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1、1998 年第 1 期 能源研究与利用 11 节能技术与产品固体吸附制冷汽车空调的研制张立志王 玲大连理工大学内燃机研究所提要本文介绍了汽车空调的发展概况及其对生态环境的不良影响 , 分析了目前汽车空调压缩制冷的替代工质的研究进展 ,探讨了国外几种采用自 然工质的新型汽车空调制冷方式的性能特点。通过对汽车余热和空调负荷的分 析,对一种新的汽车空调制冷方式 余热固体吸附制冷进行了可行性分析。一、引言当前全球性的环境问题引起了世界各 国的普遍关注, 从 1972 年联合国召开第一 次国际环境会议(斯德哥尔摩)并通过人 类环境宣言起 ,日益恶化的生态危机已成 为全人类共同的话题。从内罗毕宣言到 里约
2、环境与发展宣言及21 世纪议程 , 世界各国都认识到全人类必须共同行动起 来,保护自己的家园。在经济增长方式上, 从过去片面强调“高速发展”转向“人与自 然的协调发展” ,“可持续发展”成为各国纷 纷选择的发展模式并成为研究的热点。在全球十大环境问题中, 臭氧层耗损、 温室效应及全球变暖、酸沉降危害等三大 生态危机都与过去几十年间 CFCs 在汽车 空调中的广泛使用有关。汽车空调对生态 环境的影响来自两个方面, 首先它作为高 耗能产品 ,要增加汽车的燃料消耗 ,加速能 源枯竭并增加汽车排放对大气的污染 ;其 次由于汽车空调制冷剂泄漏量惊人 , 它是 大气臭氧层破坏和地球发生温室效应的主 要原因
3、。作为对生态环境有重大影响的产业, 汽车空调在全球环境意识日益增强、各国 环保法律日益健全的今天, 正经受着巨大 的变革。开发研制使用无公害工质、节能的新型汽车空调成为有经济、生态等多方 面积极意义的科研课题。世界各国在这方 面已投入相当的人力、物力进行研究 ,并已 有不少新产品问世。二、新型汽车空调的研制1.汽车空调发展概况 汽车空调 应该包括汽车上的冷气、暖气、通风和净化 装置, 但是现在不少国家常把汽车空调装 置当作空冷器的同义词 , 目前我国也沿袭 了大部分国家的习惯把空调仅仅看作是制 冷。与房间空调器相比 , 汽车空调具有房 间空调器所不可能遇到的特殊问题。夏季 汽车在室外行驶, 太
4、阳的辐射热通过车体 传热至车内 , 致使车内温度可达 50 60 ,加之现代汽车的窗玻璃面积占车外 表面的比例越来越大, 几乎占了前、后、侧 围面积的一半以上, 这样不仅使透过玻璃 进来的辐射热增加,而且减少了车箱热阻 , 增加了车内外的温差传热量。如果密封不 良 ,车外热空气还将通过门窗、地板缝隙渗 入车内 ,带来大量新风热。另外 ,车内乘员 密度大 ,人体通过辐射、对流及呼吸和排汗 将散发大量的湿热。发动机、车载电器等 设备也会把部分热量传入车内。为保证卫 生标准及良好舒适的车内空气环境 ,每个 12 能源研究与利用 1998 年第 1 期乘员必须保证 15 25m3/h 的新风换气 压蒸
5、汽经过压缩机压缩升压 ,然后在冷凝量。所有这些热量构成了汽车空调冷负 器中散热冷凝变成高压过冷液体 ,最后又荷,再加上冷却空气凝结负荷 (可占空调冷 流回储液器中, 从而完成了制冷剂的一个负荷的 20 40 %), 使得汽车空调负荷很 循环。车内湿而热的空气在风机驱动下流大, 通常小轿车空调制冷量为 2.8 过蒸发器 ,降温除湿后 ,冷而干的空气被送5.0kW ;小型客车 7 10.5kW ;中型客车 回车内, 达到空调的目的。冷凝器的热量14kW ;大型客车 20 35kW 。 在车外直接由风扇排放到周围大气中去。现在几乎所有的汽车空调都采用以 汽车空调使用的活塞式压缩机要消耗CFC 12
