湿压缩—吸收式二氧化碳汽车空调系统特性研究

摘要

目前，在众多CFC／HCFC制冷剂的替代物中，天然制冷剂二氧化碳(CO<,2>，R744)的应用受到广泛重视，特别是在汽车空调系统这一特殊的应用领域。但是由于CO<,2>独特的热物理性质，目前国内外CO<,2>汽车空调系统的研究开发主要以跨临界循环为主，该制冷循环系统的运行压力远远高于传统的氟利昂汽车空调系统。在此高压下，系统的零部件、系统的安全性都需要进行重新设计和评估，替代成本比较高，这也是目前跨临界CO<,2>汽车空调系统工程应用所面临的最主要的困难和挑战。 借鉴有关吸收式制冷循环的特点，在跨临界循环中加入对CO<,2>吸收性能良好的高沸点的吸收剂，组成全新的湿压缩．吸收循环(WCA Cycle，wet-compression absorption cycle)。WCA循环结合了蒸汽压缩式循环与吸收式循环的特点，由于吸收剂对CO<,2>的吸收作用，在相同温度水平的高低温热源环境下，可大幅度降低系统的工作压力，从而有可能规避跨临界循环所面临的高压问题，本文对此类空调系统特性进行了探索和研究。 本文首先采用经典的热力学理论，对纯制冷剂的湿压缩制冷循环进行了分析。结果表明：对大部分制冷剂，制冷循环中采用湿压缩时，性能有所下降。而对CO<,2>来讲，湿压缩制冷循环随压缩机吸入CO<,2>的干度下降而急剧下降。只有NH<,3>工质采用湿压缩是有利的，但是该益处难以补偿湿压缩对压缩机可靠性带来的技术上的挑战。对混合制冷剂，常规的如R407C，也不适宜采用湿压缩循环。而唯有CO<,2>／吸收剂系统，相比跨临界循环，采用湿压缩吸收技术具有相对的竞争力。 针对WCA CO<,2>制冷循环，本文首先建立了基于状态方程的CO<,2>／吸收剂物系的热力参数计算模型，该模型只需要每一个组分的临界参数等很少的输入参数，就可以估算混合物系的热力参数，为系统模拟打下基础。利用该方法可以快捷的评估新的制冷剂／吸收剂混合物的特性，从而加快了吸收剂的筛选进程。本文以N-甲基吡咯烷酮(C<,5>H<,9>NO)为具体的吸收剂，计算了有关的热力性质图表。在此基础上，建立了WCA CO<,2>制冷循环模型，并对循环进行了敏感性分析。分析表明中间换热器效率对循环的性能有比较大的影响；当吸收器出口温度和节流阀入口温度一定时，系统的最优循环比在13％左右；而当压缩机的吸气压力保持不变时，系统的最优循环比在17％～27％之间。 本文在现有部件的基础上搭建了国内第一套WCA CO<,2>汽车空调样机及配套实验台架，该样机与R134a系统完全兼容。着重对循环比以及回热器对系统性能的影响进行了研究。通过实验，验证了理论预测的最优循环比。针对汽车空调有代表性的8个工况，对WCA CO<,2>系统和R134a系统进行了对比实验，实验结果表明，总体上该系统的制冷量和COP都比R134a系统低。若考虑运行时间进行加权分析，则制冷量到目前R134a的80％，COP约为50％。与结构尺寸相近的跨临界CO<,2>制冷系统相比，COP基本相当，而制冷量约为55％。考虑到该系统完全在现存部件的基础上搭建，硬件系统性能还有进一步改进提升的潜力，这预示了该系统潜在的竞争优势。 本文的研究为自然工质CO<,2>汽车空调系统的理论研究以及工程应用开辟了新的可能的方向和途径，同时也拓宽了CFC替代研究的思路和视野。

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第一章绪论

第二章WC(A)循环与蒸汽压缩循环对比分析

第三章吸收剂选择及热物性计算

第四章WCA CO2汽车空调系统分析

第五章实验台架及样机设计

第六章实验结果及分析

第七章总结论及展望

参考文献

致谢

作者在攻读博士学位期间发表的学术论文

上海交通大学学位论文答辩决议书