制冷劑充注量對新型換熱器汽車空調(diào)的影響

(上海交通大學制冷與低溫工程研究所 上海 200240)

汽車在現(xiàn)代社會中的地位越來越重要，而90%以上的汽車都安裝有空調(diào)系統(tǒng)。隨著人們對汽車空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能與環(huán)保的要求越來越高，對汽車空調(diào)系統(tǒng)的研究也得到越來越多的關(guān)注。各種各樣新型的汽車空調(diào)壓縮機、換熱器以及節(jié)流機構(gòu)被不斷提出并得到應(yīng)用，以及對汽車空調(diào)系統(tǒng)控制策略的改進，都使得汽車空調(diào)系統(tǒng)的性能不斷提高。與此同時，減少制冷劑的充注量也成為研究中的一個重點，汽車空調(diào)中制冷劑R134a的GWP值為1300，溫室效應(yīng)潛能比較高，充注量的減少意味著最終直接排放到環(huán)境中的制冷劑也就越少。

對于制冷劑充注量早期的研究大多集中于家用空調(diào)和商用空調(diào)[1～3]，而汽車空調(diào)系統(tǒng)中制冷劑泄露的問題更加突出，對環(huán)境的影響也更為嚴重。Eric B. Ratts 和 J. Steven Brown[4]曾對汽車空調(diào)系統(tǒng)制冷劑的充注量進行相關(guān)研究，他們主要研究制冷劑泄露對汽車空調(diào)系統(tǒng)性能的影響，并分析了各個部件的泄露比例。劉洪勝等[5]曾對CO2轎車空調(diào)系統(tǒng)制冷劑充注量對系統(tǒng)性能的影響進行實驗研究。然而目前國際上對于是否使用CO2作為新型的汽車空調(diào)制冷劑還存在爭議，目前主要使用的汽車空調(diào)制冷劑仍然為R134a。業(yè)內(nèi)許多研究人員也都把重點放在R134a系統(tǒng)性能的提升方面，因此R134a系統(tǒng)制冷劑充注量對性能的影響是亟需解決的研究課題。中國市場上2006年汽車的平均制冷劑充注量為536g，與1995年的700g相比減少了23%[6]，正是在這樣的背景下對比研究了過冷式冷凝器[7]等新型換熱器的汽車空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的充注量，以及不同充注量對各個部件以及系統(tǒng)整體性能的影響，并且在確定汽車空調(diào)系統(tǒng)制冷劑的最佳充注量的基礎(chǔ)上揭示了系統(tǒng)性能提高的根本原因。

1 實驗設(shè)備及樣件

1.1 實驗設(shè)備與條件

實驗在汽車空調(diào)焓差實驗臺上進行。實驗臺結(jié)構(gòu)如圖1，由冷凝器室，蒸發(fā)器室，壓縮機箱及控制柜等部分組成。在蒸發(fā)器室和冷凝器室內(nèi)分別有制冷系統(tǒng)和加熱加濕系統(tǒng)來控制環(huán)境狀態(tài)，并且安裝有風洞為樣件送風，在系統(tǒng)的各個測點安裝有溫度壓力傳感器采集數(shù)據(jù)并傳遞給計算機進行處理。實驗臺中各個主要數(shù)據(jù)測量的誤差見表1，各個測量值相對不確定度[8]見表2。

圖1 汽車空調(diào)綜合性能試驗臺Fig.1 Calorimeter room for mobile air conditioning

表1 實驗臺主要參數(shù)測量精度Tab.1 Measured parameters and the precision

表2 實驗主要測量結(jié)果的相對不確定度Tab.2 Uncertainties in experimental results

對系統(tǒng)充注量的研究只需對樣件工作的環(huán)境狀態(tài)，樣件的風量以及壓縮機的轉(zhuǎn)速進行設(shè)置，對樣件進出口制冷劑狀態(tài)不進行設(shè)定，這樣不同制冷劑充注量對系統(tǒng)性能的影響更加真實，更容易對比。由于試驗臺與實際汽車的管路相差比較大，為了使實驗數(shù)據(jù)更加可信，做出如下假設(shè):對于同一套空調(diào)系統(tǒng)，相同運行狀態(tài)下，焓差臺與實際汽車上的制冷劑充注量相差恒定，并以試驗數(shù)據(jù)驗證。實驗工況采用一般車輛運行的城市工況(表3)。為了保護壓縮機和保證實驗順利進行，在實驗開始之前系統(tǒng)預先充注了800g制冷劑，然后逐次增加50g制冷劑，系統(tǒng)運行穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)。實驗過程中測量制冷劑充注量的電子秤量程為30kg，測量精度為±0.1g。

