二氧化碳制冷剂为汽车冬季供暖及其发展前景的分析

1、.：.；二氧化碳制冷剂为汽车冬季供暖及其开展前景的分析郭 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开展前景的天然工质。本文引见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陷以及改良方法。此外，还对汽车空调冬季供暖节能方法进展了可行性的讨论。关键词：CO2 跨临界循环 汽车空调 热泵Guo Lei Discusses about the carbon-dioxide refrigerant to heat the motors in winter and the developme

2、nt of this system in future.Abstract With the attention of environmental problem, the carbon- -dioxide has good developing perspective depending on the excellence of physical nature compared with many other refrigerants. This paper introduces the heat pump system made up of carbon-dioxide refrigeran

3、t to heat the motors in winter by the way of Trans-critical cycle and analyze the virtue and defect of this system and the measures of improvement. In addition, the author discusses the feasibility of several saving-energy means on heating motors in winter. Keywords carbon-dioxide Trans-critical cyc

4、le automotive air-conditioning heat pump1 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，制冷剂不断伴随着循环系统的改良而开展。从运用历史来看1 ，人们最初采用的自然工质是水，氨等。由于科学技术的提高，研讨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以为是合格的工质，但同时也给环境呵斥了一定的影响。随着维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。国内外诸多研讨人员又把留意力集中到自然工质上来，但每一种工质都有其本身的优缺陷。在这几种自然工质中，CO2开展潜力最大，也是最

5、被研讨人员看好的，在可燃性和毒性限制的场所，CO2具有无可比较的优势。2 CO2的物理性质CO2 具有大家都熟习的性质，是一种对环境无毒、无害的自然工质，其耗费臭氧潜能值ODP0，在CO2 废气利用中，其温室效应潜能值GWP0，具有良好的平安性和稳定性，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。3 CO2作为制冷剂组成的热泵系统在汽车中的运用汽车空调在冬季供暖的问题不断是国内外诸多机构研讨的重点。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温馨的温度。传统的汽车冬季供暖，利用发动机余热进展供暖，但这种方法提供的热量是有

6、限的，不能向车室内提供充足的热量来到达温馨的要求。随着汽车对室内温馨度要求的提高，这一问题将更加突出，遂必需探求新的供暖方式。G.Lorentzen 针对CO2 临界温度低2 ，排气温度高的特点，提出跨临界循环实际，这个实际可望在汽车空调制冷供热中发扬重要作用。但这种循环方式也有缺乏,它的主要缺陷是运转压力高和循环效率较低3 。实际分析和实验研讨证明3，CO2 跨临界循环的COP值要低于R22R134a等传统工质的循环效率，针对这一缺陷，提出了双级紧缩实际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经过现场实验且运转良好4 。改良的CO

7、2 跨临界单级紧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，从根本上处理了传统供热缺乏的缺陷。经过调整循环排气压力，可使气体冷却器的排放过程较好地顺应外部热源的温度和温升需求。用于热泵系统时，可使被加热流体的温度从1520C上升到3040C,甚至更高，因此可较好的满足车体内加热的要求5。目前，全球各大汽车消费厂和研发机构都在研讨这个热泵循环系统如何优化，已到达更高的效率。跨临界CO2 系统与传统制冷剂R134a相比，供热潜力宏大，并且工质的GWP在一切工

8、质中最低。1999年6，在美国凤凰城SAE会议上的实测结果阐明，装载在中型汽车上的CO2 系统样机性能均已到达或超越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。天津大学热能研讨所，已建立起我国第一台CO2 跨临界热泵循环实验台，对CO2 系统的构造参数，可靠性，效率做了全面的研讨7。有待对紧缩机以及膨胀机等安装进展构造设计和优化，在提高热泵性能的同时，提高它的平安可靠行等方面进展进一步的研讨论证后，方可在全国推行运用。1 关于汽车冬季供暖节能方法的讨论(1)虽然CO2 跨临界热泵循环处理了汽车冬季供暖的问题，但汽车尾气所排放的温度

9、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，不得不令人思索利用汽车尾气的问题。 据统计1 ，目前汽车所用发动机，用于动力输出的功普通占燃油总能量的30%55%，以废热的方式排向车外的能量占燃油熄灭总能的65%70%，排气温度高达400C，部份废气温度高，热量大，完全排放对环境有影响，可以思索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形状时，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理阀，由CO2 热泵安装进展供暖，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 热泵的运用时间，在一定程度上，节约了能量。

10、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 热泵安装为辅助供热系统。在国内8,研讨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，但要全面推行运用,还需进展多方面的研讨，包括进展汽车构造的合理优化，尤其是对热交换器的密封性进展平安设计，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，设法对汽车尾气进展分别净化，使其产生的高温高压CO2 蒸汽，直接作为热泵循环的制冷剂运用，夏季供冷，冬季供暖。此系统完全处于开放式形状，制冷剂的来源是汽车尾气本身。这种方

11、法，省略了紧缩机，将制冷供热直接与汽车发动机排放的废气联络在一同，节省了一定的空间，同时有效的利用废气本身的能量，对热量进展二次利用,真正做到节能环保,彻底减少汽车废气对环境的污染。不过，这种供暖方式的构造较复杂，存在一定的设计难度，全面运用还需进一步论证。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，越来越多的遭到国内外诸多学者的关注。5 结论无论是CO2 跨临界循环，还是思索利用汽车废气供热，都是处理冬季或恶劣气候环境下的汽车室内温度温馨性的问题。其中以CO2 跨临界热泵循环的开展潜力最大，在实际和实验中都获得了令人称心的结果，但在构造优化及平安

12、性方面还有待改良。总之，节能和环保是衡量一个热泵制冷安装的重要规范，任何可行性方案的发明和运用都是以这个规范为中心，充分利用现有资源，发明一个温馨的人工环境。参考文献1 王如竹，丁国良等著。2 G.Lorentzen, J Pettersen. A new ,efficient and environmentally benign system for car conditioning.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. Test Rig For CO2 Automotive For Conditioning Compressor, International Conference CFCs, Meeting of R Commission B1,B2,E1,E2, Aarhus,Denmark,1996.5 Petter Neksa et al.CO2-heat pump water heater, characteristics, system design and experimental