二氧化碳制冷剂汽车空调.doc

二氧化碳制冷剂汽车空调293430112001 曹广升一、 课题背景和目的 自蒙特利尔议定书签定以来, 以CFCs 和HCFCs 等氟利昂作制冷剂的制冷空调界面临着严重的挑战, 为了寻找合适的替代物, 全球范围内开展了广泛的研究。目前推出的包括R 134a在内的HFCs 及其混合物, 不能够满足长期替代的要求, 大多有较高的温室效应指数(GWP) 等缺点。同时, 人们担心这些化合物可能隐含着不可预知的潜在危险， 因此, 天然工质就引起了人们的极大关注, 其中的二氧化碳因其具有良好的热力性能和环保特性, 尤其受到了重视。过去CFC12 作为汽车空调的制冷剂，其用量约占全世界CFC12 用量的28 。汽车空调由于处于动态工作环境，负荷大，使用开式或半开式压缩机极易引起泄漏。据测，全世界泄漏到大气中的CFC 物质中有34 是由于汽车空调泄漏引起的，在汽车空调装置中用新的制冷剂来替代的任务已十分紧迫。二氧化碳是少数几种无毒、不易燃的工质之一， 如果泄露到大气中, 它不会导致臭氧层空洞等问题L 与其它工质相比, 二氧化碳具有明显的点:(1)ODP= 0, 且GWP1 很小, 约为R134a 和R22 的千分之一。(2) 运动粘度低, 流动性大，压缩比较低(约为2.5- 3.0) , 单位容积制冷量大。(3) 来源广泛, 价格低廉， 维护简单, 无须循环利用。(4) 无毒、不可燃, 对常用材料没有腐蚀性。另外，二氧化碳空调的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；二氧化碳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；充分适用各种润滑油和常用机器零部件材料等等优点。当前, 人们最关心的是环境污染的问题，二氧化碳作为天然物质, 对大气臭氧层无任何破坏作用, 其ODP= 0，至于GWP 值, 制冷系统本身不会产生二氧化碳, 只是利用它作为工质, 并且是从工业废气回收得到的, 用它作为制冷剂时, 其GWP 值为零，正是因为二氧化碳的这些优点, 致使它得到人们的重视和关注，不少专家预言, 二氧化碳将是二十一世纪制冷空调技术的理想制冷剂，并且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。然而，由于二氧化碳的临界压力高而临界温度低，一般以二氧化碳作为汽车空调的制冷剂工作在跨临界区域，而且压力比较高。目前，二氧化碳制冷剂的制冷机在美国、日本和欧洲已经有样机，而大规模的应用还存在着许有限制，很多方面需要技术突破，相关的技术文献也不是太多，特别是国内的研究处于起步阶段。研究二氧化碳制冷剂的汽车空调，提高其性能，降低生产和使用成本是一个非常有意义的工作。二、 检索策略 检索策略是为实现检索目标而制订的全盘计划或方案，指导整个检索过程，因此制定正确的检索策略非常必要。 （1）确定课题后，在分析课题的基础上，根据课题要求和特点，确定检索内容的学科范围、文献类型、检索年限。 （2）将与该课题相关概念陈列开来，确定中英文检索词，建立检索命题。中文：二氧化碳；制冷剂；汽车空调。英文：CO2， Refrigerants， Automotive Air Conditioning （3）寻找有关资料，根据学科范围选择检索工具和检索方法，如中国知网、汇文、EI、google等并评估检索结果所得资料是否和课题相关。找出检索词，按逻辑关系列出检索式，制定查找程序。在检索过程中要特别注意确定各检索词之间的组配方式，它是检索策略的重要部分，关系到检索结果的查全、查准。 （4）利用资料后所列的参考书目查寻更多的资料。若所得资料和课题无关，重新将与课题相关的概念陈列开来，并建立检索关键词。若满意所找寻到的资料，征引查获的资料。 （5）根据查到的文献线索获取原始论文，可在检索工具所附的“来源索引”、“收录出版物一览表”等查出刊名的全称，然后查馆藏目录。对该课题大多数文献原文可直接获取。 三、 检索过程及初步结果 1中国期刊全文数据库中国期刊网是中国知识基础设施(China National Knowledge Infrastructure，简称CNKI)工程的重点项目之一。中国期刊网上的数据库包括理工(A、B、C 三类)、农业、医药卫生、文史哲、经济法律与政治、教育与社会科学、电子技术与信息科学9 个专辑。 