6、为制冷剂的蒸汽压缩循环制冷 大量的机械功 , 见表 1 , 通常开动空调后 ,方式。这种汽车空调系统由压缩机、冷凝 汽车发动机功率要降低 10 12 %, 耗油增器、储液器、臌胀阀和蒸发器组成。从储液 加 10 20 %,在大、中型客车上 , 常常另外器中流出的液态制冷剂经过臌胀阀节流降 需要使用一个独立的副发动机如 480 柴油压、降温 , 变成低压湿蒸汽在蒸发器中吸热 机等来驱动空调系统。蒸发 ,从蒸发器出来的有一定过热度的低表 1 几种汽车空调性能参数设备型号 生产商 重量(kg) 制冷量(kW) 压缩机功率(kW)Capri280 Carrier(美) 340 23.5 13.1T S
7、eries Thermo King(美) 410 24.0 11.8BS400FTC RTC 日本三菱公司 320 14.0 5.9DBC 531C 日本电装公司 310 14.5 6.22.汽车空调对生态环境的影响 CFC 12 一直是汽车空调唯一使用的制 冷剂, 汽车空调的 CFC 12 消耗量约占全 球CFC 12 消耗量的28 %,由于汽车空调 是安装在高速运动的物体汽车上 , 工 作条件恶劣,振动大 ,所以制冷剂特别容易 泄漏。一般每隔二年汽车空调就要充注一 次CFC 12 ,即每隔二年汽车空调器中的 制冷剂就要释放到大气中。有人统计 , 泄 漏到大气中的 CFCs 物质中, 有 3
8、/4 是由 汽车空调器泄漏的。CFCs 由于性质稳定, 排放到地面及对流层难以分解, 但在同温 层光解,破坏了其中的臭氧分子,使臭氧浓 度降低,结果射向地球表面的有害紫外线 辐射增加。另外 ,CFCs 作为温室气体 , 它 在大气中的积累将导致温室效应的加剧, 引起全球气候变暖。温室效应还可引起全 球气侯变化,如高温干旱、洪涝疾病及土壤水分变化等一系列不良生态后果。 3.非 CFCs 汽车空调发展动向由于 CFCs 被禁止使用, 当前世界各国都 在一方面积极寻找替代 CFCs 的制冷剂 , 另一方面积极研究采用自然工质为制冷剂 的新型汽车空调。对于汽车空调 , 目前国际上公认的CFC 12 的
9、替代物是 HFC 134a 。近几 年来的试验表明:HFC 134a 的热力性质 非常接近 CFC 12 , 可以取得较高的制冷 量和效率,但其设备适用性差,应用现有设 备能耗较高 ,为了克服这些不足 ,需要开发 新型压缩机和换热器;由于 HFC 134a 对 烃类油相溶性差 ,对橡胶渗透性强,所以润 滑油、橡胶软管、密封垫、干燥剂等要重新 配置;汽车空调检修维护、制冷剂充注等设 备也要重新更换。由于 HFCs 的制造方法 比 CFCs 复杂得多 , HFC 134a 的价格是1998 年第 1 期 能源研究与利用 13 CFC 12 价格的 3 5 倍。另外, HFCs 仍不是一种完全“清洁
10、”的工质, 考虑汽车空 调的泄漏量,作为温室气体,它的排放将加 剧温室效应的发生。目前出现的采用自然 工质的新型汽车空调主要有 CO2 压缩制 冷系统、除湿制冷系统、旋转吸收/再压缩 系统、太阳能辅助热电制冷系统等。它们 都采用了水、二氧化碳等自然工质 ,完全摆 脱了对化学制冷剂的依赖, 代表了环保型 汽车空调的发展方向。CO2 制冷系统的效 率高, 但它的结构复杂 , 对工艺要求高 , 制 造困难;除湿制冷系统可以利用发动机冷 却水余热 ,节能降耗 , 但它需要备有水箱 , 体积大、耗水多;旋转吸收/再压缩系统强 化了吸收和发生过程 ,缩小了体积 ,利用了 排气余热 ,提高了系统效率,但它的
11、运动部 件多, 流程复杂, 不仅制造困难, 而且可靠 性差 ,难以维护 ;太阳能辅助热电制冷系统 结构简单, 易于控制 , 可靠性高, 利用太阳 能降低了对常规能源的依赖, 但它迫切需 要解决的问题是提高热电制冷的效率。三、吸附制冷用于汽车空调的可行性固体吸附制冷是利用某些固体(吸附剂)能在低温下吸附气体(吸附质)而在高 温下解吸的特点, 以热能为动力的制冷装 置 ,系统图和热力循环图分别如图 1 和图 2 所示。系统由发生器 、冷凝器 、储液器 、 蒸发器、真空阀 1 、高压阀 2 、节流阀 3 及阀 门 4 、5 组成。制冷机开始运行时 ,先关闭 阀门 1 、2 , 通过阀门 4 通入热流
