二氧化碳汽车空调系统应用研究进展(二)
———部件设计改进
Ξ
上海交通大学  陈江平　简晓文　穆景阳　陈芝久
摘　要　着重介绍了二氧化碳车用空调系统主要部件压缩机、节流阀及换热器的研
究进展，以及二氧化碳汽车空调系统实用化尚存在的问题。
关键词　二氧化碳　汽车空调　系统设计
  跨临界二氧化碳循环的采用[1]，使C O 2作为
汽车空调的制冷工质变得现实可行。但由于其工作压力远远超过亚临界循环(蒸发压力为3～4MPa 冷却压力为10～13MPa )，给压缩机、换热器及管路的机械设计与密封带来一些特殊的问题,
系统与部件结构需要进行较大改进。本文对欧美一些国家近年来关于二氧化碳车用空调系统主要部件的结构设计进行了综述与探讨，以供国内研究者参考。
1　压缩机设计
压缩机作为系统效率及可靠性影响最大的部件，应当充分结合二氧化碳超临界循环具体特点重新进行设计。C O 2和氨一样，其绝热指数K 值较高，达1130，这可能会使压缩机排气温度偏高，但由于C O 2的低压工作压力P 0很高，因而压缩机的压比π=P H /P 0却比其他制冷剂系统的低得多，因此不会象氨系统那样需要对压缩机本身进行冷却。正因为绝热指数K 值高，压比小，可减小压缩机余隙容积的再膨胀损失，使压缩机容积
效率较高。这已由样机测试结果所证实[2、3]
。
同时，因为二氧化碳压缩机的吸排气压力均比R134a 压缩机的大得多，因而选择压缩机类型及合理的压缩机设计显得尤为重要。经过实验和理论研究,Jurgen S UB 和H orst K ruse 发现在压缩机压力损失、气体与汽缸传热及汽缸泄漏几个影响压缩过程的因素中，汽缸泄漏的影响最大，其余
因素与其相比可以忽略[2]。汽缸泄漏又分为进出气阀泄漏和活塞与汽缸泄漏，其中活塞间隙泄
漏占了很大份额，是影响压缩过程的最重要因素。
图1　几种常见压缩机的G VL 值
11柱塞式(单缸);21柱塞式(双缸);31轴塞式(汽缸);41摆动式(2/3);51静叶片式;61双螺旋式(4/6);
71涡旋式;81回转叶片式(4叶片)
为了比较不同类型压缩机的汽缸活塞泄漏量,Jurgen S UB 和H orst K ruse 引入了泄漏因子作为比较参数，定义泄漏因子:
G VL =
Uh 3
VL
式中　h ———间隙高度
  　L ———间隙长度  　U ———间隙圆周长  　V ———汽缸体积
几种常见压缩机的G VL 值如图1所示。往复式压缩机，主要是柱塞和轴塞式压缩机凭借油润滑，在汽缸壁和活塞之间存在良好的油膜滑动密封，成为二氧化碳系统的首选。图2为NTH -SI NTEF 实验装置中采用的由三缸斜盘式压缩机(DANFOSS 研制)和K onvecta 客车空调系统中的压缩机(Bock 研制)剖视图。
Ξ本文研究系上海汽车工业发展基金资助项目
收稿日期:1999—10—15
图2　用于轿车空调及客车空调系统的二氧化碳压缩机结构
(a)轿车空调压缩机三缸斜盘式，排量26cm3，缸径1815mm，行程3119mm,
(b)客车空调压缩机两缸直列式，排量120cm3，缸径28mm，行程4910mm  　轿车空调压缩机样机的旋转盘、连接杆及轴
承均取自标准的七缸CFC12压缩机，而并非专门设计；压缩机的容重比未进行优化，仅根据制冷剂循环量的需要设计了3个小于9cm3容量的缸；压缩机采用传统的(压力平衡式)机械轴封及挡板式吸排气阀；每一个活塞有一个活塞环。
客车空调压缩机由系列生产的BOCK FK X3开式压缩机改造而成，外型尺寸完全一样，除曲轴外，其它部件均为使用C O2而作了调整。压缩机采用2个直列式汽缸，缸径28mm，行程49mm，这样将原先233cm3的汽缸容积降到60cm3。压缩机润滑用一机带的齿轮泵进行，润滑油采用高粘度型油。
