汽车空调技术课件凌永成--第2章-汽车空调制冷系统

汽车空调技术沈阳大学凌永成[e-mail]配套教材信息教材名称：汽车空调技术教材主编：凌永成教材定价：39RMB出版社：机械工业出版社出版时间：2014年5月国际标准书号（ISBN）：978-7-111-45539-4教材所属系列：应用型本科汽车类专业“十二五”规划教材第2章汽车空调制冷系统2.1制冷系统的工作原理2.1.1制冷系统的基本组成汽车空调是利用蒸气压缩制冷装置来制冷的，是借助制冷剂的物态变化，由制冷剂循环流动实现制冷的。汽车空调制冷系统主要由压缩机、冷凝器、节流膨胀装置（节流膨胀阀或节流孔管）、蒸发器、储液干燥器或集液器、高低压管路、鼓风机和控制电路等组成。按照采用的节流膨胀装置不同，汽车空调制冷系统可分为节流膨胀阀式和节流孔管式两大类。1.节流膨胀阀式汽车空调制冷系统图2-1采用膨胀阀的汽车空调蒸气压缩制冷系统1—皮带轮及电磁离合器；2—压缩机；3—轴流式冷却风机；4—车外冷空气；5—冷凝器；6—储液干燥器；7—热空气（吹向发动机）；8—高压管路；9—车内热空气；10—离心式冷却风机；11—节流膨胀阀；12—蒸发器；13—冷空气（吹入车内）；14—低压管路；15—压缩机传动带2.节流孔管式汽车空调制冷系统图2-2采用节流孔管的汽车空调蒸气压缩制冷系统1—皮带轮及电磁离合器；2—压缩机；3—集液器；4—低压侧维修阀；5—低压压力保护开关；6—冷空气（吹入车内）；7—蒸发器；8—离心式冷却风机；9—节流孔管；10—车内热空气；11—高压侧维修阀；12—热空气（吹向发动机）；13—冷凝器；14—车外冷空气；15—轴流式冷却风机；16—高压压力保护开关2.1.2蒸气压缩制冷系统的工作原理汽车空调蒸气压缩制冷系统工作时，制冷剂以不同的状态（物态）在密闭系统内循环流动，每一循环包括四个基本过程：1.蒸气压缩过程当发动机带动压缩机运转时，压缩机吸入蒸发器出口处低温（约0℃）低压（约0.147MPa）的气态制冷剂，将其压缩成高温（70～80℃）、高压（约1.471MPa）的气态制冷剂排出压缩机。2.冷凝放热过程高温、高压的过热制冷剂蒸气进入冷凝器，压力和温度降低。当制冷剂的温度降至40～50℃时，制冷剂由气态变为液态，同时放出大量的热。图2-3节流膨胀阀式汽车空调制冷系统工作原理3.节流膨胀过程液态制冷剂流到储液干燥器后，在储液干燥器中除去水分和杂质，由管道流入节流膨胀阀。温度和压力较高的液态制冷剂通过节流膨胀阀装置后体积变大，压力和温度急剧下降，以雾状（细小液滴）排出膨胀装置。节流膨胀阀阀口的横截面积可作动态调节，以控制制冷量的流量，确保制冷剂在蒸发器内完全蒸发。4.蒸发吸热过程低温低压的雾状制冷剂进入蒸发器后，通过蒸发器的壁面吸收蒸发器周围环境（车厢）中空气的热量而沸腾汽化，从而降低乘员舱（车厢）内空气的温度。在冷却风机的作用下，乘员舱内的冷、热空气加速对流，提高了空调制冷效果。在蒸发器内吸热汽化后的制冷剂蒸气再次被压缩机吸入，然后重复上述过程。由此可知，汽车空调制冷系统实际上是一个传热系统，通过制冷剂的物态变化和循环流动把乘员舱内的热量传送到车外，使车内温度降低。2.2制冷剂与冷冻机油制冷剂（Refrigerant）是制冷装置完成制冷循环的媒介，又称为制冷工质，还有冷媒、雪种等俗称。汽车空调是在制冷循环中通过制冷剂的状态变化，进行能量转换，实现制冷的。2.2.1对制冷剂的性能要求1.热力性能要求1）要求制冷剂的临界温度要高。2）要求制冷剂的单位容积制冷量要大。3）要求制冷剂的蒸发压力和冷凝压力适中。4）要求制冷剂的绝热指数要小。2.物理化学性能要求1）黏度、密度小，以减少流动阻力。2）热导率高，以提高热传热系数，降低材料消耗。3）使用安全。无毒、不燃烧、不爆炸。4）具有较好的化学稳定性和热稳定性。5）易于改变吸热与散热的状态，重复改变状态能力强。3.环保性能要求（1）制冷剂对臭氧层的破坏作用大气中的臭氧层是同温层的一部分，其高度为距离海平面20~50km处。臭氧层可以吸收太阳光中的大部分紫外线（ultraviolet，UV），从而保护地球表面的生物，使之不受过于强烈的紫外线辐射。