制冷劑充注量對(duì)新型換熱器汽車空調(diào)的影響

(上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200240)

汽車在現(xiàn)代社會(huì)中的地位越來越重要，而90%以上的汽車都安裝有空調(diào)系統(tǒng)。隨著人們對(duì)汽車空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能與環(huán)保的要求越來越高，對(duì)汽車空調(diào)系統(tǒng)的研究也得到越來越多的關(guān)注。各種各樣新型的汽車空調(diào)壓縮機(jī)、換熱器以及節(jié)流機(jī)構(gòu)被不斷提出并得到應(yīng)用，以及對(duì)汽車空調(diào)系統(tǒng)控制策略的改進(jìn)，都使得汽車空調(diào)系統(tǒng)的性能不斷提高。與此同時(shí)，減少制冷劑的充注量也成為研究中的一個(gè)重點(diǎn)，汽車空調(diào)中制冷劑R134a的GWP值為1300，溫室效應(yīng)潛能比較高，充注量的減少意味著最終直接排放到環(huán)境中的制冷劑也就越少。

對(duì)于制冷劑充注量早期的研究大多集中于家用空調(diào)和商用空調(diào)[1～3]，而汽車空調(diào)系統(tǒng)中制冷劑泄露的問題更加突出，對(duì)環(huán)境的影響也更為嚴(yán)重。Eric B. Ratts 和 J. Steven Brown[4]曾對(duì)汽車空調(diào)系統(tǒng)制冷劑的充注量進(jìn)行相關(guān)研究，他們主要研究制冷劑泄露對(duì)汽車空調(diào)系統(tǒng)性能的影響，并分析了各個(gè)部件的泄露比例。劉洪勝等[5]曾對(duì)CO2轎車空調(diào)系統(tǒng)制冷劑充注量對(duì)系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。然而目前國(guó)際上對(duì)于是否使用CO2作為新型的汽車空調(diào)制冷劑還存在爭(zhēng)議，目前主要使用的汽車空調(diào)制冷劑仍然為R134a。業(yè)內(nèi)許多研究人員也都把重點(diǎn)放在R134a系統(tǒng)性能的提升方面，因此R134a系統(tǒng)制冷劑充注量對(duì)性能的影響是亟需解決的研究課題。中國(guó)市場(chǎng)上2006年汽車的平均制冷劑充注量為536g，與1995年的700g相比減少了23%[6]，正是在這樣的背景下對(duì)比研究了過冷式冷凝器[7]等新型換熱器的汽車空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的充注量，以及不同充注量對(duì)各個(gè)部件以及系統(tǒng)整體性能的影響，并且在確定汽車空調(diào)系統(tǒng)制冷劑的最佳充注量的基礎(chǔ)上揭示了系統(tǒng)性能提高的根本原因。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及樣件

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與條件

實(shí)驗(yàn)在汽車空調(diào)焓差實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1，由冷凝器室，蒸發(fā)器室，壓縮機(jī)箱及控制柜等部分組成。在蒸發(fā)器室和冷凝器室內(nèi)分別有制冷系統(tǒng)和加熱加濕系統(tǒng)來控制環(huán)境狀態(tài)，并且安裝有風(fēng)洞為樣件送風(fēng)，在系統(tǒng)的各個(gè)測(cè)點(diǎn)安裝有溫度壓力傳感器采集數(shù)據(jù)并傳遞給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)臺(tái)中各個(gè)主要數(shù)據(jù)測(cè)量的誤差見表1，各個(gè)測(cè)量值相對(duì)不確定度[8]見表2。

圖1 汽車空調(diào)綜合性能試驗(yàn)臺(tái)Fig.1 Calorimeter room for mobile air conditioning

表1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要參數(shù)測(cè)量精度Tab.1 Measured parameters and the precision

表2 實(shí)驗(yàn)主要測(cè)量結(jié)果的相對(duì)不確定度Tab.2 Uncertainties in experimental results

