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二氧化碳汽车空调技术探究 　　摘要：针对R134a的GWP值为1300，远高于欧盟“GDP值不得高于150”的规定，本文分析了CO2作为制冷剂的特性，笔者提出了用CO2替代R134a的可行性，并详细阐述了二氧化碳汽车空调系统的原理和系统的主要组成器件。 　　关键词：CO2；相关特性；系统原理；主要器件 　　一、前言 　　2014年，中国汽车产量达到3400万辆，其中乘用车2100万辆，几乎所有乘用车都安装有空调器。汽车空调制冷剂的泄漏，造成环境大气中CO2含量增大，引起温室效应，使全球气侯变暖。根据“蒙特利尔协定”，制冷剂R12成为首批受禁的制冷工质。目前，R134a广泛应用于汽车空调系统。该制冷剂ODP值为零，但GWP（即全球变暖潜能值）数值为1300，远高于欧盟提出的“GWP不得超过150”的限值。随着对环境的日益重视及可持续发展考虑，其替代的任务更为迫切，天然制冷剂替代合成工质成为了必然。近年来，有人提出采用CO2作为汽车空调制冷剂，彻底解决大气温室效应的问题。 　　二、二氧化碳的相关特性 　　CO2是我们熟悉的天然制冷剂，临界温度31.1℃，临界压力7.38 MPa。ODP值为零，不燃烧、不爆炸，无毒，无已知的致癌、致突变或其他有毒的危害影响，对环境产生的温室效应很小，GWP只有1，即只有R134a的1300分之一。 　　三、二氧化碳空调系统原理 　　CO2汽车空调系统主要由压缩机、气体冷却器、膨胀阀、蒸发器、储液器、回热器等组成，如图1所示。CO2汽车空调系统制冷循环原理与普通蒸汽压缩制冷循环基本相同，主要利用相变即气体液化放热，液体蒸发吸热的原理实现制冷的目。如p-h图的B-A过程，在压缩机中气体工质升压至超临界压力状态，进入到气体冷却器中，气体工质被冷却介质所冷却。如p-h图F-E过程，为了系统性能系数COP的提高，利用压缩机回气管前面的低温低压蒸汽过热原理，从气体冷却器出来的高压气体在内部热交换器中进一步冷却，接着用节流阀减压，经节流减压后的气体被冷却，而且有部分气体被液化，湿蒸汽进入到蒸发器内汽化，周围介质的热量被吸收。为了蒸发器传热效率的提高而设计成有少量液体盈余，所以，蒸发器中的液体并不完全汽化。正因为如此，以防止压缩机液击和便于压缩机回油（回油管道见图1），故在蒸发器出口配置了储液器。低压饱和蒸汽从储液器出来后进入内部热交换器的低压侧通道，吸收高温高压的超临界气体的热量后成为过热蒸汽，进而进入压缩机升压，进行下一循环。 　　四、二氧化碳空调系统主要部件 　　（一）压缩机 　　汽车空调压缩机是制冷系统的心脏，压缩机对整个制冷系统工作性能的影响最大，容积效率和指示效率是衡量压缩机工作性能的主要指标，压缩过程的容积效率和指示效率主要与汽缸泄露、气体与汽缸传热、气阀和气腔的压力损失等因素有关。由于CO2跨临界系统的高低压差大，不易密封，所以，CO2汽车空调的压缩机主要有开启活塞式压缩机、涡旋式压缩机和变排量式压缩机。压缩机容积效率较大，因为CO2压缩机压比小以及气缸内余隙容积的再膨胀行程较短，阀打开较早。活塞间隙的泄露是影响压缩过程中最大的因素，泄漏损失对指示效率影响最大，必须减小泄漏间隙的长度，减少间隙大小可以使CO2压缩机具有与R134a压缩机相同的效率，用油润滑的活塞环密封，为了控制泄漏，可将一定量的润滑油混进吸入气体中。与常用系统相比，吸排气阀损失对指示效率的影响很小，因为CO2压缩机吸排气压差很大，克服流动阻力需要的压差相对很小。 　　（二）换热器 　　汽车空调对结构紧凑和重量轻有严格的要求。因为它的安装空间小，同时它的重量直接关系到汽车行驶时的油耗量。结构紧凑性的指标是每单位换热器体积的空气侧换热表面积（m2/m3）。通常汽车空调换热器的特征如表1所示。因此要求采用强化传热的高效、轻型换热器，通常用铝和铝合金作材料，而不使用铜。二氧化碳的热物性具有低粘度、高导热性、高蒸气密度的优点。这些优良的性能使蒸发器，回热器，气体冷却器中传热效果好。为了使CO2在管内流动时有一定的流速，要求使用小管径的换热管。因此，微通道换热器很适合在CO2汽车空调中使用。 　　（三）气体冷却器 　　在CO2超临界循环系统中，高压侧是从气体直接冷却成为液体，主要的传热部分是气体的冷却，采用气体冷却器，其作用相当于传统制冷循环中的冷凝器。在气体冷却器中CO2的温度变化较大，使得气体冷却器进口空气温度和出口制冷剂温度非常接近，这自然可减少高压侧不可逆传热引起的损失。同时为了减轻重量、缩小尺寸及增加安全性，所以，气体冷却器是在传统制冷循环中冷凝器的进一步优化。 　　（四）膨胀阀 　　CO2汽车空调系统对膨胀阀的要求较高，因为汽车空调系统是在动态环境条件下工作的。一般情况下，CO2汽车空调系统