由于应用于汽车空调系统的二氧化碳压缩机汽缸体积小，以及存在潜在的高冲击速度，对传统使用的簧汽车空调压缩机
片阀提出了挑战，必须采用更为先进的气阀。BOCK对其二氧化碳压缩机排气阀进行了改进，排气改良后的二氧化碳压缩机效率提高了7%。
由于二氧化碳汽车空调系统采用高流速及不存在油囊，消除了油积累的可能性，使得系统中油循环不存在问题。C O2与润滑油的共溶性良好，可用矿物油，避免了开发专用润滑油的昂贵费用。
但是由于二氧化碳系统压力远远大于原有亚临界循环系统，压缩机的轴封设计要求比原有压缩机高得多，压缩机的轴封泄漏在一段时间内仍将是目前阻碍其实用化的主要原因。
2　热交换器
211　空气冷却器
制冷循环中的散热由空气冷却器完成，其作用相当于传统制冷循环中的冷凝器。在空气冷却器中,C O2工作在超临界状态下，始终处于气态，并不发生一般冷凝器中的冷凝液化过程。受物性的制约，空气冷却器中制冷剂侧压力很高，达11MPa左右。另外，由于C O2处于超临界状态，出口温度独立于出口压力，使它可以有较大的压降。因此，制冷剂侧往往设计成较大的流量密度(600～1200kg・m-2・s-1)和较小的管径(210～018mm)。同时，小管径也有助于承受较高的压力。
同样的平均温差下,C O2和R22的冷却曲线如图3所示。C O2的冷却曲线特性使采用小迎风面积、长空气
流道、低空气流速的逆流式换热器成为可能。相同换热量下，逆流式与叉流式的比较见表1。采用逆流式设计的气冷器接近方形，紧凑的结构和较小的空气流量可以使汽车空调中的空气冷却器不必一定放在散热器前，也可不放在汽车前部，有利于汽车整体优化设计，也避免了增加散热器的负荷以及车底热空气进入冷却器中。
最初的空气冷却器由Lorentzen和Pettersen于1990～1991年推出，其中冷却管为铝制机械涨管，肋片是铝制平肋片；空气侧流道长度为34mm。由于C O2进口管与出口管距离较近，导致两者之间通过肋片导热，在随后的设计中，在进出口管排间
加上裂缝，以阻止导热，另外，将进口管从中间移到后排，以进一步减小导热量。修正设计后，制冷剂出口温度与空气温差从1212K 降到317K (空气迎面风速215m/s )
。
图3　C O 2和R22的冷却曲线对比
ΔT m =1Q r
∫(T r -T a )d Q
  表1
逆流式与叉流式换热器的比较
叉流式
逆流式
迎风面积(mm 2)芯体深度(mm )芯体体积(10-3m 3)空气流速(m/s )空气体积流量(m 3/s )
空气典型温升(℃
)570×460348132150161310
250×20020010102150112550
进一步的模型计算表明，采用更小的管径有助于提高换热强度。同时，由于对最小爆炸压力的考虑，也要求缩小管径。因此,
Lorentzen 和Pet 2tersen 于1994年重新设计了气冷器，管径减小到312mm/210mm ，空气流道长度减小到21mm ，并且在第二、三管排之间采用了一排百叶窗代替垂直的裂缝。这样翅片仍是一体的，但第二、三排管之间仍存在导热。
由于过小的管径带来制造上的困难，增加了成本。在这种情况下，提出了铜制“平行流”空气冷却器的概念。一组平行的小直径换热管构成一个整体以便于制造。计算和实验都表明这种换热器有较大的潜力，管径更小，换热强度更高，结构更为紧凑，成为空气冷却器的新标准。
“平行流”空气冷却器由积液管，平行微管以及微管间的空气肋片构成。微管嵌入积液管的“插槽”上，结构示意图如图4所示。
图4　平行流式C O 2气冷器结构
