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1998年第1期能源研究与利用·11··节能技术与产品·固体吸附制冷汽车空调的研制张立志王玲大连理工大学内燃机研究所〔提要〕本文介绍了汽车空调的发展概况及其对生态环境的不良影响,分析了目前汽车空调压缩制冷的替代工质的研究进展,探讨了国外几种采用自然工质的新型汽车空调制冷方式的性能特点。通过对汽车余热和空调负荷的分析,对一种新的汽车空调制冷方式———余热固体吸附制冷进行了可行性分析。一、引言当前全球性的环境问题引起了世界各国的普遍关注,从1972年联合国召开第一次国际环境会议(斯德哥尔摩)并通过《人类环境宣言》起,日益恶化的生态危机已成为全人类共同的话题。从《内罗毕宣言》到《里约环境与发展宣言》及《21世纪议程》,世界各国都认识到全人类必须共同行动起来,保护自己的家园。在经济增长方式上,从过去片面强调“高速发展”转向“人与自然的协调发展”,“可持续发展”成为各国纷纷选择的发展模式并成为研究的热点。在全球十大环境问题中,臭氧层耗损、温室效应及全球变暖、酸沉降危害等三大生态危机都与过去几十年间CFCs在汽车空调中的广泛使用有关。汽车空调对生态环境的影响来自两个方面,首先它作为高耗能产品,要增加汽车的燃料消耗,加速能源枯竭并增加汽车排放对大气的污染;其次由于汽车空调制冷剂泄漏量惊人,它是大气臭氧层破坏和地球发生温室效应的主要原因。作为对生态环境有重大影响的产业,汽车空调在全球环境意识日益增强、各国环保法律日益健全的今天,正经受着巨大的变革。开发研制使用无公害工质、节能的新型汽车空调成为有经济、生态等多方面积极意义的科研课题。世界各国在这方面已投入相当的人力、物力进行研究,并已有不少新产品问世。二、新型汽车空调的研制1.汽车空调发展概况汽车空调应该包括汽车上的冷气、暖气、通风和净化装置,但是现在不少国家常把汽车空调装置当作空冷器的同义词,目前我国也沿袭了大部分国家的习惯把空调仅仅看作是制冷。与房间空调器相比,汽车空调具有房间空调器所不可能遇到的特殊问题。夏季汽车在室外行驶,太阳的辐射热通过车体传热至车内,致使车内温度可达50～60℃,加之现代汽车的窗玻璃面积占车外表面的比例越来越大,几乎占了前、后、侧围面积的一半以上,这样不仅使透过玻璃进来的辐射热增加,而且减少了车箱热阻,增加了车内外的温差传热量。如果密封不良,车外热空气还将通过门窗、地板缝隙渗入车内,带来大量新风热。另外,车内乘员密度大,人体通过辐射、对流及呼吸和排汗将散发大量的湿热。发动机、车载电器等设备也会把部分热量传入车内。为保证卫生标准及良好舒适的车内空气环境,每个·12·能源研究与利用1998年第1期乘员必须保证15～25m3/h的新风换气压蒸汽经过压缩机压缩升压,然后在冷凝量。所有这些热量构成了汽车空调冷负器中散热冷凝变成高压过冷液体,最后又荷,再加上冷却空气凝结负荷(可占空调冷流回储液器中,从而完成了制冷剂的一个负荷的20～40%),使得汽车空调负荷很循环。车内湿而热的空气在风机驱动下流大,通常小轿车空调制冷量为2.8～过蒸发器,降温除湿后,冷而干的空气被送5.0kW;小型客车7～10.5kW;中型客车回车内,达到空调的目的。冷凝器的热量14kW;大型客车20～35kW。在车外直接由风扇排放到周围大气中去。现在几乎所有的汽车空调都采用以汽车空调使用的活塞式压缩机要消耗CFC—12为制冷剂的蒸汽压缩循环制冷大量的机械功,见表1,通常开动空调后,方式。这种汽车空调系统由压缩机、冷凝汽车发动机功率要降低10～12%,耗油增器、储液器、臌胀阀和蒸发器组成。