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二氧化碳汽车空调技术探究
发布时间:2021-11-11   来源:ydlcb  浏览次数:79次
  • 二氧化碳的相关特性:

 

CO2(R744)是我们熟悉的天然制冷剂, 临界温度 31. 1℃, 临界压力 7. 38 MPa。ODP 值为零, 不燃烧、 不爆炸, 无毒, 无已知的致癌、 致突变或其他有毒的危害影响, 对环境产生的温室效应很小, GWP 只有 1, 即只有 R134a 的1300 分之一。201 1年欧盟禁用全球变暖指数(GWP)大于150制冷剂(包括R134a)的法规即将生效, 制冷剂的替代迫在眉睫。 国际社会对自然工质, 特别是CO, 作为制冷剂的研究已经成为热点和重点。汽车空调制冷剂的泄漏, 造成环境大气中 CO2含量增大, 引起温室效应, 使全球气侯变暖。 根据“蒙特利尔协定”, 制冷剂 R12 成为首批受禁的制冷工质。 目前, R134a 广泛应用于汽车空调系统。 该制冷剂 ODP 值为零, 但 GWP(即全球变暖潜能值) 数值为 1300, 远高于欧盟提出的“GWP 不得超过 150” 的限值。 随着对环境的日益重视及可持续发展考虑, 其替代的任务更为迫切, 天然制冷剂替代合成工质成为了必然。

目前, CO 2 制冷技术主要应用在以下三方面: 一是在汽车空调中的应用, 二是在各种热泵中的应用, 三是在复叠式制冷系统中的应用。 自从CO 2 作为环保制冷剂被再次提出以来, 人们已经开发出应用于不同场合的CO 2 压缩机。相比其他工质的压缩机, CO 2压缩机的特点是工作压力高,结构尺寸小, 压比小以及吸排气压差大, 效率比较高。

 

  • 二氧化碳涡旋式制冷压缩机的性能特点是:

 

(1) 效率高。 涡旋式压缩机的吸气、 压缩、 排气过程连续单向进行, 因而吸入气体的有害过热小, 相邻两室的压差小, 气体的泄露量小。 没有余隙容积, 故不存在引起输气系数下降的膨胀过程, 而且容积效率高, 通常达到 95%以上。

(2) 震动小, 噪声小。 由于吸气、 压缩、 排气过程是同时连续进行的, 压力上升较慢, 因此转矩变化幅度小, 震动小, 噪声小。 涡旋式转矩仅为滚动转子式和往复式的 1/10。

(3) 结构简单, 体积小, 质量轻, 可靠性高。 涡旋式压缩机构成压缩室的零件数目与滚动式以及往复式的零件数目之比为 1: 3: 7, 所以涡旋式的体积比往复式小 40%, 质量轻 15%。 又由于没有吸、 排气阀, 易损零件少, 加之有轴向、径向间隙可调的柔性机构, 能避免液击造成的损失及破坏, 故涡旋式压缩机的运行可靠性高。 因此, 涡旋式制冷压缩机即使在高速运转下也能保持高效率和高可靠性, 其最高转述可达 13000r/min.

(4) 由于采用气体支撑机构, 故允许带液压缩, 一旦压缩腔内压力过高, 可使动盘和静盘端面脱离, 压力立即得以释放。

(5) 机壳内腔为排气室, 减少了吸气预热, 提高了压缩机的输气系数。

(6) 涡线体型线加工精度非常高, 必须采用专用的精密加工设备, 而且密封要求高, 密封结构复杂。

(7) 涡旋式压缩机制冷量范围为 0. 75~15KW( 不包括特殊型号), 并且多数在 3~5KW 之间, 最多应用是在小型家用空调、 汽车空调系统中。 此类压缩机不用于零下 5 度的制冷工况。

 

三、二氧化碳空调系统主要部件

(1) 压缩机

汽车空调压缩机是制冷系统的心脏, 压缩机对整个制冷系统工作性能的影响最大, 容积效率和指示效率是衡量压缩机工作性能的主要指标, 压缩过程的容积效率和指示效率主要与汽缸泄露、 气体与汽缸传热、 气阀和气腔的压力损失等因素有关。 由于 CO2 跨临界系统的高低压差大, 不易密封, 所以, CO2 汽车空调的压缩机主要有开启活塞式压缩机、 涡旋式压缩机和变排量式压缩机。 压缩机容积效率较大, 因为 CO2 压缩机压比小以及气缸内余隙容积的再膨胀行程较短, 阀打开较早。 活塞间隙的泄露是影响压缩过程中最大的因素, 泄漏损失对指示效率影响最大, 必须减小泄漏间隙的长度, 减少间隙大小可以使 CO2 压缩机具有与 R134a 压缩机相同的效率, 用油润滑的活塞环密封, 为了控制泄漏, 可将一定量的润滑油混进吸入气体中。 与常用系统相比, 吸排气阀损失对指示效率的影响很小, 因为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。