12、体使发生 器中的吸附剂温度升高 , 吸附在其中的吸 附质蒸汽压力升高(过程 ab),当达到冷凝 压力时打开阀 2 , 则吸附质开始大量吸热 解吸(过程 bc),解吸后的蒸汽在冷凝器中 做等压冷凝并流到储液器中。解吸结束后 关闭阀 2 , 同时使冷流体通过阀 5 流过发 生器,随着发生器温度的下降,发生器内吸 附质蒸汽压力降低(过程 cd), 当降到蒸发 压力时 ,打开阀 1 ,吸附剂开始不断吸附蒸 发器中的低压蒸汽(过程 da),储液器中的 制冷剂节流后进入蒸发器做等压蒸发 ,蒸 发过程产生了制冷效果 , 从而制冷机完成 了一个循环。图 1 固体吸附制冷原理 图 2 固体吸附制冷热力循环图由于
13、固体吸附制冷系统密封, 且可以 使用水、甲醇、氨等自然工质为制冷剂 , 所 以可彻底消除对生态环境的不良影响 , 另 外驱动力是低品位热能, 用作汽车空调可 充分利用汽车排气、冷却水等余热 ,提高了汽车能源利用率, 降低了排放。固体吸附 制冷无运动部件, 设备费用低, 可靠性高 , 易于维护 , 满足汽车空调的要求。正是由 于固体吸附制冷具有上述优点 ,国际上对 它的研究正方兴未艾。 14 能源研究与利用 1998 年第 1 期汽车发动机的效率一般为 35 % 车发动机排气温度都在 400 500 以上 ,40 %左右,约占燃料发热量 1/2 以上的能 即使考虑露点温度 (180 )后 ,可以
14、利用的量被发动机排气及循环冷却水带走 , 其中 排气余热仍是很可观的 ,表 2 以两种型号排气带走的能量约占燃料发热量的 30 % 的空调客车为例说明汽车排气余热同空调以上 ,并且温位较高。在高速大负荷时 ,汽 负荷的关系。表 2 客车排气余热与空调制冷量的关系车型 沈飞牌 SL650 空调客车 德国 Mercedes 0303RHS 旅游客车座位数 35 45总质量(t) 9 .2 16总 长(m) 8 .8 12发动机型号 6110A1 柴油机 Mercedes -Benz OM 422A 水冷柴油机发动机型式 六缸直列四冲程水冷直喷式 六缸 V 形四冲程直喷废气涡轮增压最大功率(kW)
15、114 243排气量(kg/h) 700 1175排气温度() 450 470(增压器出口)可利用的排气余热(kJ) 188 103 399 103空调最大制冷量(kW) 12 .8 28 .1 0 .25 0 .30在上表中, 定义等于空调负荷与可 利用的排气余热之比。可以看出, 吸附制 冷的 COP 只要能大于 , 即 COP 能达到 0 .25 0 .30 以上 ,则不需再加其它任何辅 助能源,汽车发动机排气本身的余热就完 全能满足汽车空调的需要。而对某固体吸 附制冷汽车余热空调的模拟计算表明 , 系 统的 COP 通常都保持在 0 .4 以上。上述 分析说明 ,固体吸附制冷汽车余热空调
16、在 理论上是完全可行的。四、总结与展望固体吸附制冷消耗是低品位的汽车排 气余热,不依赖于汽车动力,在系统较为简 单的情况下就满足对 COP 的要求 ,可以使 系统结构简单 , 再加上制冷剂价格便宜 ,无 噪音, 可靠性高, 运行维护费用低, 能满足 汽车对空调的特殊要求, 因此具有良好的 工程应用前景。目前固体吸附制冷汽车余热空调实用化的主要技术障碍是由于吸附床的传热性 能差而导致的单位吸附剂制冷功率小 , 初投资大。所以今后研究的重点应是吸附床 的传热传质过程的强化。作为一项工程应 用技术 ,发生器的成本是一个需要时刻考 虑的重要问题, 这样才能保证系统在经济 上合理、在技术上可行。参考文献1.曹磊 .全球十