从储液加10～20%,在大、中型客车上,常常另外器中流出的液态制冷剂经过臌胀阀节流降需要使用一个独立的副发动机如480柴油压、降温,变成低压湿蒸汽在蒸发器中吸热机等来驱动空调系统。蒸发,从蒸发器出来的有一定过热度的低表1几种汽车空调性能参数设备型号生产商重量(kg)制冷量(kW)压缩机功率(kW)Capri280Carrier(美)34023.513.1TSeriesThermoKing(美)41024.011.8BS400FTC—RTC日本三菱公司32014.05.9DBC—531C日本电装公司31014.56.22.汽车空调对生态环境的影响CFC—12一直是汽车空调唯一使用的制冷剂,汽车空调的CFC—12消耗量约占全球CFC—12消耗量的28%,由于汽车空调是安装在高速运动的物体———汽车上,工作条件恶劣,振动大,所以制冷剂特别容易泄漏。一般每隔二年汽车空调就要充注一次CFC—12,即每隔二年汽车空调器中的制冷剂就要释放到大气中。有人统计,泄漏到大气中的CFCs物质中,有3/4是由汽车空调器泄漏的。CFCs由于性质稳定,排放到地面及对流层难以分解,但在同温层光解,破坏了其中的臭氧分子,使臭氧浓度降低,结果射向地球表面的有害紫外线辐射增加。另外,CFCs作为温室气体,它在大气中的积累将导致温室效应的加剧,引起全球气候变暖。温室效应还可引起全球气侯变化,如高温干旱、洪涝疾病及土壤水分变化等一系列不良生态后果。3.非CFCs汽车空调发展动向由于CFCs被禁止使用,当前世界各国都在一方面积极寻找替代CFCs的制冷剂,另一方面积极研究采用自然工质为制冷剂的新型汽车空调。对于汽车空调,目前国际上公认的CFC—12的替代物是HFC—134a。近几年来的试验表明:HFC—134a的热力性质非常接近CFC—12,可以取得较高的制冷量和效率,但其设备适用性差,应用现有设备能耗较高,为了克服这些不足,需要开发新型压缩机和换热器;由于HFC—134a对烃类油相溶性差,对橡胶渗透性强,所以润滑油、橡胶软管、密封垫、干燥剂等要重新配置;汽车空调检修维护、制冷剂充注等设备也要重新更换。由于HFCs的制造方法比CFCs复杂得多,HFC—134a的价格是1998年第1期能源研究与利用·13·CFC—12价格的3～5倍。另外,HFCs仍不是一种完全“清洁”的工质,考虑汽车空调的泄漏量,作为温室气体,它的排放将加剧温室效应的发生。目前出现的采用自然工质的新型汽车空调主要有CO2压缩制冷系统、除湿制冷系统、旋转吸收/再压缩系统、太阳能辅助热电制冷系统等。它们都采用了水、二氧化碳等自然工质,完全摆脱了对化学制冷剂的依赖,代表了环保型汽车空调的发展方向。CO2制冷系统的效率高,但它的结构复杂,对工艺要求高,制造困难;除湿制冷系统可以利用发动机冷却水余热,节能降耗,但它需要备有水箱,体积大、耗水多;旋转吸收/再压缩系统强化了吸收和发生过程,缩小了体积,利用了排气余热,提高了系统效率,但它的运动部件多,流程复杂,不仅制造困难,而且可靠性差,难以维护;太阳能辅助热电制冷系统结构简单,易于控制,可靠性高,利用太阳能降低了对常规能源的依赖,但它迫切需要解决的问题是提高热电制冷的效率。三、吸附制冷用于汽车空调的可行性固体吸附制冷是利用某些固体(吸附剂)能在低温下吸附气体(吸附质)而在高温下解吸的特点,以热能为动力的制冷装置,系统图和热力循环图分别如图1和图2所示。系统由发生器、冷凝器、储液器、蒸发器、真空阀1、高压阀2、节流阀3及阀门4、5组成。