检索范围：全部期刊 检索年份：2001-2010检索策略1：篇名：二氧化碳 检中8452条 高级检索：篇名：二氧化碳 and 关键词：制冷剂 检中42 篇；篇名：二氧化碳 and 关键词：制冷剂 and 摘要 ：汽车空调 检中16篇与课题相关2篇 二氧化碳汽车空调 作者 ：牟春燕; 赵万胜; 姚美红; 二氧化碳汽车空调系统应用研究进展 作者：陈江平; 穆景阳; 陈芝久; 全文下载阅读。 在读者推荐文章栏显示相关10条推荐文章，选择符合课题的进行阅读。检索策略2：篇名：汽车空调 检中539篇 高级检索：篇名：汽车空调 and 篇名：二氧化碳 检中20篇 基本与策略1结果类似，可用文章相同2汇文 检索策略1： 题名=二氧化碳 检中11 条 检索结果比较少，直接寻找与课题相关书目：二氧化碳制冷技术 丁国良黄冬平编著 ISBN号: 978-7-5025-9975-1 符合检索要求索书号 条码号 年卷期 馆藏地 书刊状态 TB66/10005 90264375 - 江浦自然科学图书借阅室 可借 TB66/10005 90264376 - 江浦自然科学图书借阅室 可借 TB66/10005 90264378 - 江浦综合图书阅览室 阅览 TB66/10005 90264377 - 丁家桥自科借阅处 可借可以借阅检索策略2： 主题词=制冷剂 检中3 条 没有与课题相关的可用图书检索策略3： 题名=汽车空调 检中15条 主题词=二氧化碳or制冷剂 检中0条3工程索引(Ei) 美国工程索引（The Engineering Index，简称Ei）是检索工程技术领域文献的最主要工具书之一。进入Ei Compendex web界面，Ei的检索分为Easy search(简单检索)、Quick search(快速检索)和Expert search(专家检索)。这里选择Quick search。检索词： 二氧化碳= CO2汽车空调= Automotive Air Conditioning 制冷剂= Refrigerants 检索策略1：(co2) WN KY) 检中3323条二次检索：(co2) WN KY) AND (Automotive Air Conditioning ) WN KY) 检中4条其中第一条和第二条与课题相关获取原文：通过左下角 FULL TEXT LINKS链接获取原文原文第一页如下：第二篇同样方法获取原文，原文第一页如下图：检索策略2： title = CO2 检中731 条 二次检索：title=co2 and abstract=Refrigerants 检中1条 Technical and economic assessment of CO2 transportation for CCS purposes Fradet, Aude (Gaz de France); Saysset, Samuel; Odru, Pierre; Broutin, Paul; Ruer, Jacques; Bonnissel, Marc Source: Global Pipeline Monthly, v 3, n 6, July, 2007, 与课题关系不大检索策略3： (Automotive Air Conditioning ) WN TI) 检中115 条 二次检索：(Automotive Air Conditioning ) WN TI) AND (Refrigerants) WN AB) 检中54条(Automotive Air Conditioning ) WN TI) AND (Refrigerants) WN AB) AND (co2) WN KY) 检中1条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, Yuuichi; Nishiwaki, Fumitoshi Source: International Journal of Refrigeration, v 28, n 8, December, 2005, p 1302-1307与研究课题相关，检索策略1中已获取原文。4. 搜索引擎 检索策略1：co2 and 汽车空调 and 制冷剂 检中368条与课题相关：CO2制冷技术新发展 获取原文，需付费。