對(duì)系統(tǒng)充注量的研究只需對(duì)樣件工作的環(huán)境狀態(tài)，樣件的風(fēng)量以及壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)置，對(duì)樣件進(jìn)出口制冷劑狀態(tài)不進(jìn)行設(shè)定，這樣不同制冷劑充注量對(duì)系統(tǒng)性能的影響更加真實(shí)，更容易對(duì)比。由于試驗(yàn)臺(tái)與實(shí)際汽車的管路相差比較大，為了使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加可信，做出如下假設(shè):對(duì)于同一套空調(diào)系統(tǒng)，相同運(yùn)行狀態(tài)下，焓差臺(tái)與實(shí)際汽車上的制冷劑充注量相差恒定，并以試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)工況采用一般車輛運(yùn)行的城市工況(表3)。為了保護(hù)壓縮機(jī)和保證實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行，在實(shí)驗(yàn)開始之前系統(tǒng)預(yù)先充注了800g制冷劑，然后逐次增加50g制冷劑，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)量制冷劑充注量的電子秤量程為30kg，測(cè)量精度為±0.1g。

表3 實(shí)驗(yàn)工況Tab.3 The test condition

1.2 實(shí)驗(yàn)樣件

現(xiàn)今的汽車空調(diào)系統(tǒng)中主要采用的是層疊式蒸發(fā)器和平行流冷凝器，而隨著技術(shù)的進(jìn)步，微通道蒸發(fā)器和過冷式冷凝器[9]將成為今后汽車空調(diào)換熱器的發(fā)展方向。針對(duì)傳統(tǒng)的汽車空調(diào)系統(tǒng)及新型汽車空調(diào)系統(tǒng)分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，兩系統(tǒng)的不同之處主要在于新型系統(tǒng)中采用了更優(yōu)化的換熱器，試驗(yàn)過程中膨脹閥、壓縮機(jī)和管路均沒有任何改變。如圖2所示，經(jīng)過改進(jìn)的系統(tǒng)制冷性能上與之前相比有了很大提高，制冷量提高了18%左右。

圖2 城市工況下系統(tǒng)制冷量對(duì)比Fig.2 Comparison of cooling capacity under city conditions

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

制冷劑充注量對(duì)汽車空調(diào)系統(tǒng)性能的影響，主要看膨脹閥和貯液罐是否能夠正常發(fā)揮作用。在汽車空調(diào)系統(tǒng)中，膨脹閥根據(jù)蒸發(fā)器出口過熱度來調(diào)節(jié)開度，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的制冷劑流量。儲(chǔ)液罐中也可以儲(chǔ)存一定量液態(tài)制冷劑，達(dá)到控制系統(tǒng)制冷劑流量的目的。合適的制冷劑充注量可以在膨脹閥的作用下保證蒸發(fā)器出口有合適的過熱度，并在儲(chǔ)液罐的作用下保證冷凝器出口具有足夠的過冷度。

2.1 最佳充注量的確定

冷凝器出口過冷度是判斷汽車空調(diào)系統(tǒng)中制冷劑充注量是否合適的最重要的依據(jù)。實(shí)驗(yàn)中傳統(tǒng)系統(tǒng)與新型系統(tǒng)冷凝器出口過冷度隨制冷劑充注量的變化曲線如圖3。可以看到在實(shí)驗(yàn)的起始階段，由于制冷劑充注量較少，冷凝器出口幾乎沒有任何過冷度，這對(duì)整個(gè)制冷系統(tǒng)的性能都是很不利的。隨著制冷劑充注量的增加，冷凝器出口開始有一定的過冷度并且越來越大，在制冷劑充注量達(dá)到一定程度的時(shí)候，冷凝器出口過冷度會(huì)有一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的階段，這是由于儲(chǔ)液罐內(nèi)儲(chǔ)存了一定的制冷劑從而保證系統(tǒng)中制冷劑的流量比較穩(wěn)定。當(dāng)系統(tǒng)中制冷劑充注量繼續(xù)增大，儲(chǔ)液罐被制冷劑充滿以后，冷凝器出口過冷度將迅速增大，過大的冷凝器出口過冷度可能導(dǎo)致蒸發(fā)器入口的制冷劑不是兩相的，從而降低蒸發(fā)器能力。根據(jù)以上分析，從圖3可以看出，過冷度變化相對(duì)平緩的位置即為最佳充注量。新型換熱器汽車空調(diào)和傳統(tǒng)汽車空調(diào)對(duì)應(yīng)的制冷劑充注量分別約為1200g與1300g。由于傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)實(shí)車充注量約為600g，則采用新型換熱器的汽車空調(diào)實(shí)車充注量應(yīng)該為500g左右。