(2) 换热器

汽车空调对结构紧凑和重量轻有严格的要求。 因为它的安装空间小,同时它的重量直接关系到汽车行驶时的油耗量。 结构紧凑性的指标是每单位换热器体积的空气侧换热表面积(m2/m3)。 通常汽车空调换热器的特征如表 1 所示。 因此要求采用强化传热的高效、 轻型换热器, 通常用铝和铝合金作材料, 而不使用铜。 二氧化碳的热物性具有低粘度、 高导热性、 高蒸气密度的优点。 这些优良的性能使蒸发器, 回热器, 气体冷却器中传热效果好。 为了使 CO2 在管内流动时有一定的流速, 要求使用小管径的换热管。 因此, 微通道换热器很适合在 CO2 汽车空调中使用。

(3) 气体冷却器

在 CO2 超临界循环系统中, 高压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, 其作用相当于传统制冷循环中的冷凝器。 在气体冷却器中 CO2 的温度变化较大, 使得气体冷却器进口空气温度和出口制冷剂温度非常接近, 这自然可减少高压侧不可逆传热引起的损失。 同时为了减轻重量、 缩小尺寸及增加安全性, 所以, 气体冷却器是在传统制冷循环中冷凝器的进一步优化。

(4) 膨胀阀

CO2 汽车空调系统对膨胀阀的要求较高, 因为汽车空调系统是在动态环境条件下工作的。 一般情况下, CO2 汽车空调系统的膨胀阀由高压调节阀和手动节流阀或背压阀两个阀组成, 高压调节阀是可以进行高压侧压力控制。 膨胀阀跨临界制冷循环节流前的高压制冷剂不是冷凝液体, 环境温度对系统性能的影响较小, 正是由于 CO2 流体节流前是处于超临界状态,压力高, 节流后流体处于两相区, 压力低, 节流前后压差大, 因此, 系统性能基本上由高压侧压力所决定, 为了达到调节系统制冷量的目的, 可以通过控制膨胀阀的大小调节高压侧压力。 系统中一般采用电子膨胀阀, 因为系统压力较高, 传统的热力膨胀阀的结构很难适应。

(5) 蒸发器

蒸发器结构与气体冷却器类似, 其结构由管片式发展为平行流微通道式。 CO2 蒸发器的工作压力在 3. 4-7. 2MPa 左右, 是传统制冷剂压力的 10倍左右。

(6) 回热器

系统中的回热器大多采用简单热流体在管内流动, 冷流体在管外流动的套管式结构, 回热器的结构比较简单, 但系统性能可以得到有效提高。有关的试验研究表明, 增设回热器后, 系统的 COP值最大可以提高15%-20%,制冷量将改善 10%, 回热器的管长和管径尺寸由换热量和设计工况确定。

(7) 储液器

储液器的作用是防止压缩机液击和便于压缩机回油。 为了满足不同工况要求, 储液器容量的设计比较大。 在储液器中设置干燥器, 以防止水与CO2 反应产生腐蚀。

四、二氧化碳汽车空调的实际应用:

 

奔驰车型的二氧化碳制冷剂空调系统的功能与结构,大家都已经熟悉了R134a制冷剂空调系统,然而随着环保的要求越来越高,市场上出现了R1234yF及二氧化碳制冷剂R744(CO2)空调系统。使用这种制冷剂的目的是减少地球产生的温室效应。 目前二氧化碳制冷剂主要用于213车型带581代码及222/217 带1U6代码(除AMG及混合动力)车型。通过与R134a系统的比较,重点讲述二氧化碳制冷剂R744空调的特点。

 

(1)制冷剂的特性:

R744(CO2)   

沸点:-78℃ 

临界点:31℃

25C静态压力:6370kpa

 

GWP指数:1

系统工作压力:大约100 bar

R134a

沸点:-26℃

临界点:102℃

25C静态压力:567kpa

GWP指数:1430

系统工作压力:大约10bar

CO2 通常为气态,在温度低于31°C时可将其压缩成无色液体。在室温下大约需要60巴的压力。固态的CO2可当做所谓的干冰使用。由于CO2的物理特性,无法准确判定制冷剂回路的哪个区段的制冷剂是气态的以及哪个区段的制冷剂是液态。任何一点的制冷剂可能是气态的也可能是液态的。这本质上取决于系统中的压力和温度比,也就是载荷情况。