出于对最小爆炸压力的考虑，在保证足够截面积的前提下，积液管设计为两根平行但连通的圆管。管内可以用平板沿垂直于制冷剂流动的方向上隔开以实现两根积液管间的多流程。空气流道的长度减小到了1615mm 。其它几种性能参数的比较见表2。其中，出口温差越低，说明换热越完全，也意味着更高的COP 值。这也提供了一个增强换热同时减小制冷剂侧压降的例子。
  表2几种空气冷却器的性能参数比较
圆管(1990～1991)圆管(1994)平行微管
(1997)
迎风面积(m 2)
管径(外径/内径)(mm )
管数/流程数空气侧流道长度(mm )芯体体积(10-3m 3)总体积(10-3m 3)总质量(kg )
空气侧换热面积(m 2)制冷剂侧压降(MPa )
出口温差(℃
)01243
419/31472/3348138174131111013231701277312/210120/1021518611216915014731601290017939/416154185172188140110110
212　蒸发器
二氧化碳制冷系统中，典型的蒸发压力为315～710MPa ，是传统制冷剂用蒸发器的10倍左
右。由于C O 2的物性特点，蒸发器的发展也是一个管径越来越小、流量密度越来越高、换热系数越来越大的过程(见表3)。由表3可看出,“平行流”式蒸发器与原C O 2和HFC134a 蒸发器相比有相同或较高的性能。
C O 2蒸发器也是由积液管、平行微管和微管
间的空气肋片构成。蒸发器所需的微管数较多，同样出于强度方面的考虑，积液管由4根平行的小直径管构成。结构形式与空气冷却器相同，积液管和传热微管的截面积如图5所示。
实用中，蒸发器由两组微管沿空气方向串联构成，每组分3个流程。C O 2制冷剂从图上右下角的进口管进入蒸发器的后组换热微管，经3个
流程后到达左上角的连接器，并由此进入前组换热管；再过3个流程后，到达右下角前组的制冷液
出口管。也有将前组换热管设计为4流程，可以提高一定量的换热效率。
表3
几种C O 2和HFC134a 蒸发器的性能参数比较
圆管
(1990～1991)
圆管(1994)
平行微管(1997)
HFC134a 蒸发器迎风面积
(m 2)
管径(外径/内径)(mm )
管数/流程数空气侧流道长度(mm )芯体体积(10-3m 3)总体积(10-3m 3)总质量(kg )
空气侧换热面积(m 2)制冷剂侧压降(MPa )
制冷量(kW )
01066419/31460/568415510212610116516
01038312/210143/1387313317116519411514
010********/791318414212316111610
01041
92318419119316513
图5　紧凑式C O 2蒸发器结构
  213　中间换热器
二氧化碳系统以内部气体换热器取代原来吸
气软管及液体管，采用逆向双管系统，图6为美国UI UC 大学Hrnjak 教授研究小组采用的二氧化碳汽车空调中间换热器结构[3]，中间换热器采用双层铝管，利用回热原理提高系统效率，使节流前制冷剂处于过冷状态，保持节流机构工作稳定。
图6　中间换热器结构与尺寸
3　节流机构
二氧化碳跨临界制冷循环节流前的高压制冷剂不是冷凝液体，环境温度对系统性能的影响大为减小，系统性能基本上由高压侧压力所决定，可以通过控制节流阀的大小调节高压侧压力，从而实现对系统冷量的控制，在K onvekta 设计的汽车空调中仍采用热力膨胀阀作为节流元件[2]。二氧化碳跨临界制冷循环具有在一定范围内可连续调节冷量的优点，受环境影响不大，适用于汽车空调系统。在车室温度较高工况下可加大制冷量，显著缩短制冷时间。对膨胀阀来说，控制制冷量能力已不是简单传统意义的概念了。由于系统中存在回热器，蒸发器的过热度控制已失去意义。因此有些学者采用吸气压力调节阀作为节流元件及
流量调节机构[4]。
  4　结论
(1)二氧化碳汽车空调系统部件的设计已经