圖3 冷凝器出口過冷度隨制冷劑充注量變化關(guān)系Fig.3 Sub-cool at the condenser outlet with the R134a charge quantity

2.2 制冷劑充注量對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)的影響

圖4和圖5顯示了壓縮機(jī)排氣壓力和排氣溫度隨制冷劑充注量變化關(guān)系曲線。壓縮機(jī)的排氣溫度隨著制冷劑充注量增加而降低，排氣壓力慢慢上升。這是由于隨著制冷劑充注量的增加，壓縮機(jī)吸氣過熱度將逐漸減小，導(dǎo)致排氣溫度降低，此時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行比較穩(wěn)定。而隨著制冷劑充注量的進(jìn)一步加大，將導(dǎo)致蒸發(fā)壓力提高，使得蒸發(fā)器中制冷劑的飽和溫度上升，制冷量減少。這樣即使過熱度很小還是會(huì)使壓縮機(jī)吸氣溫度較高，從而導(dǎo)致排氣溫度上升，排氣壓力上升也非?？臁Ｓ纱丝梢?，制冷劑充注量過少或過多都會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)排氣溫度過高，高溫可能使壓縮機(jī)內(nèi)潤(rùn)滑油失效，對(duì)汽車空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來不利影響。而且制冷劑充注量過多還會(huì)使壓縮機(jī)吸氣過熱度降低，使壓縮機(jī)有液擊的危險(xiǎn)。

圖4 壓縮機(jī)排氣壓力隨制冷劑充注量的變化Fig.4 Compressor discharge pressure with the R134a charge quantity

圖5 壓縮機(jī)排氣溫度隨制冷劑充注量變化Fig.5 Compressor discharge temperature with the R134a charge quantity

2.3 制冷劑充注量與系統(tǒng)匹配性能分析

圖6顯示了傳統(tǒng)系統(tǒng)和新型系統(tǒng)中COP 隨充注量的變化關(guān)系。系統(tǒng)COP是由制冷能力和壓縮功共同決定的，隨著制冷劑充注量的增加，制冷量和壓縮功都增大，但是在起始階段傳統(tǒng)系統(tǒng)的制冷量增加的速度比壓縮功增加的速度快，所以COP呈上升的趨勢(shì)。新型系統(tǒng)的制冷量和COP都比較穩(wěn)定，說明制冷量和壓縮功增加的速度比較一致。這是因?yàn)檫^冷式冷凝器的儲(chǔ)液干燥器一般會(huì)位于最后一個(gè)(或兩個(gè))制冷劑流路之前，與冷凝器形成模塊化結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)充注量?jī)?yōu)化的情況下，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠給系統(tǒng)帶來更大的制冷劑過冷度，即使系統(tǒng)泄露較大或工況較惡劣的情況下，仍然能夠使得閥前制冷劑處于飽和或過冷狀態(tài)。在制冷劑充注量合適的情況下，新型換熱器系統(tǒng)的COP提高了約5%。此外，對(duì)于這兩種系統(tǒng)，制冷劑充注量過多都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)COP的下降。

兩種系統(tǒng)最佳充注量時(shí)的工作循環(huán)logP-H圖如下(圖7)，可以看到新型系統(tǒng)的最佳充注量較小，但是由于冷凝壓力較高，過冷度較大，仍然可以獲得更大的制冷量，系統(tǒng)的性能更好。

