CO2汽车空调

对于汽车空调来讲，除了制冷需求外，还 有供热的需求。 汽车中的废热是可供利用的热源之一。但 使用燃油喷射发动机的现代汽车发动机 冷却剂不能提供足够的废热，这使得一 些汽车上还得安装辅助加热器，以在制 热量不够时得以补充。这种情况在冬天 较为普遍。 现代汽车发展中有一个重要的趋势是，低 排放量的电动汽车或混合汽车得到了较 快的发展，而这些汽车中几乎没有可以 利用的废热。 因此如何高效率地解决车内的制热要求也 是汽车空调设计中应当考虑的问题。
美国伊利诺伊大学空调和制冷中心(ACRC)也开发 了CO2汽车空调样机，并与一个在福特汽车上 用的R134a汽车空调装置比较。 CO2系统一般比对比系统制冷量更大，在极高温 度下怠速时可以调整使其提供近似相等的冷 量，但COP值比对比系统低10％。 当室外温度低于40℃时，C02系统的COP值超出基 准系统40％甚至更多。 对吸气热交换器对CO2汽车空调系统性能的影响 的研究表明：吸气热交换器提高了COP和制冷 量。平行流换热器的性能较差。 在高环境温度下怠速的情况，由于吸气热交换器 的引入而引起的性能的提高比较显著，COP增 加了26％，制冷量增加了10％。
对于跨临界C02系统，其高温侧具有较大的 温度滑移，这使得其供风温度高，对于 系统作热泵运行时提供热量较为有利。 另外在系统设计中，仍然需要考虑尽可 能利用车内的废热，从乘客车厢余热中 回收能量，这样有利于提高车用HVAC (供热、通风和空调)系统的总效率。 这样设计的系统对于电动汽车也很合适。 制冷系统高温端可用来加热车厢中的空 气，冷端用于冷却电动机、电池组和耗 功电子元件。
×—1000，C02B； △—1000，C02A
换热器空气侧的压降
部件 流速 R134a C02A C02B
蒸发器 580/(m3/h) 230--280 110--140 200--225
冷凝器／ 气体冷却器 1.0/(m/s) 2.5/(m/s) 7 11 8 23 43 32
从马里兰大学的上述测试中发现，根据压 缩机转速和环境温度的变化，C02系统的 制冷量在比R134a系统低13％到比R134a 系统高20％的范围内变化，而其COP比 R134a系统要低11％到23％。而换热器空 气侧的压降则要大大低于对照系统。
(3)、超临界循环(Hypercritical Cycle) CO2的超临界循环与普通的蒸汽压缩式制冷循环 完全不同，所有的循环都在临界点以上，工质 的循环过程没有相变，不能变为液态，实际上 是气体循环。
2、 CO2汽车空调结构 汽车空调系统是制冷剂向大气排放的主要来源， 因此制冷剂的选择非常重要。正是因为这一 点， 在挪威科技大学Lorentzen首先提出在汽车空调系 统中采用跨临界CO2制冷系统。
二、跨临界CO2汽车空调结构与特性 1、 CO2跨(超)临界循环及其特点
CO2的临界温度接近环境温度，根据循环 的外部条件，可以实现三种循环。 (1)、亚临界制冷循环(Subcritical Cycle) CO2的亚临界制冷循环的流程与普通的蒸 汽压缩式制冷循环完全一样。 此时压缩机的吸、排气压力都低于临界压 力，蒸发温度、冷凝温度也低于临界温 度，循环的吸、放热过程都在亚临界条 件下进行，换热过程主要依靠潜热来完 成，早年的C02制冷循环多为亚临界循 环。
测 定 位 置
温 度
前
后
前 座 前 48
座 50
座 54
仪 表 板 上 73
后 座 前 44
后 座 椅 上 57
后 行 李 箱 46
冷 凝 器 前 46
挡 风 玻 璃 66
方 向 盘 58
车
路
顶 75
面 40
(2)、汽车空调制冷压缩机不能利用电力做 动力，而要由汽车发动机或专门的或辅 助发动机来驱动。 (3)、在由发动机驱动时，汽车空调的制冷 性能与汽车行驶速度有关。 (4) 、汽车上空间紧凑，空调装置布置起来 较困难，而且各种汽车空调部件的通用 性较差。
2、对汽车空调的要求： (1)、汽车空调应保证在任何条件下，车厢内部都 具有舒适的温度范围和气流平均速度。 (2)、汽车空调的控制机构和操纵机构要灵活、 方便、可靠。 (3)、汽车空调的零部件要求可靠、体积小、重 量轻、安装维修方便。
(4)、汽车空调应具有快速制冷和快速采暖的能力。
(5)、汽车空调冷气装置工作时，对汽车发动 机的动力消耗、燃油消耗、加速和爬坡性能的影 响应尽可能小。 (6)、汽车空凋在汽车上的结构布局要紧凑合 理。零部件安装要有防振措施，保证汽车空调在 剧烈颠簸振动条件下能可靠地工作。
3、C02汽车空调性能 C02汽车空调系统要能够应用，除了考虑 安装尺寸外，其性能上与现有的系统应 具有可比性。 由于目前R134a系统是国际上最主要的汽车 空调系统，因此对于C02系统的性能评 估，也大多以R134a系统作为对照。 美国马里兰大学进行对比实验的C02系统和 R134a系统
部 件
制冷技术与节能
— CO2汽车空调器
一、汽车空调的特点
