一種汽車空調(diào)用環(huán)保制冷劑—CO2

張紅豪,黃漢濤

(鄭州科林車用空調(diào)有限公司,鄭州450000)

近幾年來氣候的變化對(duì)人類生存環(huán)境的影響越來越大,給世界很多國(guó)家都造成過了巨大的經(jīng)濟(jì)損失,為保護(hù)臭氧層并減緩溫室效應(yīng)對(duì)氣候變化的影響,對(duì)汽車空調(diào)用環(huán)保制冷劑又有了新的要求。HFCS是當(dāng)前最具環(huán)境隱患的含氟溫室氣體,面對(duì)HFCS的影響,國(guó)際社會(huì)已形成對(duì)其進(jìn)行法律或政策規(guī)范的趨勢(shì),國(guó)際綠色和平組織呼吁國(guó)際各國(guó)逐步淘汰氫氟碳化物 (HFCS)R-134a;歐盟于2006年7月4日起正式實(shí)施出臺(tái)了關(guān)于汽車空調(diào)系統(tǒng)排放物的法規(guī)DIRECTIVE 2006/40/EC,該法規(guī)要求,自2011年1月1日起,在歐盟境內(nèi)生產(chǎn)和銷售的所有新的設(shè)計(jì)車型,不允許使用GWP值大于150的制冷劑;自2017年1月1日起,在歐盟境內(nèi)生產(chǎn)和銷售的所有新車,禁止使用GWP值大于150的制冷劑;并要求其成員國(guó)自2007年7月4日起出臺(tái)一系列措施限制HFCS、PFCS和SF6的使用。由于目前行業(yè)內(nèi)廣泛使用的 R134a制冷劑的GWP值為1300,因此制冷劑R134a的逐步淘汰、新的低GWP值的制冷劑的使用將成為必然趨勢(shì),目前各國(guó)都在積極尋找一種新的并且能一勞永逸的環(huán)保制冷劑。在新型環(huán)保制冷劑方面,介紹一種無污染的自然制冷劑—CO2(R744)。

1 CO2熱力學(xué)參數(shù)

二氧化碳 (CO2)的臨界溫度304.2K,臨界壓力7.39MPa,蒸發(fā)熱573.5kJ/kg(沸點(diǎn)),由于CO2的臨界溫度很低,因此CO2的放熱過程不是在兩相區(qū)冷凝,而是在接近或超過臨界點(diǎn)的區(qū)域的氣體冷卻器中放熱。在CO2跨臨界制冷循環(huán)中,其放熱過程為變溫過程,有較大的溫度滑移。這種溫度滑移正好與所需的變溫?zé)嵩聪嗥ヅ?是一種特殊的勞倫茲循環(huán),圖1是該制冷劑的熱力學(xué)參數(shù) (T-P)。

圖1 CO2T-P圖

2 CO2自然制冷劑優(yōu)點(diǎn)

自然制冷劑環(huán)境參數(shù)良好,GWP值為零,ODP值也為零,無毒性,不可燃,存在于空氣中,植物光合作用的產(chǎn)物,資源豐富,良好的自然制冷劑,由于其良好的自然性,不用考慮像 HCFCS、和HFCS等化學(xué)制冷劑因泄漏造成污染環(huán)境問題。

自然制冷劑具有與制冷循環(huán)和設(shè)備相適應(yīng)的熱力學(xué)性質(zhì)。蒸發(fā)潛熱較大,單位容積制冷量相當(dāng)高。具有良好的輸運(yùn)和傳熱性質(zhì)。導(dǎo)熱系數(shù)較高,黏度較低,比熱容較大。液體密度和蒸氣密度值比較小,在低壓下兩相流動(dòng)較為均勻,有利于節(jié)流后各回路間制冷劑的均勻分配,較小的表面張力能夠提高沸騰區(qū)的蒸發(fā)換熱系數(shù)。優(yōu)良的流動(dòng)和傳熱特性,可顯著減小壓縮機(jī)與系統(tǒng)地尺寸,使整個(gè)系統(tǒng)非常緊湊[1]。

3 CO2制冷劑制冷性能特性

圖2是各制冷劑溫度和壓力對(duì)比曲線圖。由于CO2跨臨界循環(huán)的工作壓力較高,高壓可達(dá)10MPa,約為傳統(tǒng)工質(zhì)CFCs或HCFCs系統(tǒng)壓力的6～8倍,所以系統(tǒng)中工質(zhì)流經(jīng)的管路系統(tǒng)要通過安全性檢驗(yàn)。但是由于CO2的容積制冷量為R134a的8倍,系統(tǒng)所需CO2的容積流量很小,而爆炸能為壓力和容積的函數(shù),因此系統(tǒng)的工質(zhì)壓力P雖高,但是容積V較小,所以爆炸能增加并不大,以可靠性理論為依據(jù),根據(jù)CO2跨臨界制冷系統(tǒng)管路可靠性的不同影響因素及其變化規(guī)律,對(duì)不同管材情況下的可靠性進(jìn)行深入地研究與分析,得到如下結(jié)論:當(dāng)管路系統(tǒng)的管外徑給定時(shí),只要合理地選擇管材和管壁厚度,就能保證系統(tǒng)在給定壓力下運(yùn)行的可靠性及安全性,CO2跨臨界循環(huán)較高的運(yùn)行壓力是可以得到合理解決的;現(xiàn)有鋼管基本可以直接應(yīng)用,而現(xiàn)有銅管則需根據(jù)外徑和壁厚經(jīng)安全性分析后選用[2]。因此安全性問題不是阻礙CO2臨界循環(huán)應(yīng)用的關(guān)鍵問題。