圖6 COP 隨制冷劑充注量的變化關(guān)系Fig.6 COP with the R134a charge quantity

圖7 最佳充注量下系統(tǒng)循環(huán)的logP-H 圖Fig.7 The system logP-H diagram at the optimum R134a charge quantity

3 結(jié)論

1)采用過冷式冷凝器和微通道蒸發(fā)器新型換熱器汽車空調(diào)，制冷性能上與傳統(tǒng)汽車空調(diào)相比，制冷量提高了18%左右，COP提升了約5%。

2)由于過冷式冷凝器的存在，新系統(tǒng)COP在制冷劑充注量比較少的時(shí)候也保持在一個(gè)較高的水平，新型換熱器能夠保護(hù)系統(tǒng)在有一定制冷劑泄漏量的情況下運(yùn)行平穩(wěn)。

3)無論是傳統(tǒng)的汽車空調(diào)系統(tǒng)還是采用了微通道蒸發(fā)器和過冷式冷凝器的新型系統(tǒng)中都存在一個(gè)最佳充注量。當(dāng)系統(tǒng)充注量最佳時(shí)，在閥的作用下保證蒸發(fā)器出口過熱度穩(wěn)定，儲(chǔ)液罐也可以確保冷凝器出口過冷度合適，使系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)。而傳統(tǒng)系統(tǒng)制冷劑最佳充注量為600g，新型系統(tǒng)制冷劑最佳充注量為500g，在連接管路相同的情況下，新型系統(tǒng)所需的制冷劑量更少，在獲得更優(yōu)性能的同時(shí)節(jié)約制冷劑，降低溫室氣體的排放量，達(dá)到環(huán)保的目的。

[1] D Y Goswami, G Ek, M Leung, et al. Effect of refrigerant charge on the performance of air conditioning systems[J].International Journal of Energy Research, 2001, 43(4):741-750.

[2] F.Poggi, H.Macchi-Tejeda, D.Leducq, et al. Refrigerant charge in refrigerating systems and strategies of charge reduction[J]. International Journal of Refrigeration, 2008,31(3): 353-370.

[3] Naer Vjacheslav, Andrey Rozhent sev, Wang Chichuan.Rationally based model for evaluating the optimal refrigerant mass charge in ref rigerating machines[J].Energy Conversion and Management, 2001, 42:2083-2095.

[4] Ratt s E B, Brown J S1. An experimental analysis of the effect of refrigerant charge level on an automotive refrigeration system[J]. Int. J. Therm. Sci, 2000 , 29: 592-604.

[5] 劉洪勝, 陳江平, 陳芝久. CO2充注量對(duì)跨臨界轎車空調(diào)系統(tǒng)性能的影響[J]. 化工學(xué)報(bào), 2005, 56(8):1426-1432.(Liu Hongsheng, Chen Jiangping, Chen Zhijiu. Impact of CO2mass charge on trans-critical automotive air conditioning system[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering(China), 2005, 56(8):1426-1432)

[6] 陳江平, 施駿業(yè), 趙宇. 國(guó)內(nèi)外汽車空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展動(dòng)向[J]. 化工學(xué)報(bào), 2008, 59(S2): 9-13 (Chen Jiangping,Shi Junye, Zhao Yu, International latest development of automotive air-conditioning system[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering(China), 2008,59(S2):1426-1432).

[7] 陳江平. 國(guó)外汽車空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[J]. 制冷學(xué)報(bào), 2002, 23(4): 30-33 (Chen Jiangping. Technique development tendency of the international automotive airconditioning system[J]. Journal of Refrigeration, 2002,23(4): 30-33.

[8] R. J. Moffat. Describing the Uncertainties in Experimental Results[J]. Experimental Thermal and Fluid. Science,1998, 1(1):3-17.

[9] 祁照崗. 基于部件優(yōu)化的汽車空調(diào)系統(tǒng)性能提升研究[D]. 上海:上海交通大學(xué).2005.