检索策略2：汽车空调 and 制冷剂 and 二氧化碳 检中417条与课题相关二氧化碳制冷剂的应用研究 记录为空二氧化碳汽车空调器仿真与优化获取原文，需付费。四、 国内外研究现状的综述 二氧化碳制冷剂汽车空调摘要: 综述了二氧化碳汽车空调系统的研究现状, 提出CO2作为工质具有优良的环保性能, 在汽车空调系统中无论在理论方面, 还是在部件实现方面, 都完全具备了可能性。关键词: 二氧化碳; 汽车空调; 制冷剂1概述CO2作为最早采用的制冷剂之一, 在上个世纪并直到30 年代得到了普遍使用, 随着CFCs 的出现, 除在船用领域一直被采用外, CO 2 很快被人们所抛弃, 这种发展的主要原因是在冷却水温高的热带地区, 由于CO 2 的临界温度只有3111 , 采用传统Perk in 蒸汽压缩制冷循环时冷量损失较大, 且存在着饱和压力过高, 压缩机功耗过大的缺点, 当然这也和当时的制造水平有关。70 年代, CFC 及HCFC 被发现破坏大气臭氧层及温室效应指数较高而面临全面禁用。HFC134a也由于其温室效应指数较高而被认为是一种过渡型的替代物。在此背景下, 采用超临界循环的CO 2 系统以其优良的环保特性、良好的传热性质、较低的流动阻力及相当大的单位容积制冷量, 重新在制冷领域, 尤其在认为用新型化合替代物同样会隐藏着不可预知潜在危险的欧洲得到了青睐。由于汽车空调易于泄漏, 其替代的任务更为迫切, 二氧化碳汽车空调的研制进展最快, 离实用化的距离也最近。美、日、欧洲都已相继研制成功了二氧化碳汽车空调系统并装车试运行, DAN FO SS、DEN SO、ZEX2EL 等已进入二氧化碳压缩机小批量生产阶段。1996 年德国Konvek ta 公司研制出顶置式巴士空调,并通过各种试验。1999 年3 月, IEA 联合日本、挪威、瑞典、英国和美国启动“Selected Issue on CO2 as Working Fluid in Compression Systems”的三年计划项目,2000 年9 月18 日在NTH 进行了第一次会议.当前环境保护问题越来越受到重视, 二氧化碳汽车空调系统产品一旦成熟, 必将使其它制冷工质黯然失色, 我国汽车空调业又将面临新的挑战, 为此本文对二氧化碳汽车空调系统的研究现状进行总结, 以期为关心汽车空调发展的读者提供参考。2超临界循环的CO 2 制冷系统原理20 世纪90 年代初, 挪威技术大学Lo ren tzen 教授开发了采用跨临界制冷循环的汽车空调样机, 并申请获得了国际专利。跨临界的CO 2 蒸汽压缩制冷循环如图1 所示, 它是一种和深度冷冻装置中的高压(林德) 流程气体液化与分离装置类似的系统, 只不过其目的不是为了气体液化和分离, 而是利用气体液化后可以蒸发吸收汽化潜热的特性以达到制冷的目的。跨临界系统由压缩机C、气体冷却器G、内部热交换器I、节流阀V、蒸发器E 与储液器A 组成封闭回路。气体工质在压缩机中升压至超临界压力P 2, 在p 2h 图上为过程f2a, 然后进入气体冷却器中,被冷却介质(空气或冷却水) 所冷却。为了提高系统的性能系数CO P , 出气体冷却器后的高压气体在内部热交换器中进一步冷却。它是用压缩机回气管前面的低温低压蒸汽过热这一回热原理实现的, 此即过程b2c。理想情况下, 焓降hb2hc= hf2he。然后用节流阀减压, 经节流后的气体被冷却, 且部分气体液化, 湿蒸汽进入蒸发器E 内汽化, 吸收周围介质的热量。蒸发器中的液体并不全部汽化, 而是设计成有少量液体盈余, 因此其出口状态a 将在两相区内, 这对提高蒸发器的传热效率十分有利。正因为如此, E 出口须配置储液器, 以防止压缩机液击和便于压缩机回油(专用回油管道如图上虚线所示)。储液器出来的低压饱和蒸汽进入内部热交换器的低压侧通道, 吸收高温高压的超临界气体的热量后, 成为过热蒸汽进入压缩机升压。如此周而复始完成循环。3系统结构及部件实现CO2跨临界系统的工作压力远远超过亚临界循环, 蒸发压力为34 M Pa, 冷却压力为1011 M Pa, 这给压缩机及管路的机械设计与密封带来一些特殊的问题, 需要进行较大改进。CO2具有相当大的单位容积制冷量0时单位容积制冷量分别为NH3的1158 倍, 是R12 和R22的8125倍与5112倍) , 故而与传统系统相比, CO2制冷系统的容积流量可显著减小, 这样使得压缩机的尺寸, 阀门与管道的流通面积比一般制冷系统小得多。