二氧化碳制冷剂为汽车冬季供暖及其发展前景的分析

二氧化碳制冷剂为汽车冬季供暖及其发展前景的分析郭磊(长安大学西安710054)摘要：随着对环境问题的关注,CO2以其优良的热物性,成为制冷剂中具有良好发展前景的天然工质。本文介绍CO2制冷剂组成的热泵系统,采用跨临界循环的方式为汽车冬季供暖,并分析了此种方式的优缺点以及改进方法。此外，还对汽车空调冬季供暖节能方法进行了可行性的探讨。关键词：CO2跨临界循环汽车空调热泵GuoLeiDiscussesaboutthecarbon-dioxiderefrigeranttoheatthemotorsinwinterandthedevelopmentofthissysteminfuture.AbstractWiththeattentionofenvironmentalproblem,thecarbon--dioxidehasgooddevelopingperspectivedependingontheexcellenceofphysicalnaturecomparedwithmanyotherrefrigerants.Thispaperintroducestheheatpumpsystemmadeupofcarbon-dioxiderefrigeranttoheatthemotorsinwinterbythewayofTrans-criticalcycleandanalyzethevirtueanddefectofthissystemandthemeasuresofimprovement.Inaddition,theauthordiscussesthefeasibilityofseveralsaving-energymeansonheatingmotorsinwinter.Keywordscarbon-dioxideTrans-criticalcycleautomotiveair-conditioningheatpump1前言自人们发明机器，利用设备间循环系统来制取冷量和热量以来，制冷剂一直伴随着循环系统的改进而发展。从使用历史来看[1]，人们最初采用的自然工质是水，氨等。由于科学技术的进步，研究出了氟利昂类等合成工质，这些工质很大程度地提高了循环性能，无论是在制冷还是热泵循环方面都被认为是合格的工质，但同时也给环境造成了一定的影响。随着保护臭氧层的蒙特利尔议定书的生效，CFCs工质的替代问题显得更加紧迫。国内外诸多研究人员又把注意力集中到自然工质上来，但每一种工质都有其自身的优缺点。在这几种自然工质中，CO2发展潜力最大，也是最被研究人员看好的，在可燃性和毒性限制的场所，CO2具有无可比拟的优势。2CO2的物理性质CO2具有大家都熟悉的性质，是一种对环境无毒、无害的自然工质，其消耗臭氧潜能值ODP＝0，在CO2废气利用中，其温室效应潜能值GWP＝0，具有良好的安全性和稳定性，高温下不分解产生有害气体，单位容积制冷量高，运动粘度底，导热系数高等特点。3CO2作为制冷剂组成的热泵系统在汽车中的应用汽车空调在冬季供暖的问题一直是国内外诸多机构研究的重点。由于在冬季，室外气温低，乘客进出汽车时，室外冷空气涌入车体内，这样很难使汽车室内维持一个舒适的温度。传统的汽车冬季供暖，利用发动机余热进行供暖，但这种方法提供的热量是有限的，不能向车室内提供充足的热量来达到舒适的要求。随着汽车对室内舒适度要求的提高，这一问题将更加突出，遂必须探索新的供暖方式。G.Lorentzen针对CO2临界温度低[2]，排气温度高的特点，提出跨临界循环理论，这个理论可望在汽车空调制冷﹑供热中发挥重要作用。但这种循环方式也有不足,它的主要缺点是运行压力高和循环效率较低[3]。理论分析和实验研究证实[3]，CO2跨临界循环的COP值要低于R22﹑R134a等传统工质的循环效率，针对这一缺点，提出了双级压缩理论和采用膨胀机回收一部分膨胀功的措施加以改善，并且效果良好。1996年8月，第一台公共汽车空调样机在车上通过现场实验且运行良好[4]。改进的CO2跨临界单级压缩热泵循环系统流程图如图1所示，T-S图如图2所示[1]。CO2跨临界循环气体冷却器所具有的较高的排气温度和较大的温度滑移与冷却介质的温升过程相匹配，使其在热泵循环方面具有独特的优势，从根本上解决了传统供热不足的缺点。通过调整循环排气压力，可使气体冷却器的排放过程较好地适应外部热源的温度和温升需要。用于热泵系统时，可使被加热流体的温度从15～20ºC上升到30～40ºC,甚至更高，因而可较好的满足车体内加热的要求[5]。目前，全球各大汽车生产厂和研发机构都在研究这个热泵循环系统如何优化，已达到更高的效率。