1、汽车与固定建筑的差别 汽车直接暴露在太阳下或风雪下，隔 热措施困难； 汽车在行驶时有大量风沙、废气从各 种缝隙钻人车厢内，造成车厢内的空气污 染并增加热负荷； 汽车的行驶速度变化无常，难以保证 稳定的空调工况等。
汽车空调与房间空调的差别 (1)热负荷较大。 在炎热的夏季，由于汽车车厢容积 小， 而且车窗占的面积比例相对较大，易受阳 光直射，因此车厢内的温度很高。此外， 车厢内的温度还受到地面热量反射、人体 散热、发动机的辐射热以及换气热的影 在气温34 ℃ 、晴、微风、柏油路上放1小时汽车个部分 温度分布情况 响，
我国起步较晚，从60年代初，才开始在红旗轿车 上采用空调。 近年来发展速度很快，国产轿车中已有约80％装 有空调。 1998年全国汽车空调器产量约有70万台套，全国 已形成年产大于150万台套汽车空调器的生产能 力。 在工程车、旅游车及城市公交客车上也开始大量 采用空调，尤其是高速公路的大量建成，促进 了高速客运事业迅速发展；城市公交面貌的改 善也促进公交空调车的投放，这两种车型的发 展有力推动了大客车空调器的发展。 车辆水平的提高，对空调器的要求也提高了，高 性能空调压缩机、高效率空调换热器、自动控 制技术、附配件质量及风道合理布置等课题的 研究开发工作日益受到重视。
端面 面积 dm2
深度
中心 容积 dm3
排量
dm
cm3
蒸发器 R134a CO2A CO2B 冷凝器 R134a 气体冷却器 CO2A CO2B 压缩机 R134a CO2
4.00 4.20 4.67 25.4 25.3 28.4
0.80 0.76 0.60 0.20 0.23 0.17
3.20 3.19 2.80 5.08 5.82 4.83 155 20.7
经试验证明，关闭所有车窗行驶比开车窗行驶阻 力小、节省油耗，在轿车上关车窗开空调后的 实际油耗仅比不开空调而开车窗行驶的油耗多 2％～3％，当车速超过60km／h后，开空调甚 至比不开空调油耗更省。 由于上列原因，汽车空调不仅大量用于各类乘用 车上，而且发展到各类卡车、农用车及特种用 车上。 目前美日两国的乘用车空调安装率已达90％左 右，而且大多采用自动控制。欧洲虽然由于气 温原因，空调车发展速度较慢，但近年来也加 快了发展步伐，尤其在高级轿车和大客车上。 我国的近邻韩国，汽车空调的发展速度也是惊人 的。
转速r/min1：●—1800，R134a； ●—1800，C02B O — 1800，C02A；▲ — 1000，R134a
×—1000，C02B； △—1000，C02A
转速r/min1：●—1800，R134a； ●—1800，C02B O — 1800，C02A；▲ — 1000，R134a
对于R134a的测试而言，蒸发器出口临近湿蒸汽 状态； 而对于CO2的测试而言，蒸发器完全处于湿蒸汽 状态下，而它被认为是实际系统的运行状态。 通过改变膨胀设备的开度，使得蒸发器和高压侧 压力变化。 在CO2系统中，由于超临界区域的放热过程，高 压侧压力的变化对循环性能有很大的影响。使 得系统COP最高的膨胀设备的开度被认为是在 给定的压缩机转速和第二流体状态下的最优性 能点。对于C02系统而言，最佳COP并不和最 高制冷量是的开度一致。
(5)、汽车车厢内乘员所占空间比例较大， 加上座椅和其它机械装置的高低不平， 直接影响了车厢内的风速分布和温度分 布的均匀性，从而影响了人体的舒适 性。 (6)、冷凝压力偏高。 (7)、制冷剂易泄漏。 (8)、汽车空调制冷系统中循环的制冷剂流 量变化范围较大，对系统设计要求高。
（发动机转速的从700r／min(怠速) 到6000r／min(高速)） 由于汽车空调自身的特点，汽车空调应比一般房间空 调具有更高的技术性能和工作可靠性。
CO2压缩机的排气量小得多,吸气密度大约是
R134a系统的7倍。 换热器：为尽可能地匹配迎风面积和深度，这里 提供了两套不同的换热器结构数据。 不管是对于蒸发器还是对于气体冷却器而言，B 组CO2系统换热器的迎风面积比R134a系统的换 热器大12％。但是， CO2蒸发器B的深度要小 得多，结果就导致它的中心容积比R134a蒸发 器要小12％。气体冷却器B的深度也较小，导 致它的中心容积比R134a冷凝器小7％。 CO2蒸发器A的迎风面积比R134a蒸发器大5％，但 是中心容积相等。气体冷却器A的迎风面积和 R134a冷凝器相等，但是它的深度大些，结果 就是它的中心容积比冷凝器大14％。在两个系 统中都用到了内部吸气换热器。
乘客车厢内空气流经两个室内换热器循环 (IHXl和IHX2)。 IHXl为空气除湿蒸发器，其翅片间距大， 能有效排除冷凝液。 IHX2在制冷过程中作为蒸发器运行、在供 热操作中作为气体冷却器运行。 发动机冷却剂和制冷剂之间的传热在制冷 剂—冷却剂换热器 (RCHX)中进行。 “回收”换热器(RHX)是空气/制冷剂逆流换 热器。 在加热运行时作为蒸发器使用，在冷却运 行时作为气体冷却器使用。