CO2汽車空調器

周子成

1 引 言

1977年中國汽車產量為134萬輛,2007年達到888萬輛,2010年達到1826.47萬輛,其中乘用車1375.78萬輛,遠遠超過美國,居世界第一位。

目前,不論是在我國還是在外國,幾乎每輛乘用車都安裝有空調器。汽車空調制冷劑泄漏到大氣,使環境大氣中CO2含量增大,同時,汽車空調消耗燃油變成排氣所排放的CO2也相當可觀,這些都造成大氣中的溫室效應,使全球氣侯變暖。

由于R12在全世界范圍內早已被禁止使用于汽車空調,目前極大多數汽車空調中使用的制冷劑是R134a,它的GWP是1300,排放到大氣中對環境產生相當大的溫室效應。

圖1表示全世界累計生產和釋放到大氣中的R134a的當量CO2值,按照這個趨勢,如果R134a繼續使用下去,未來大氣中的當量CO2排放量將隨著年代的增加呈拋物線上升。歐盟指令2006/40/EC規定,從2011年1月1日開始,GWP高于150的制冷劑被禁止在歐洲新生產的車型中使用。因此,限制和取代R134a在汽車空調中的使用已成為世界各汽車制造業和制冷行業共同的迫切任務。

CO2被認為是一種在汽車空調中替代R134a的理想制冷劑。它是一種自然制冷劑,不燃,無毒,無已知的致癌、致突變或其他有毒的危害影響,對環境產生的溫室效應很小,GWP只有1,即只有R134a的1300分之一。

早在1990年,挪威科學家勞倫曾教授提出了CO2跨臨界循環并獲得了專利,且與同事合作在他的研究所研制出CO2汽車空調樣機。勞倫曾與佩特森于1992年首次發表了二氧化碳應用于汽車空調上的實驗數據和實驗室樣機系統,表明它與當時流行的R12汽車空調系統相比,COP有優勢。1994年歐洲一些公司發起成立RACE聯合研究項目,聯合歐洲一些大學、研究所、汽車制造廠共同研究CO2汽車空調系統,并完成樣機試驗。該項目包括開發和安裝在汽車上的原型系統的測試結果,證實二氧化碳汽車空調具有竟爭的潛力。項目成員包括寶馬(BMW)、戴姆勒奔馳 (Daimler-Benz)、陸虎(Rover)、沃爾沃 (Volvo)、大眾 (Volkswagen)等汽車制造商,以及汽車空調系統供應商貝洱 (Behr)、法雷奧 (Valeo)和一家歐洲的壓縮機制造商丹佛斯(Danfoss)。德國汽車工業學會 (VDA)組織了幾家汽車生產廠對CO2汽車空調進行了道路試驗,證明了比R134a汽車空調節油、GWP低。1996年德國康瓦克塔公司研制出安裝在城市巴士公共汽車上的CO2空調,并進行了運行試驗。美國制冷空調中心也開發了第一代CO2汽車空調樣機,與在福特汽車上使用的R134a汽車空調相比,制冷量更大,COP更高。2002年開發并測試了第二代樣機,進一步得出同樣的結論。我國上海交大于2002年也研發出CO2汽車空調樣機。

圖1 全球累計生產和釋放到大氣中的R134a制冷劑所產生的當量CO2

2 CO2汽車空調系統及其組成部件

2.1 系統流程

圖2表示了勞倫曾與佩特森于1992年發表的CO2汽車空調系統流程和相應的p-h圖。系統由壓縮機、冷卻器、回熱器、膨脹閥、蒸發器、貯液分液器和管路組成。貯液分液器位于蒸發器的下游,以防止壓縮機濕壓縮,熱力膨脹閥控制蒸發器出口制冷劑的過熱度,避免進入壓縮機的制冷劑氣體溫度過高,虛線表示回油到壓縮機。至今的CO2汽車空調仍然使用這樣的系統。

2.2 換熱器

汽車空調對結構緊湊和重量輕有嚴格的要求。因為它的安裝空間小,同時它的重量直接關系到汽車行駛時的油耗量。

結構緊湊性的指標是每單位換熱器體積的空氣側換熱表面積(m2/m3)。通常汽車空調換熱器的特征如表1所示。因此要求采用強化傳熱的高效、輕型換熱器,通常用鋁和鋁合金作材料,而不使用銅。二氧化碳的熱物性具有低粘度、高導熱性、高蒸氣密度的優點。這些優良的性能使蒸發器,回熱器,氣體冷卻器中傳熱效果好。為了使CO2在管內流動時有一定的流速,要求使用小管徑的換熱管。因此,微通道換熱器很適合在CO2汽車空調中使用。

圖2 跨臨界循環CO2流程圖和壓焓圖

表1 汽車空調緊湊式換熱器的特征

另一方面,正確的設計可以使CO2跨臨界循環系統的氣體冷卻器與冷卻它的空氣之間實現比較大的平均換熱溫差,有利于縮小換熱器的面積,如圖3所示。圖中CO2的溫度變化有兩條曲線,實線是CO2冷卻器與R134a冷凝器按照等平均溫差設計的CO2溫度變化,虛線是按照等出口溫度設計的CO2溫度變化。

