曲轴本身没有修改 ,压缩机行程不变,冲程缸径比较大,达 1. 7。为了密封汽缸与曲轴,每个活塞装有四个活塞环。图 6 中为 dan foss公司制造的斜盘式压缩机实验模型示意图。?21?制冷学报2000年第2期? 1994-2009 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. http:/图5德国bock往

26、复式压缩机图6danfoss斜盘式压缩机七 、 总结二氧化碳作为一种自然制冷剂,可以从根本上解决汽车空调系统的cfcs替代 。国际上对于二氧化碳汽车空调系统的开发投入了大量的研究力量,并已有一些实用的成果 。二氧化碳临界温度低,所以二氧化碳汽车空调系统需采用超临界循环。由于二氧化碳系统压力高,蒸发潜热大,容积流量小,所以系统各部件管道的尺寸必须较小,二氧化碳的换热系数又较高,使得可以减小制冷剂侧换热面积,增加空气侧换热面积,同时保证换热量。根据这个特点开发了钎焊铝板微通道换热器。由于二氧化碳压缩机压比低 、 压力高 ,系统采用大缸径比的压缩机。尽管已有大量的人力投入二氧化碳汽车空调系统的研究,

27、仍然还有大量的研究工作没有受到重视。比如 ,超临界换热系数和压降 ,研究得较少;二氧化碳所用的微通道的尺寸比常用管道要小得多,但比电子元件中用的微通道尺寸大,在它之中的流动和换热是否具有特殊的规律目前没有人考虑过,一般都认为与大管道的规律相同。另外对微通道换热器在具体系统中的结构优化问题还未见有研究报导。参考文献 1pettersenj , lorentzen g. a newefficient anden2vironmentally benign system forautom obileairconditioning.sae transactions, 1993 , 102 (5) :135 - 1452 pettersenj. an efficient new automoblile air con2ditioning system based co2vapor com pression.ashrae transactions, 1994 , 100() : 657 - 6653 lorentzen g. the use of natural refrigerants: acomplete s olutionto thecfchcfc predica2ment. int j refrig , 1995 ,