同时CO2良好的热力性质也为设计结构紧凑、高效的热交换器提供了可能性。31压缩机CO2和氨一样, 其绝热指数(K)值较高, 达1130, 这可能会产生压缩机排气温度偏高的顾虑,但由于CO2的低压工作压力P0很高,正因为绝热指数K值高, 压比小, 可减小压缩机余隙容积的再膨胀损失, 使压缩机的容积效率较高。这已为文献2 的样机测试结果所证实。同时, 因为CO2压缩机的吸排气压力均比R134a 压缩机的大得多, 因而选择压缩机类型及合理的压缩机设计显得尤为重要。经过实验和理论研究, Jurgen SUB和HorstKruse认为往复式压缩机, 主要是柱塞和轴塞式压缩机凭借油润滑, 在汽缸壁和活塞之间存在良好的油膜滑动密封, 成为CO2系统的首选(图2)。因此迄今为止, 汽车空调系统中使用的二氧化碳压缩机采用往复式结构, 图3 为DAN FO SS 研制的三缸斜盘式压缩机、Bock 研制的两缸立式活塞式客车空调压缩机和日本电装的变排量压缩机结构。由于应用于汽车空调系统的CO 2 压缩机汽缸体积小, 以及存在潜在高冲击速度, 对传统使用的簧片阀提出了挑战, 必须采用更为先进的阀门。Bock 将压缩机排气阀改良后发现压缩机效率提高7%。3.2热交换器CO2汽车空调系统热交换器包括蒸发器、气体冷却器和内部气体换热器, 占有整个系统质量的一半及大部分体积, 应有高效、紧凑、重量轻的特点,以满足汽车空调的特殊要求。制冷循环中的散热由空气冷却器完成, 其作用相当于传统制冷循环中的冷凝器。在空气冷却器中,二氧化碳工作在超临界状态下, 始终处于气态, 并不发生一般冷凝器中的冷凝液化过程。受二氧化碳物性的制约, 空气冷却器中制冷剂侧压力很高, 达11 M Pa 左右。另外, 由于二氧化碳处于超临界状态, 出口温度独立于出口压力, 使它可以有较大的压降。因此, 制冷剂侧往往设计成较大的流量密度和较小的管径( 210018 mm ) 。同时,小管径也有助于承受较高的压力。同样的平均温差下, 二氧化碳和R 22 的冷却曲线如图4 所示。CO2的冷却曲线特性使采用小迎风面积、长空气流道、低空气流速的逆流式换热器成为可能。采用逆流式设计的气冷器接近方形, 紧凑的结构和较小的空气流量可以使汽车空调中的空气冷却器不必一定放在散热器前, 也可不放在汽车前部, 有利于汽车设计整体优化, 也避免了增加散热器的负荷以及车底热空气进入冷却器中。图4二氧化碳和R22 的冷却曲线对比最初的空气冷却器由Loren tzen 和Pettersen于1990 1991 年推出, 为传统的管片式。进一步的模型计算表明, 采用更小的管径有助于提高换热强度。同时, 由于对最小爆炸压力的考虑, 也要求缩小管径。因此, Lorentzen 和Pet tersen 在1994 年重新设计了气冷器, 管径减小到312 mm -210 mm。由于过小的管径带来制造上的困难, 增加了成本。在这种情况下, 提出了铜制“平行流”空气冷却器的概念, 一组平行的小直径换热管构成一个整体以便于制造。计算和实验都表明这种换热器有较大的潜力, 管径更小, 换热强度更高, 结构更为紧凑, 成为空气冷却器的新标准。与空气冷却器类似, 最初的蒸发器也是从圆管平肋片式逐步发展到铜制“平行流”式换热器。CO2系统以内部气体换热器取代了原来的吸气软管及液体管, 采用了逆向双管系统, 通过压缩机吸气管前面的蒸汽过热这一回热原理实现, 有利于提高系统效率, 使节流前制冷剂处于过冷状态, 保持节流机构工作稳定。33其它CO2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大为减小, 系统性能基本上由高压侧压力所决定, 可以通过控制节流阀的大小调节高压侧压力, 从而实现对系统冷量的控制。CO 2 跨临界制冷循环具有在一定范围内可连续调节冷量的优点, 受环境影响不大, 适用于汽车空调系统。在车室温度较高工况下可加大制冷量, 显著缩短打冷时间。就控制冷量能力角度来说,膨胀阀已不是简单传统意义的概念了。节流及控制元件应当根据不同汽车空调控制精度要求, 采用不同元件, 一般采用自动控制阀。在系统中还采用了储液器, 用以防止压缩机液击和便于压缩机回油。储液器容量设计比实际来得大, 以满足不同工况要求。