制冷剂充注量对新型换热器汽车空调的影响

(上海交通大学制冷与低温工程研究所 上海 200240)

汽车在现代社会中的地位越来越重要，而90%以上的汽车都安装有空调系统。随着人们对汽车空调系统节能与环保的要求越来越高，对汽车空调系统的研究也得到越来越多的关注。各种各样新型的汽车空调压缩机、换热器以及节流机构被不断提出并得到应用，以及对汽车空调系统控制策略的改进，都使得汽车空调系统的性能不断提高。与此同时，减少制冷剂的充注量也成为研究中的一个重点，汽车空调中制冷剂R134a的GWP值为1300，温室效应潜能比较高，充注量的减少意味着最终直接排放到环境中的制冷剂也就越少。

对于制冷剂充注量早期的研究大多集中于家用空调和商用空调[1～3]，而汽车空调系统中制冷剂泄露的问题更加突出，对环境的影响也更为严重。Eric B. Ratts 和 J. Steven Brown[4]曾对汽车空调系统制冷剂的充注量进行相关研究，他们主要研究制冷剂泄露对汽车空调系统性能的影响，并分析了各个部件的泄露比例。刘洪胜等[5]曾对CO2轿车空调系统制冷剂充注量对系统性能的影响进行实验研究。然而目前国际上对于是否使用CO2作为新型的汽车空调制冷剂还存在争议，目前主要使用的汽车空调制冷剂仍然为R134a。业内许多研究人员也都把重点放在R134a系统性能的提升方面，因此R134a系统制冷剂充注量对性能的影响是亟需解决的研究课题。中国市场上2006年汽车的平均制冷剂充注量为536g，与1995年的700g相比减少了23%[6]，正是在这样的背景下对比研究了过冷式冷凝器[7]等新型换热器的汽车空调系统与传统空调系统的充注量，以及不同充注量对各个部件以及系统整体性能的影响，并且在确定汽车空调系统制冷剂的最佳充注量的基础上揭示了系统性能提高的根本原因。

1 实验设备及样件

1.1 实验设备与条件

实验在汽车空调焓差实验台上进行。实验台结构如图1，由冷凝器室，蒸发器室，压缩机箱及控制柜等部分组成。在蒸发器室和冷凝器室内分别有制冷系统和加热加湿系统来控制环境状态，并且安装有风洞为样件送风，在系统的各个测点安装有温度压力传感器采集数据并传递给计算机进行处理。实验台中各个主要数据测量的误差见表1，各个测量值相对不确定度[8]见表2。

图1 汽车空调综合性能试验台Fig.1 Calorimeter room for mobile air conditioning

表1 实验台主要参数测量精度Tab.1 Measured parameters and the precision

表2 实验主要测量结果的相对不确定度Tab.2 Uncertainties in experimental results

对系统充注量的研究只需对样件工作的环境状态，样件的风量以及压缩机的转速进行设置，对样件进出口制冷剂状态不进行设定，这样不同制冷剂充注量对系统性能的影响更加真实，更容易对比。由于试验台与实际汽车的管路相差比较大，为了使实验数据更加可信，做出如下假设:对于同一套空调系统，相同运行状态下，焓差台与实际汽车上的制冷剂充注量相差恒定，并以试验数据验证。实验工况采用一般车辆运行的城市工况(表3)。为了保护压缩机和保证实验顺利进行，在实验开始之前系统预先充注了800g制冷剂，然后逐次增加50g制冷剂，系统运行稳定后记录数据。实验过程中测量制冷剂充注量的电子秤量程为30kg，测量精度为±0.1g。

表3 实验工况Tab.3 The test condition

1.2 实验样件

现今的汽车空调系统中主要采用的是层叠式蒸发器和平行流冷凝器，而随着技术的进步，微通道蒸发器和过冷式冷凝器[9]将成为今后汽车空调换热器的发展方向。针对传统的汽车空调系统及新型汽车空调系统分别进行实验研究，两系统的不同之处主要在于新型系统中采用了更优化的换热器，试验过程中膨胀阀、压缩机和管路均没有任何改变。如图2所示，经过改进的系统制冷性能上与之前相比有了很大提高，制冷量提高了18%左右。

图2 城市工况下系统制冷量对比Fig.2 Comparison of cooling capacity under city conditions

2 实验结果及分析

制冷剂充注量对汽车空调系统性能的影响，主要看膨胀阀和贮液罐是否能够正常发挥作用。在汽车空调系统中，膨胀阀根据蒸发器出口过热度来调节开度，从而调节系统的制冷剂流量。储液罐中也可以储存一定量液态制冷剂，达到控制系统制冷剂流量的目的。合适的制冷剂充注量可以在膨胀阀的作用下保证蒸发器出口有合适的过热度，并在储液罐的作用下保证冷凝器出口具有足够的过冷度。