制冷机开始运行时,先关闭阀门1、2,通过阀门4通入热流体使发生器中的吸附剂温度升高,吸附在其中的吸附质蒸汽压力升高(过程ab),当达到冷凝压力时打开阀2,则吸附质开始大量吸热解吸(过程bc),解吸后的蒸汽在冷凝器中做等压冷凝并流到储液器中。解吸结束后关闭阀2,同时使冷流体通过阀5流过发生器,随着发生器温度的下降,发生器内吸附质蒸汽压力降低(过程cd),当降到蒸发压力时,打开阀1,吸附剂开始不断吸附蒸发器中的低压蒸汽(过程da),储液器中的制冷剂节流后进入蒸发器做等压蒸发,蒸发过程产生了制冷效果,从而制冷机完成了一个循环。图1固体吸附制冷原理图2固体吸附制冷热力循环图由于固体吸附制冷系统密封,且可以使用水、甲醇、氨等自然工质为制冷剂,所以可彻底消除对生态环境的不良影响,另外驱动力是低品位热能,用作汽车空调可充分利用汽车排气、冷却水等余热,提高了汽车能源利用率,降低了排放。固体吸附制冷无运动部件,设备费用低,可靠性高,易于维护,满足汽车空调的要求。正是由于固体吸附制冷具有上述优点,国际上对它的研究正方兴未艾。·14·能源研究与利用1998年第1期汽车发动机的效率一般为35%～车发动机排气温度都在400～500℃以上,40%左右,约占燃料发热量1/2以上的能即使考虑露点温度(180℃)后,可以利用的量被发动机排气及循环冷却水带走,其中排气余热仍是很可观的,表2以两种型号排气带走的能量约占燃料发热量的30%的空调客车为例说明汽车排气余热同空调以上,并且温位较高。在高速大负荷时,汽负荷的关系。表2客车排气余热与空调制冷量的关系车型沈飞牌SL650空调客车德国Mercedes0303RHS旅游客车座位数3545总质量(t)9.216总长(m)8.812发动机型号6110A1柴油机Mercedes-BenzOM422A水冷柴油机发动机型式六缸直列四冲程水冷直喷式六缸V形四冲程直喷废气涡轮增压最大功率(kW)114243排气量(kg/h)7001175排气温度(℃)450470(增压器出口)可利用的排气余热(kJ)188×103399×103空调最大制冷量(kW)12.828.1ε0.250.30在上表中,定义ε等于空调负荷与可利用的排气余热之比。可以看出,吸附制冷的COP只要能大于ε,即COP能达到0.25～0.30以上,则不需再加其它任何辅助能源,汽车发动机排气本身的余热就完全能满足汽车空调的需要。而对某固体吸附制冷汽车余热空调的模拟计算表明,系统的COP通常都保持在0.4以上。上述分析说明,固体吸附制冷汽车余热空调在理论上是完全可行的。四、总结与展望固体吸附制冷消耗是低品位的汽车排气余热,不依赖于汽车动力,在系统较为简单的情况下就满足对COP的要求,可以使系统结构简单,再加上制冷剂价格便宜,无噪音,可靠性高,运行维护费用低,能满足汽车对空调的特殊要求,因此具有良好的工程应用前景。目前固体吸附制冷汽车余热空调实用化的主要技术障碍是由于吸附床的传热性能差而导致的单位吸附剂制冷功率小,初投资大。所以今后研究的重点应是吸附床的传热传质过程的强化。作为一项工程应用技术,发生器的成本是一个需要时刻考虑的重要问题,这样才能保证系统在经济上合理、在技术上可行。参考文献1.曹磊.全球十大环境问题.环境科学,1995,16(4):86～892.徐谋昌.“人与自然”重新成为研究的热点.自然辨证法研究,1995,11(11):15～183.张立志,王玲.从人与自然的关系看节能问题.能源研究与利用,1996,(3):7～94.郑明华.汽车空调原理、结构与维修.重庆:科学技术文献出版社重庆分社,1990.5.李昌际等.客车维护与修理.北京:科学技术文献出版社,1992.(余18种,略)