一種汽車空調用環保制冷劑—CO2

張紅豪,黃漢濤

(鄭州科林車用空調有限公司,鄭州450000)

近幾年來氣候的變化對人類生存環境的影響越來越大,給世界很多國家都造成過了巨大的經濟損失,為保護臭氧層并減緩溫室效應對氣候變化的影響,對汽車空調用環保制冷劑又有了新的要求。HFCS是當前最具環境隱患的含氟溫室氣體,面對HFCS的影響,國際社會已形成對其進行法律或政策規范的趨勢,國際綠色和平組織呼吁國際各國逐步淘汰氫氟碳化物 (HFCS)R-134a;歐盟于2006年7月4日起正式實施出臺了關于汽車空調系統排放物的法規DIRECTIVE 2006/40/EC,該法規要求,自2011年1月1日起,在歐盟境內生產和銷售的所有新的設計車型,不允許使用GWP值大于150的制冷劑;自2017年1月1日起,在歐盟境內生產和銷售的所有新車,禁止使用GWP值大于150的制冷劑;并要求其成員國自2007年7月4日起出臺一系列措施限制HFCS、PFCS和SF6的使用。由于目前行業內廣泛使用的 R134a制冷劑的GWP值為1300,因此制冷劑R134a的逐步淘汰、新的低GWP值的制冷劑的使用將成為必然趨勢,目前各國都在積極尋找一種新的并且能一勞永逸的環保制冷劑。在新型環保制冷劑方面,介紹一種無污染的自然制冷劑—CO2(R744)。

1 CO2熱力學參數

二氧化碳 (CO2)的臨界溫度304.2K,臨界壓力7.39MPa,蒸發熱573.5kJ/kg(沸點),由于CO2的臨界溫度很低,因此CO2的放熱過程不是在兩相區冷凝,而是在接近或超過臨界點的區域的氣體冷卻器中放熱。在CO2跨臨界制冷循環中,其放熱過程為變溫過程,有較大的溫度滑移。這種溫度滑移正好與所需的變溫熱源相匹配,是一種特殊的勞倫茲循環,圖1是該制冷劑的熱力學參數 (T-P)。

圖1 CO2T-P圖

2 CO2自然制冷劑優點

自然制冷劑環境參數良好,GWP值為零,ODP值也為零,無毒性,不可燃,存在于空氣中,植物光合作用的產物,資源豐富,良好的自然制冷劑,由于其良好的自然性,不用考慮像 HCFCS、和HFCS等化學制冷劑因泄漏造成污染環境問題。

自然制冷劑具有與制冷循環和設備相適應的熱力學性質。蒸發潛熱較大,單位容積制冷量相當高。具有良好的輸運和傳熱性質。導熱系數較高,黏度較低,比熱容較大。液體密度和蒸氣密度值比較小,在低壓下兩相流動較為均勻,有利于節流后各回路間制冷劑的均勻分配,較小的表面張力能夠提高沸騰區的蒸發換熱系數。優良的流動和傳熱特性,可顯著減小壓縮機與系統地尺寸,使整個系統非常緊湊[1]。

3 CO2制冷劑制冷性能特性

圖2是各制冷劑溫度和壓力對比曲線圖。由于CO2跨臨界循環的工作壓力較高,高壓可達10MPa,約為傳統工質CFCs或HCFCs系統壓力的6～8倍,所以系統中工質流經的管路系統要通過安全性檢驗。但是由于CO2的容積制冷量為R134a的8倍,系統所需CO2的容積流量很小,而爆炸能為壓力和容積的函數,因此系統的工質壓力P雖高,但是容積V較小,所以爆炸能增加并不大,以可靠性理論為依據,根據CO2跨臨界制冷系統管路可靠性的不同影響因素及其變化規律,對不同管材情況下的可靠性進行深入地研究與分析,得到如下結論:當管路系統的管外徑給定時,只要合理地選擇管材和管壁厚度,就能保證系統在給定壓力下運行的可靠性及安全性,CO2跨臨界循環較高的運行壓力是可以得到合理解決的;現有鋼管基本可以直接應用,而現有銅管則需根據外徑和壁厚經安全性分析后選用[2]。因此安全性問題不是阻礙CO2臨界循環應用的關鍵問題。

圖2 制冷劑溫度和壓力對比曲線圖

4 CO2制冷劑的經濟性

從經濟角度考慮,自然制冷劑CO2(R744)來源比較廣泛,十分劃算。

(1)許多自然制冷劑都并不昂貴 (例如CO2),甚至有一些比HFCS還要便宜。在自然界廣泛存在,獲取比較方便。

(2)自然制冷劑CO2(R744)的蒸發潛熱較大,單位容積制冷量相當高,故壓縮機及部件尺寸較小;絕熱指數較高K=1.30,壓縮機壓比約為2.5～3.0,比其它制冷系統低,容積效率相對較大,接近于最佳經濟水平,有很大的發展潛力。

(3)由于具有低密度和高潛熱的特點,對于同個系統來說,從圖3可以看出它所需的充注量是HFCS、HCFCS的一半,性價比更高一些。

(4)隨著國際資源價格上漲,油價越來越高,司機越來越關注汽車的百公里耗油量 (L/100km),圖4是在同等制冷狀態下R134a和 R744耗油量比較。對某客車廠家客車運行進行實際跟蹤測試,經分析得出圖 4結果。從圖4可以看出百公里耗油量R744明顯低于R134a,環境溫度20℃時,耗油量節省54%,當環境溫度28℃時,耗油量節省45%,當環境溫度35℃時,耗油量節省14%。中國氣候溫度分布集中在28℃左右,因此節油效果比較顯著。

圖3 制冷劑充注量比較 (以R22為基準,kg)

圖4 R134a和R744耗油量測試比較

(5)雖然根據投資類型和企業規模的不同,應用CO2制冷劑對企業初期投入也許較高,但從中長期考慮,CO2制冷劑在空氣中存在,無污染,無須考慮像HCFCS和HFCS等化學制冷劑的泄漏風險,維護費用比較低,更為節能,對廢機的后期處理費用也相對便宜。

5 CO2制冷劑在客車空調的應用前景

積極推動應對全球氣候變化的歐洲各國,通過頒布各種規定和法令限制HFCS制冷劑的使用,同時倡導推廣環境友好的自然制冷劑 (例如 R744)的應用。

圖5 成本與效率的關系示意圖

2009年12月份,筆者在德國參觀當地某知名壓縮機生產廠,并和該廠家技術負責人進行了交流,該負責人介紹說他們已對R744在客車空調用壓縮機上做了各種試驗,從試驗結果分析能滿足客車制冷需要,技術已經成熟,并且在北歐一些國家運行的客車上已經開始使用這種壓縮機,正在等待政府出臺相關的政策。

6 結束語

隨著氣候變化對人類生存環境影響越來越大,特別是地震、海嘯、雪災、水災的發生,使各國政府更加越來越重視環境污染這個問題,我國剛剛制定的 “十二五”規劃,在規劃內有關部門制定了詳細的節能減排指標,號召國民加強節能減排和環保意識,并大力支持和扶持節能減排和環保型企業;作為對環境有污染的一種制冷劑,R134a制冷劑被新型環保制冷劑逐步替代使用已提上日程。

[1] Lorentzen G.The use of natural refrigetants;a complete solution to the CFC/HCFC predicament.Int JRefrig,1995

[2] 王侃宏.二氧化碳跨臨界循環的理論分析和試驗研究[D].天津:天津大學,2000