圖3 CO2氣體換熱器中制冷劑和空氣沿回路的溫度變化

圖4 a)表示了汽車空調制冷劑側傳熱系數與壁溫和制冷劑飽和溫度之差間的關系,圖4 b)表示了空氣側的傳熱系數與空氣溫度與壁溫之差間的關系,可以看出,空氣側傳熱系數只有制冷劑側傳熱系數的5%～20%,因此,空氣側換熱表面需要增加翅片。

圖4 制冷劑測的傳熱系數a)和空氣測的傳熱系數b)

圖5表示了CO2微通道換熱器空氣側的兩種翅片型式。a)是偏移條帶翅片,b)是百頁窗翅片,由于圖a)的型式加工復雜,成本較高,因此圖b)的型式使用較廣。

2.3 壓縮機

CO2汽車空調壓縮機與R134a汽車空調壓縮機不同,但壓縮機的設計基本上仍然保持與典型的R-134a的汽車空調壓縮機相似。

CO2壓縮機具有壁厚更大的外殼,更加耐用的軸封和軸承,部件與軸承間間隙更小。它的機型仍是采用斜盤/斜板或渦旋等型式,用皮帶驅動。

生產CO2壓縮機的工廠已較多,主要有Danfoss、Doowon、電裝、Bock等,均已有批量產品。

CO2壓縮機由于運轉接近臨界點,壓比是相當低的。在相同的制冷量時,CO2壓縮機的壓比只有R134a壓縮機的3/5,活塞排量只有R134a的1/7。因此,CO2壓縮機的絕熱壓縮效率和容積效率均比R134a壓縮機高。

圖6表示了由美國伊里諾依斯大學測定的CO2壓縮機和R134a壓縮機的總效率比較。可以看出,在R134a的最高轉速 (4000r/mim)時,CO2壓縮機的總效率比R134a壓縮機的總效率高79%。

圖7表示了CO2壓縮機和R134a壓縮機容積效率比較,在1000r/min時,CO2壓縮機比R134a壓縮機高13%,在2750r/min時,CO2壓縮機比 R134a壓縮機高27%。

圖8表示CO2與R134a的p-V圖。由圖8可看出,CO2的行程容積較小、余隙容積也較小,膨脹過程的容積損失也較小。

圖8 CO2與R134a的 p-V 圖

3 CO2與R134a汽車空調LCCP比較

LCCP稱為生命周期氣候性能 (Life Cycle Climate Performance)。這一概念是由美國Arthur D Little公司于1999年提出的,它是用來評價制冷劑對全球氣候變暖影響的指標。

制冷劑在汽車空調中使用時對全球氣候變暖的影響,除了考慮制冷劑的直接影響和間接影響外,還需要考慮汽車空調系統在汽車行駛時的影響。

圖9表示了裝備R-134a空調的汽車,在亞洲地區每年平均行駛15 000km時的LCCP(圖a)和燃油耗量 (圖b)。在孟買,它在15年壽命中排放出約10公噸的溫室氣體二氧化碳當量。如果汽車裝備CO2空調,溫室氣體排放量可以減少40%。現行的R134a汽車空調系統運行所需的燃料消耗量估計約為3000立升/15年,如果汽車裝備CO2空調,在新德里,因氣候比孟買暖,R134a系統的溫室氣體排放量將超過11公噸,汽車空調汽油消耗量也增大到3500立升/15年。相比之下,一臺CO2汽車空調可節省855公升汽油。一輛汽車在新德里行駛時,汽車空調的溫室氣體總排放量將比在孟買減少4.5公噸。

在中國,由于所選擇的比較城市上海和北京的氣溫均較印度低,每臺汽車空調車輛的溫室氣體總排放量比印度少。在上海,當裝備了R134a的汽車空調系統時,汽車排放量約4.8公噸。如果是CO2汽車空調系統,這個值可以減少一半以上。

圖10是在歐洲氣候R134a和CO2汽車空調的LCCP(圖a)和燃料消耗量 (圖b)。運行在歐洲南部的車輛的汽車空調系統,當每年行駛12 500km時,在其12年的運行中排放約3.5公噸溫室氣體當量值,如果R134a汽車空調系統密封性好,這個值可以減少到2.4公噸。而CO2汽車空調系統在歐洲將減少約50%的溫室氣體排放量,在中歐將減少63%的排放量。

R134a汽車空調系統每年的額外燃料消耗量與CO2汽車空調系統相比,在雅典溫暖地區約多消耗18公升汽油,歐洲北部則多消耗1公升汽油。

4 結論

CO2作為汽車空調制冷劑,從減弱對全球氣候變暖的影響、安全性好、效率高、燃料消耗量小、體積小、重量輕等方面分析,都優于當前使用的R134a制冷劑。是一種在汽車空調中使用有前途的制冷劑。

[1]Walter Reulens,Nature Refrigerant CO2,2009

[2]Almin Hafner and Petter Neska,Global environmental&economic benefits of introducing R744mobile air conditioning,MAC-summit Shanghai,2008