从初步的功能实现进入了性能优化阶段,
性能可靠的压缩机、高效换热器及系统循环结构的改进使二氧化碳汽车空调系统的实用化成为现实。
(2)二氧化碳压缩机的轴封泄漏问题是二氧化碳汽车空调系统实用化的主要障碍。
(3)中间换热器对二氧化碳系统性能影响显著，经过优化的中间换热器可使系统COP 增大25%，制冷量提高10%。
(4)由于采用了回热结构，蒸发器出口过热度的控制不再重要，可采用其它节流控制元件代替热力膨胀阀。
参考文献
1　Jurgen SuB ,H orst K ruse.E fficiency of the indicated
process of C O 2-compresser.Int.J.of Refrig.,1998;21(3):194～201
2　Pettersen J ,Hafner A ,Skaugen G.Development of
compact heat exchangers for C O 2air -conditioning systems.Int.J.of Refrig.,1998;21(3):180～1933　Boewe D et al.The role of suction line heat exchanger
in transcritical R744m obile A/C systems ,S AE paper 990583,1999
4　McEnaney R P et al.Experimental comparis on of m o 2bile A/C systems when operated with transcritical C O 2versus convenyional R134a ,1998International Refrig 2eration C on ference at Purdue :145～150
作者简介：陈江平，男,1970年生，博士，副教授。通讯地址:
200030上海市华山路1954号上海交通大学制冷与低温工程系。
溴化锂降膜式发生器的强化传热研究
Ξ
同济大学  王长庆上海交通大学  陆　震
摘　要　介绍了用带纵槽的螺旋槽管制成的降膜式发生器的强化传热实验，并对试验结果进行了分析，最后给出了有关结论。
关键词　溴化锂　降膜式发生器　传热传质　强化　螺旋槽管  1　前言
对于使用低品位热源作为驱动的吸收式装
置，采用降膜式发生器可对其传热传质进行改善。降膜式发生器能在较小的温差下，获得较高的热流密度与较大的传热系数，它比沉浸式发生器要好。采用降膜式发生器克服了沉浸式发生器管外传热热阻大、传热受静液柱影响大等缺点。当溶液喷淋在传热管外作降膜流动时，其传热传质效果较好，改善了溴化锂水溶液的发生过程，使发生器的效率提高。
螺旋槽管管外有成一定角度的螺旋槽肋片，它可以用来强化管外的传热传质。而对于溴化锂降膜式发生器来说，管内的换热相对较好，要提高发生器的性能，主要是对传热传质较薄弱的环节———管外进行强化。本文通过对用有纵槽的螺旋
槽管制成的降膜式发生器进行了实验研究，通过
实验可知，带有纵槽螺旋槽管可以用来强化降膜式发生器的传热传质，而且强化效果较好。
2　实验装置简介
为对强化管进行实验研究，我们建立了一套开式系统的实验装置，如图1所示。整个实验装置主要由锅炉、发生器、冷凝器、浓溶液桶、稀溶液桶、水箱、泵、真空泵、电加热器、管路及配件等构成。锅炉为发生器提供加热热源(蒸汽或热水)，如用蒸汽加热，则锅炉产生的蒸汽直接进入到发生器的管内；若
用热水加热，由锅炉产生的蒸汽送到水箱内加热产生热水，再提供给发生器，热水温度由设在水箱的温控器进行控制。发生器由8排带有纵槽的螺旋槽管构成，传热管上方有溴化锂
Ξ收稿日期:1999—10—19