(2)R744 液压系统结构

与传统的R134a系统相比有两个压力传感器监控,且采用了Y148电子膨胀阀。

 

(3)液压回路

管路A处的压力和温度30-160C;50-130bar

管路B处的压力和温度0-30C;30-50bar

管路C处的压力和温度0-15C;30-50bar

管路D处的压力和温度5-35C; 50-130bar

 

管路E处的压力和温度5-55C;50-130bar

 

(4)R744 压缩机控制逻辑

制冷压缩机负责吸入和压缩制冷剂。电磁离合器集成在制冷压缩机的皮带轮中。电磁离合器可用于将制冷压缩机从皮带驱动动力传输中完全断开,从而实现额外的燃油节约。智能气候控制单元直接调节制冷压缩机电磁离合器。制冷压缩机的输出由智能气候控制单元连续调节,直至达到100%。空调系统控制单元直接促动制冷压缩机调节。

制冷压缩机在以下条件下开启:

制冷剂压力高于 26 巴;

制冷剂压力低于 93 巴;

气体冷却器上游的制冷剂温度低于 160 °C。

制冷压缩机在以下条件下不开启或关闭:

制冷剂压力低于24巴(缺少制冷剂时打开联锁装置);

 

制冷剂压力高于95巴(静态压力过高时打开联锁装置);

制冷剂压力高于140巴(过压时关闭);

气体冷却器上游的制冷剂温度高于170°C(超温时关闭)。

 

五、 二氧化碳制冷剂与其他制冷剂的比较:

 

为了方便, 我们现在将二氧化碳制冷剂与其他制冷剂进行比较, 具体数据见表1.

 

 

表1.CO2与其他制冷剂的性质比较



注:1、 由于资料有限, 表格中“—” 的数据尚未查阅到。

  1. 相对价格是对R12而言的, 这里设R12的价格为1。

 

  • 总结:

 

节能、 环保、 低碳是当今相关技术发展的方向, 作为自然工质的CO 2 由于其环保, 无毒等优点又开始被人们关注及大范围使用。 由表2可以得出结论, 首先,0-10 ℃时与常用工质相比, CO 2 制冷剂的单位容积制冷量是NH3的5. 2倍, R134a的7. 9倍; R410A的5. 4倍, R600a的8. 4倍, R152a的8. 2倍, R290的5. 8倍。 从热力学角度来看, CO 2 处于超临界流体状态, 比热大, 导热系数高, 运动黏度低的性质, 使其具有比液体和其他气体更佳的传输性能和传热特性, 传热效率高。 其次,与其他制冷剂相比, CO 2 的绝热指数较高, 跨临界制冷循环的压缩比较小, 约为2~4, 压缩过程更接近等熵过程, 有利于指示效率的提高。 接着, 从环保性角度考

虑, CO 2 与其他制冷剂对臭氧层都几乎没有破坏, 但是除了CO 2 和NH 3 , 其他制冷剂的GWP都较高, R410A更是达到了CO 2 的2100倍, 而R134a也是CO2的1300倍, 属于需要减排的温室气体, 只能作为替代工质, 不能长久使用。 而CO 2 作为一种在地球生物圈内自然存在的气体, ODP和GWP都处于最低的水平, 分别为0和1。 并且已经被证明是对人类无害的物质, 目前受到了制冷学术界和相关行业界的一致关注。 最后, 从安全性来考虑, 作为自然工质, CO 2 无毒, 不可燃, 安全等级比较高。 而NH 3 , R600a, R152a, 以及R290都具有可燃性, 安全等级不高, 它们导致的安全问题目前尚未攻破。 另外, CO 2 价格相对便宜, 具有良好的经济性。 所以综上看来, CO 2 制冷剂还是比其他制冷剂有着更好的性质, 现在也逐渐被加以应用在制冷压缩机上。 但是, 严格说来, CO 2 也不是完美无缺的, 它有着较低的临界温度(31. 1℃) 和较高的临界压力(7. 37MPa) , 这对压缩机和管道的要求都特别高, 产品的生产成本会增加。 但是, 目前各大压缩机制造商正研究改进的方法,比如采用跨临界的循环系统等。 相信, CO 2 制冷剂的发展前景比较好, 并且在今后制冷压缩机市场上起着主导作用。 许多相关业内人士认为, 二氧化碳制冷剂作

为自然工质制冷剂中的一份子, 在环保呼声高涨的特殊历史时期, 虽然历程或许艰难, 但前景却是无限美好的。


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