2.1 最佳充注量的确定

冷凝器出口过冷度是判断汽车空调系统中制冷剂充注量是否合适的最重要的依据。实验中传统系统与新型系统冷凝器出口过冷度随制冷剂充注量的变化曲线如图3。可以看到在实验的起始阶段，由于制冷剂充注量较少，冷凝器出口几乎没有任何过冷度，这对整个制冷系统的性能都是很不利的。随着制冷剂充注量的增加，冷凝器出口开始有一定的过冷度并且越来越大，在制冷剂充注量达到一定程度的时候，冷凝器出口过冷度会有一个相对稳定的阶段，这是由于储液罐内储存了一定的制冷剂从而保证系统中制冷剂的流量比较稳定。当系统中制冷剂充注量继续增大，储液罐被制冷剂充满以后，冷凝器出口过冷度将迅速增大，过大的冷凝器出口过冷度可能导致蒸发器入口的制冷剂不是两相的，从而降低蒸发器能力。根据以上分析，从图3可以看出，过冷度变化相对平缓的位置即为最佳充注量。新型换热器汽车空调和传统汽车空调对应的制冷剂充注量分别约为1200g与1300g。由于传统的空调系统实车充注量约为600g，则采用新型换热器的汽车空调实车充注量应该为500g左右。

图3 冷凝器出口过冷度随制冷剂充注量变化关系Fig.3 Sub-cool at the condenser outlet with the R134a charge quantity

2.2 制冷剂充注量对压缩机运行参数的影响

图4和图5显示了压缩机排气压力和排气温度随制冷剂充注量变化关系曲线。压缩机的排气温度随着制冷剂充注量增加而降低，排气压力慢慢上升。这是由于随着制冷剂充注量的增加，压缩机吸气过热度将逐渐减小，导致排气温度降低，此时系统运行比较稳定。而随着制冷剂充注量的进一步加大，将导致蒸发压力提高，使得蒸发器中制冷剂的饱和温度上升，制冷量减少。这样即使过热度很小还是会使压缩机吸气温度较高，从而导致排气温度上升，排气压力上升也非常快。由此可见，制冷剂充注量过少或过多都会导致压缩机排气温度过高，高温可能使压缩机内润滑油失效，对汽车空调系统的稳定运行带来不利影响。而且制冷剂充注量过多还会使压缩机吸气过热度降低，使压缩机有液击的危险。

图4 压缩机排气压力随制冷剂充注量的变化Fig.4 Compressor discharge pressure with the R134a charge quantity

图5 压缩机排气温度随制冷剂充注量变化Fig.5 Compressor discharge temperature with the R134a charge quantity

2.3 制冷剂充注量与系统匹配性能分析

图6显示了传统系统和新型系统中COP 随充注量的变化关系。系统COP是由制冷能力和压缩功共同决定的，随着制冷剂充注量的增加，制冷量和压缩功都增大，但是在起始阶段传统系统的制冷量增加的速度比压缩功增加的速度快，所以COP呈上升的趋势。新型系统的制冷量和COP都比较稳定，说明制冷量和压缩功增加的速度比较一致。这是因为过冷式冷凝器的储液干燥器一般会位于最后一个(或两个)制冷剂流路之前，与冷凝器形成模块化结构，在系统充注量优化的情况下，该结构设计能够给系统带来更大的制冷剂过冷度，即使系统泄露较大或工况较恶劣的情况下，仍然能够使得阀前制冷剂处于饱和或过冷状态。在制冷剂充注量合适的情况下，新型换热器系统的COP提高了约5%。此外，对于这两种系统，制冷剂充注量过多都会导致系统COP的下降。

两种系统最佳充注量时的工作循环logP-H图如下(图7)，可以看到新型系统的最佳充注量较小，但是由于冷凝压力较高，过冷度较大，仍然可以获得更大的制冷量，系统的性能更好。

图6 COP 随制冷剂充注量的变化关系Fig.6 COP with the R134a charge quantity

图7 最佳充注量下系统循环的logP-H 图Fig.7 The system logP-H diagram at the optimum R134a charge quantity

3 结论

1)采用过冷式冷凝器和微通道蒸发器新型换热器汽车空调，制冷性能上与传统汽车空调相比，制冷量提高了18%左右，COP提升了约5%。

2)由于过冷式冷凝器的存在，新系统COP在制冷剂充注量比较少的时候也保持在一个较高的水平，新型换热器能够保护系统在有一定制冷剂泄漏量的情况下运行平稳。

3)无论是传统的汽车空调系统还是采用了微通道蒸发器和过冷式冷凝器的新型系统中都存在一个最佳充注量。当系统充注量最佳时，在阀的作用下保证蒸发器出口过热度稳定，储液罐也可以确保冷凝器出口过冷度合适，使系统的性能达到最优。而传统系统制冷剂最佳充注量为600g，新型系统制冷剂最佳充注量为500g，在连接管路相同的情况下，新型系统所需的制冷剂量更少，在获得更优性能的同时节约制冷剂，降低温室气体的排放量，达到环保的目的。

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