跨临界CO2汽车空调内部换热器研究

　　近年来,随着人们对臭氧层破坏、温室效应等环境问题的日益重视,在空调制冷系统中,对环境友好的天然工质CO2再次引起人们的关注。CO2临界压力和临界温度分别为7.38MPa和31.1e,由于其临界温度比较低,国际制冷协会前主席Lorentzen[1]推荐使用跨临界CO2制冷循环系统。该系统与传统的蒸气压缩式制冷循环不同,高压侧压力高达10MPa,低压侧压力也在4MPa左右,即系统的操作压力较高,且系统效率低于传统CF-Cs制冷循环。然而,由于CO2的单位容积制冷量比较大,通常是R22的5倍左右,这使得系统的结构尺寸大大减小,同时可使系统中换热器管径减小以承受系统的高压,还可以通过内部换热器的回热循环提高系统的效率。

　　跨临界CO2蒸气压缩式制冷系统流程如图1所示。跨临界循环系统由压缩机、气体冷却器、内部换热器、节流阀、蒸发器及储液器等组成封闭的回路系统。系统工作时, CO2工质在压缩机中升压至超临界压力,然后进入气体冷却器,被冷却介质(冷却水或空气)所冷却。为进一步提高系统的性能系数COP,气体冷却器排出的高压气体在内部热交换器(即回热器)中进一步冷却。然后用节流阀减压,经节流部分超临界流体被液化,湿蒸气进入蒸发器内汽化,吸收环境介质的热量。蒸发器中的液体并不会全部汽化,但只有少量液体盈余,因此其出口状态将在两相区内,这对压缩机运行非常不利。因此,蒸发器的出口必须配置储液器,以防止压缩机液击及便于压缩机回油。储液器出来的低压饱和气体进入内部换热器的低压侧通道,吸收高温高压的超临界流体的热量后,成为过热蒸气进入压缩机中升压。如此周而复始地循环。

　　采用内部换热器的回热循环方式[2],使压缩机进口亚临界状态的CO2蒸气过热,节流前超临界状态的CO2过冷,能明显提高跨临界CO2制冷循环系统效率。此外,采用内部换热器还能够使系统达到最佳性能所需的排气压力降低,避免压缩机液击发生等。因此,设计高效的内部换热器对提高CO2制冷系统的性能至关重要。国外很多学者[3]从理论和试验方面研究了内部换热器对系统性能的影响,研究表明,使用合适的内部换热器最大能提高25%的循环效率,不同长度(0.1m和1.5m)内部换热器对系统的影响很大,安装内部换热器可使汽车空调系统的性能大大提高。

　　笔者提出螺旋肋片套管式内部换热器这一设想,并采用FLUENT软件对该换热器进行数值模拟,然后与光滑套管式换热器及直肋片套管式换热器进行换热性能比较,最后对所提出的内部换热器进行结构强度校核,并简要介绍其加工制造方法。

　　1 内部换热器的结构开发

　　跨临界CO2汽车空调系统中内部换热器有多种结构型式,如套管式[4]、微通道管式[3]和板翅式[5]。现有的套管式内部换热器不仅耗材量大,而且换热性能低于微通道式和板翅式;微通道式紧凑度最高,因为较小的当量直径而能够获得较好的换热性能;板翅式虽然换热性能比套管式好,但其加工复杂。在现有内部换热器的基础上,笔者提出了螺旋肋片套管式内部换热器这一设想。