表3 實驗工況Tab.3 The test condition

1.2 實驗樣件

現(xiàn)今的汽車空調(diào)系統(tǒng)中主要采用的是層疊式蒸發(fā)器和平行流冷凝器，而隨著技術(shù)的進步，微通道蒸發(fā)器和過冷式冷凝器[9]將成為今后汽車空調(diào)換熱器的發(fā)展方向。針對傳統(tǒng)的汽車空調(diào)系統(tǒng)及新型汽車空調(diào)系統(tǒng)分別進行實驗研究，兩系統(tǒng)的不同之處主要在于新型系統(tǒng)中采用了更優(yōu)化的換熱器，試驗過程中膨脹閥、壓縮機和管路均沒有任何改變。如圖2所示，經(jīng)過改進的系統(tǒng)制冷性能上與之前相比有了很大提高，制冷量提高了18%左右。

圖2 城市工況下系統(tǒng)制冷量對比Fig.2 Comparison of cooling capacity under city conditions

2 實驗結(jié)果及分析

制冷劑充注量對汽車空調(diào)系統(tǒng)性能的影響，主要看膨脹閥和貯液罐是否能夠正常發(fā)揮作用。在汽車空調(diào)系統(tǒng)中，膨脹閥根據(jù)蒸發(fā)器出口過熱度來調(diào)節(jié)開度，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的制冷劑流量。儲液罐中也可以儲存一定量液態(tài)制冷劑，達到控制系統(tǒng)制冷劑流量的目的。合適的制冷劑充注量可以在膨脹閥的作用下保證蒸發(fā)器出口有合適的過熱度，并在儲液罐的作用下保證冷凝器出口具有足夠的過冷度。

2.1 最佳充注量的確定

冷凝器出口過冷度是判斷汽車空調(diào)系統(tǒng)中制冷劑充注量是否合適的最重要的依據(jù)。實驗中傳統(tǒng)系統(tǒng)與新型系統(tǒng)冷凝器出口過冷度隨制冷劑充注量的變化曲線如圖3。可以看到在實驗的起始階段，由于制冷劑充注量較少，冷凝器出口幾乎沒有任何過冷度，這對整個制冷系統(tǒng)的性能都是很不利的。隨著制冷劑充注量的增加，冷凝器出口開始有一定的過冷度并且越來越大，在制冷劑充注量達到一定程度的時候，冷凝器出口過冷度會有一個相對穩(wěn)定的階段，這是由于儲液罐內(nèi)儲存了一定的制冷劑從而保證系統(tǒng)中制冷劑的流量比較穩(wěn)定。當系統(tǒng)中制冷劑充注量繼續(xù)增大，儲液罐被制冷劑充滿以后，冷凝器出口過冷度將迅速增大，過大的冷凝器出口過冷度可能導致蒸發(fā)器入口的制冷劑不是兩相的，從而降低蒸發(fā)器能力。根據(jù)以上分析，從圖3可以看出，過冷度變化相對平緩的位置即為最佳充注量。新型換熱器汽車空調(diào)和傳統(tǒng)汽車空調(diào)對應(yīng)的制冷劑充注量分別約為1200g與1300g。由于傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)實車充注量約為600g，則采用新型換熱器的汽車空調(diào)實車充注量應(yīng)該為500g左右。

圖3 冷凝器出口過冷度隨制冷劑充注量變化關(guān)系Fig.3 Sub-cool at the condenser outlet with the R134a charge quantity