圖2 制冷劑溫度和壓力對(duì)比曲線圖

4 CO2制冷劑的經(jīng)濟(jì)性

從經(jīng)濟(jì)角度考慮,自然制冷劑CO2(R744)來源比較廣泛,十分劃算。

(1)許多自然制冷劑都并不昂貴 (例如CO2),甚至有一些比HFCS還要便宜。在自然界廣泛存在,獲取比較方便。

(2)自然制冷劑CO2(R744)的蒸發(fā)潛熱較大,單位容積制冷量相當(dāng)高,故壓縮機(jī)及部件尺寸較小;絕熱指數(shù)較高K=1.30,壓縮機(jī)壓比約為2.5～3.0,比其它制冷系統(tǒng)低,容積效率相對(duì)較大,接近于最佳經(jīng)濟(jì)水平,有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

(3)由于具有低密度和高潛熱的特點(diǎn),對(duì)于同個(gè)系統(tǒng)來說,從圖3可以看出它所需的充注量是HFCS、HCFCS的一半,性價(jià)比更高一些。

(4)隨著國(guó)際資源價(jià)格上漲,油價(jià)越來越高,司機(jī)越來越關(guān)注汽車的百公里耗油量 (L/100km),圖4是在同等制冷狀態(tài)下R134a和 R744耗油量比較。對(duì)某客車廠家客車運(yùn)行進(jìn)行實(shí)際跟蹤測(cè)試,經(jīng)分析得出圖 4結(jié)果。從圖4可以看出百公里耗油量R744明顯低于R134a,環(huán)境溫度20℃時(shí),耗油量節(jié)省54%,當(dāng)環(huán)境溫度28℃時(shí),耗油量節(jié)省45%,當(dāng)環(huán)境溫度35℃時(shí),耗油量節(jié)省14%。中國(guó)氣候溫度分布集中在28℃左右,因此節(jié)油效果比較顯著。

圖3 制冷劑充注量比較 (以R22為基準(zhǔn),kg)

圖4 R134a和R744耗油量測(cè)試比較

(5)雖然根據(jù)投資類型和企業(yè)規(guī)模的不同,應(yīng)用CO2制冷劑對(duì)企業(yè)初期投入也許較高,但從中長(zhǎng)期考慮,CO2制冷劑在空氣中存在,無污染,無須考慮像HCFCS和HFCS等化學(xué)制冷劑的泄漏風(fēng)險(xiǎn),維護(hù)費(fèi)用比較低,更為節(jié)能,對(duì)廢機(jī)的后期處理費(fèi)用也相對(duì)便宜。

5 CO2制冷劑在客車空調(diào)的應(yīng)用前景

積極推動(dòng)應(yīng)對(duì)全球氣候變化的歐洲各國(guó),通過頒布各種規(guī)定和法令限制HFCS制冷劑的使用,同時(shí)倡導(dǎo)推廣環(huán)境友好的自然制冷劑 (例如 R744)的應(yīng)用。

圖5 成本與效率的關(guān)系示意圖

2009年12月份,筆者在德國(guó)參觀當(dāng)?shù)啬持麎嚎s機(jī)生產(chǎn)廠,并和該廠家技術(shù)負(fù)責(zé)人進(jìn)行了交流,該負(fù)責(zé)人介紹說他們已對(duì)R744在客車空調(diào)用壓縮機(jī)上做了各種試驗(yàn),從試驗(yàn)結(jié)果分析能滿足客車制冷需要,技術(shù)已經(jīng)成熟,并且在北歐一些國(guó)家運(yùn)行的客車上已經(jīng)開始使用這種壓縮機(jī),正在等待政府出臺(tái)相關(guān)的政策。

6 結(jié)束語

隨著氣候變化對(duì)人類生存環(huán)境影響越來越大,特別是地震、海嘯、雪災(zāi)、水災(zāi)的發(fā)生,使各國(guó)政府更加越來越重視環(huán)境污染這個(gè)問題,我國(guó)剛剛制定的 “十二五”規(guī)劃,在規(guī)劃內(nèi)有關(guān)部門制定了詳細(xì)的節(jié)能減排指標(biāo),號(hào)召國(guó)民加強(qiáng)節(jié)能減排和環(huán)保意識(shí),并大力支持和扶持節(jié)能減排和環(huán)保型企業(yè);作為對(duì)環(huán)境有污染的一種制冷劑,R134a制冷劑被新型環(huán)保制冷劑逐步替代使用已提上日程。

[1] Lorentzen G.The use of natural refrigetants;a complete solution to the CFC/HCFC predicament.Int JRefrig,1995

[2] 王侃宏.二氧化碳跨臨界循環(huán)的理論分析和試驗(yàn)研究[D].天津:天津大學(xué),2000