跨临界CO2系统与传统制冷剂R134a相比，供热潜力巨大，并且工质的GWP在所有工质中最低。1999年[6]，在美国凤凰城SAE会议上的实测结果表明，装载在中型汽车上的CO2系统样机性能均已达到或超过R134a系统，并且制冷机的回收和制取都比较方便。目前，CO2跨临界热泵循环的实验大都在汽车样机中完成。天津大学热能研究所，已建立起我国第一台CO2跨临界热泵循环实验台，对CO2系统的结构参数，可靠性，效率做了全面的研究[7]。有待对压缩机以及膨胀机等装置进行结构设计和优化，在提高热泵性能的同时，提高它的安全可靠行等方面进行进一步的研究论证后，方可在全国推广应用。1关于汽车冬季供暖节能方法的探讨(1)虽然CO2跨临界热泵循环解决了汽车冬季供暖的问题，但汽车尾气所排放的温度很高的CO2和其它碳氢化合物直接排入环境中，其GWP值高达1，不得不令人考虑利用汽车尾气的问题。据统计[1]，目前汽车所用发动机，用于动力输出的功一般占燃油总能量的30%～55%，以废热的形式排向车外的能量占燃油燃烧总能的65%～70%，排气温度高达400ºC，部份废气温度高，热量大，完全排放对环境有影响，可以考虑充分利用这些废热来为汽车冬季供暖。在汽车启动或处于慢速及停车状态时，排气量不大，温度也不高，可以在发动机排气管上设置温控调节阀，由CO2热泵装置进行供暖，其冷端用于冷却发动机等其它设备。这样，我们可以充分利用废气的余热来为车内供热，减少CO2热泵的使用时间，在一定程度上，节约了能量。在汽车中安装两套供暖系统，以利用废气的热量为主要供热方式，CO2热泵装置为辅助供热系统。在国内[8],研究人员郑加绩发明了与废气相关的双热源汽车加热器,是以汽车废气余热为主要热源,来为大客车供暖,并已获国家专利。这种方法前景是比较乐观的，但要全面推广应用,还需进行多方面的研究，包括进行汽车结构的合理优化，尤其是对热交换器的密封性进行安全设计，以防止废气进入车室内，对人产生有害的影响。(2)由于汽车尾气中含有CO2和碳氢化合物，设法对汽车尾气进行分离净化，使其产生的高温高压CO2蒸汽，直接作为热泵循环的制冷剂使用，夏季供冷，冬季供暖。此系统完全处于开放式状态，制冷剂的来源是汽车尾气本身。这种方法，省略了压缩机，将制冷﹑供热直接与汽车发动机排放的废气联系在一起，节省了一定的空间，同时有效的利用废气本身的能量，对热量进行二次利用,真正做到节能环保,彻底减少汽车废气对环境的污染。不过，这种供暖方式的结构较复杂，存在一定的设计难度，全面应用还需进一步论证。总之，随着各国对环境问题的关注，如何利用汽车尾气中的废气废热以及如何“变废气为宝”等问题，越来越多的受到国内外诸多学者的关注。5结论无论是CO2跨临界循环，还是考虑利用汽车废气供热，都是解决冬季或恶劣气候环境下的汽车室内温度舒适性的问题。其中以CO2跨临界热泵循环的发展潜力最大，在理论和实验中都取得了令人满意的结果，但在结构优化及安全性方面还有待改进。总之，节能和环保是衡量一个热泵﹑制冷装置的重要标准，任何可行性方案的创造和应用都是以这个标准为中心，充分利用现有资源，创造一个舒适的人工环境。参考文献[1]王如竹，丁国良等著《最新制冷空调技术》。[2]G.Lorentzen,JPettersen.Anew,efficientandenvironmentallybenignsystemforcarconditioning.Int.J.Refrig,1993,16(1):4-12.[3]马一太,杨昭,吕灿仁,CO2跨临界(逆)循环的热力学分析.工程热物理学报,1998,19(6):665-668.[4]J.holst.TestRigForCO2AutomotiveForConditioningCompressor,InternationalConferenceCFCs,MeetingofⅡRCommissionB1,B2,E1,E2,Aarhus,Denmark,1996.[5]PetterNeksaetal.CO2-heatpumpwaterheater,characteristics,systemdesignandexperimentalresults,Int.J.Refrig,1998,21(3):172-179.[6]陈江平,国内外空调系统技术发展趋势.制冷学报,2002,4.[7]王侃宏,马一太,魏东,洪芳军,王景刚.CO2跨临界水-水热泵循环系统的实验研究.中国工程热物理学会工程热力学与能源利用学术论文集.南京,200,431-434.[8]郑加绩.双热源汽车加热器,发明专利.专利申请号：03252200.2.