2.2 制冷劑充注量對壓縮機運行參數(shù)的影響

圖4和圖5顯示了壓縮機排氣壓力和排氣溫度隨制冷劑充注量變化關(guān)系曲線。壓縮機的排氣溫度隨著制冷劑充注量增加而降低，排氣壓力慢慢上升。這是由于隨著制冷劑充注量的增加，壓縮機吸氣過熱度將逐漸減小，導致排氣溫度降低，此時系統(tǒng)運行比較穩(wěn)定。而隨著制冷劑充注量的進一步加大，將導致蒸發(fā)壓力提高，使得蒸發(fā)器中制冷劑的飽和溫度上升，制冷量減少。這樣即使過熱度很小還是會使壓縮機吸氣溫度較高，從而導致排氣溫度上升，排氣壓力上升也非常快。由此可見，制冷劑充注量過少或過多都會導致壓縮機排氣溫度過高，高溫可能使壓縮機內(nèi)潤滑油失效，對汽車空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行帶來不利影響。而且制冷劑充注量過多還會使壓縮機吸氣過熱度降低，使壓縮機有液擊的危險。

圖4 壓縮機排氣壓力隨制冷劑充注量的變化Fig.4 Compressor discharge pressure with the R134a charge quantity

圖5 壓縮機排氣溫度隨制冷劑充注量變化Fig.5 Compressor discharge temperature with the R134a charge quantity

2.3 制冷劑充注量與系統(tǒng)匹配性能分析

圖6顯示了傳統(tǒng)系統(tǒng)和新型系統(tǒng)中COP 隨充注量的變化關(guān)系。系統(tǒng)COP是由制冷能力和壓縮功共同決定的，隨著制冷劑充注量的增加，制冷量和壓縮功都增大，但是在起始階段傳統(tǒng)系統(tǒng)的制冷量增加的速度比壓縮功增加的速度快，所以COP呈上升的趨勢。新型系統(tǒng)的制冷量和COP都比較穩(wěn)定，說明制冷量和壓縮功增加的速度比較一致。這是因為過冷式冷凝器的儲液干燥器一般會位于最后一個(或兩個)制冷劑流路之前，與冷凝器形成模塊化結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)充注量優(yōu)化的情況下，該結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠給系統(tǒng)帶來更大的制冷劑過冷度，即使系統(tǒng)泄露較大或工況較惡劣的情況下，仍然能夠使得閥前制冷劑處于飽和或過冷狀態(tài)。在制冷劑充注量合適的情況下，新型換熱器系統(tǒng)的COP提高了約5%。此外，對于這兩種系統(tǒng)，制冷劑充注量過多都會導致系統(tǒng)COP的下降。

兩種系統(tǒng)最佳充注量時的工作循環(huán)logP-H圖如下(圖7)，可以看到新型系統(tǒng)的最佳充注量較小，但是由于冷凝壓力較高，過冷度較大，仍然可以獲得更大的制冷量，系統(tǒng)的性能更好。

圖6 COP 隨制冷劑充注量的變化關(guān)系Fig.6 COP with the R134a charge quantity

圖7 最佳充注量下系統(tǒng)循環(huán)的logP-H 圖Fig.7 The system logP-H diagram at the optimum R134a charge quantity

3 結(jié)論

1)采用過冷式冷凝器和微通道蒸發(fā)器新型換熱器汽車空調(diào)，制冷性能上與傳統(tǒng)汽車空調(diào)相比，制冷量提高了18%左右，COP提升了約5%。

2)由于過冷式冷凝器的存在，新系統(tǒng)COP在制冷劑充注量比較少的時候也保持在一個較高的水平，新型換熱器能夠保護系統(tǒng)在有一定制冷劑泄漏量的情況下運行平穩(wěn)。

3)無論是傳統(tǒng)的汽車空調(diào)系統(tǒng)還是采用了微通道蒸發(fā)器和過冷式冷凝器的新型系統(tǒng)中都存在一個最佳充注量。當系統(tǒng)充注量最佳時，在閥的作用下保證蒸發(fā)器出口過熱度穩(wěn)定，儲液罐也可以確保冷凝器出口過冷度合適，使系統(tǒng)的性能達到最優(yōu)。而傳統(tǒng)系統(tǒng)制冷劑最佳充注量為600g，新型系統(tǒng)制冷劑最佳充注量為500g，在連接管路相同的情況下，新型系統(tǒng)所需的制冷劑量更少，在獲得更優(yōu)性能的同時節(jié)約制冷劑，降低溫室氣體的排放量，達到環(huán)保的目的。

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