为防止水与CO 2反应产生腐蚀, 应在储液器中设置干燥器。此外, 出于CO2系统高工作压力和汽车空调具体特点考虑, 管路采用小口径铜管及采用性能良好的接口, 以减少泄漏。出于安全考虑, 系统需要高低压保护装置, 压缩机安全阀等装置。欧洲已制订二氧化碳汽车空调主要部件的设计标准如表1 所列。4实用化研究现状二氧化碳超临界循环理论由挪威技术学院的Lo ren tzen 教授提出, 在欧洲最先得到响应。1994 年起BMW、DA IML ERBEN Z、VOLVO、德国大众、Danfoss、Valeo 等欧洲著名公司发起了名为“RACE”的联合项目, 联合欧洲著名高校、汽车空调制造商等研制CO 2 汽车空调系统, 并计划在2003年欧洲生产的汽车有一半装备CO 2 汽车空调系统。BENZ 汽车公司现已生产装备二氧化碳汽车空调系统的轿车, 德国KONVECTA 生产的以二氧化碳为工质的空调公交客车从1996 年运行至今。DAN 2FOSS、奥地利的Obrist、英国均已研制出二氧化碳车用压缩机。日本的DEN SO、ZEXEL 的二氧化碳压缩机已进入小批量生产阶段。2000 年7 月在美国Arizona 召开的SAE年会上展出的VISTEON、CALSONIC、MODINE、DC 公司的二氧化碳汽车空调系统的主要性能均已超过R 134a 系统 8 。美国开展的研究不仅仅限于汽车空调, 其在家用空调、坦克空调、超市陈列柜以及热泵系统的研究也已取得明显进展。国内对于二氧化碳超临界循环技术的研究也已开始, 但多数以理论分析为主。天津大学马一太教授在获得国家自然科学重点基金的资助, 研制二氧化碳水冷热泵系统; 上海交通大学车用空调工程中心与上海易初通用机器有限公司在上汽集团的支持下, 投资数百万元开展二氧化碳汽车空调系统的研制工作, 目标在三年内完成二氧化碳系统的装车试验。5小结1 CO2跨临界循环系统, 充分利用了CO2高饱和压力, 良好的热力性能及相当大的单位容积冷量,具有高效紧凑等特点, 适合于汽车空调。2 在CO2跨临界循环系统研究的理论和实验方面已经取得了不小的成就, CO2系统日趋成熟, 商用化指日可待。3 CO2具有优良环保性能, 从安全方面考虑, 汽车空调中CO2 虽然压力高, 但其体积很小, 即使在部件破裂的情况下, 制冷剂侧容积不到2L 的CO2汽车空调机所释放出来的潜在能量还赶不上一个典型的CO2灭火器释放的多, 在保护系统的监控与保护下, 机械系统的安全性是完全可靠的。4 CO2系统结构与原车用空调系统有明显不同, 高压侧压力、回热换热量等系统循环参数对系统COP影响显著, 必须对系统热力循环进行优化设计。5 以CO2作为工质的汽车空调系统, 无论在理论方面, 还是在部件实现方面, 都完全具备了可能性。参考文献1 牟春燕，赵万胜，姚美红. 二氧化碳汽车空调. 汽车电器. 20062 范晓伟，张定才. 二氧化碳汽车空调若干技术关键 汽车技术. 2002.6.203 陈江平, 穆景阳, 陈芝久. 二氧化碳汽车空调系统应用研究进展. 低温与特气2001.4.4 丁国良，黄冬平. 二氧化碳制冷技术. 5 Hongsheng Liu, Jiangping Chen and Zhijiu Chen. Experimental investigation of a CO2 automotive air conditioner.2004.11.6 Tomoichiro Tamura, Yuuichi Yakumaru and Fumitoshi Nishiwaki. Experimental study on automotive cooling and heating air conditioning system using CO2 as a refrigerant. 2005.2. 7 陈江平. 新型高致的跨临界二氧化碳汽车空调系挽. 制冷技术. 2002.3.8 彭梦珑，胡烨, 二氧化碳制冷剂的应用研究. 长沙铁道学院学报. 2000.12.9 朱明善. 21 世纪制冷空调行业绿色环保制冷剂的趋势与展望. 暖通空调. 2000.10 陈江平. 国外汽车空调系统技术发展趋势. 制冷技术. 2002.11 黄冬平，丁国良. 二氧化碳汽车空调器变工况性能分析. 流体机械. 2000.12 郝红，熊国华. 制冷剂研究现状及发展动向. 化工进展. 2001.