氟里昂（如R11、R12）对大气中臭氧的破坏作用可用相对臭氧破坏能力作用系数（RelativeOzoneDepletionPotential）表征，简称RODP或ODP，并规定R11的ODP为1.0，从而用ODP表示相对R11对大气臭氧破坏能力的大小。图2-4大气中制冷剂与臭氧的反应（2）制冷剂的温室效应温室效应（Greenhouseeffect），又称花房效应，是大气保温效应的俗称。大气能使太阳光的短波辐射到达地面，但地表向外放出的长波热辐射线却能被大气吸收。这样，就使得地表与低层大气温度增高。因其作用类似于栽培农作物的温室，故名温室效应。温室效应的形成机理及人类社会活动对温室效应的影响如图2-5所示。氟里昂类含氯氟烃产生的温室效应用温室效应能力系数（G1obalWarmingPotential）表征，简称GWP值，并规定R11的GWP值为1.0，用GWP表示相对于R11对温室效应的作用。由于二氧化碳（CO2）是造成全球温室效应的主要因素之一，因此也常以CO2作为比较基础。图2-5温室效应的形成机理及人类社会活动对温室效应的影响2.2.2制冷剂的分类和性能特征1.制冷剂的命名制冷剂是用R后跟一组编号的方法来命名的，其中R是制冷剂（Refrigerant）的第一个字母。如R12、R134a、R22等。R后的数字或字母是根据制冷剂分子的原子构成按一定规则书写的。也常采用CFC、HCFC或HFC来代替R以表示制冷剂分子的原子组成。2.制冷剂的分类（1）无机化合物制冷剂属于无机化合物制冷剂的有R717（NH3）、R744（CO2）、R764（SO2）等。（2）氟里昂R11（CFCl3）、R12（CF2Cl2）、R22（CHF2Cl）、R134a等均属于氟里昂制冷剂。氟里昂（Freon）是饱和碳氢化合物的氟、氯和溴的衍生物的总称。（3）混合工质制冷剂混合工质制冷剂是由两种或两种以上单一工质混合而成的。混合工质有共沸混合工质和非共沸混合工质之分。类别沸点温度ts/℃制冷剂举例应用举例高温低压制冷剂＞0R11、R113、R114等空调热泵中温中压制冷剂－60~0R717、R12、R134a等空调热泵低温高压制冷剂＜－60R13、R14等复叠机的低温级表2-1制冷剂按沸点温度分类3.制冷剂的性能特征汽车空调制冷剂最早广泛使用的是R12（CF2Cl2），即二氟二氯甲烷，后来出现了R12的替代产品R134a（HFC134a），即四氟乙烷。当前，R744（CO2）和R1234yf（四氟丙烯）又成为热门的制冷剂。（1）汽车空调制冷剂R12汽车空调制冷剂R12（图2-6）是一种中温制冷剂，无色，具有轻微芳香味，毒性小，只在400℃时才会分解出有毒的光气。R12不燃烧、不爆炸，是一种安全的制冷剂，只有在容积浓度达80％时才会使人窒息。R12的臭氧破坏能力作用系数ODP＝1，温室效应能力系数GWP＝3.05。图2-6汽车空调制冷剂R12国际社会于1987年9月在加拿大缔结了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》，明确规定禁用R12的期限为2000年。我国于1992年也制定了《中国逐步淘汰消耗臭氧层物质的国家方案》，该方案规定，国内各汽车制造商从1996年起在汽车空调中逐步用新制冷剂R134a替代R12，2000年以后生产的新车不得再使用R12作为汽车空调制冷剂。（2）汽车空调制冷剂R134aR134a具有较好的制冷性能，与金属和非金属相容，化学和热稳定性好，具有良好的安全性能（不易燃、不爆炸、无毒、无刺激性和无腐蚀性）。R134a中不含氯原子，对大气层中臭氧破坏能力作用系数（ODP）低，同时温室效应能力系数（GWP）也较低。但在蒸发温度低于－21℃时，由于将产生高的压缩比，制冷量受到限制，其使用将受到影响。图2-7汽车空调制冷剂R134a（3）碳氢化合物制冷剂碳氢化合物制冷剂具有以下优点：1）与R12、R134a制冷剂润滑油具有兼容性，替代原汽车上使用的氟里昂制冷剂无需更换空调设备及附件，操作简单，灌装方便。2）比普通制冷剂节能10％～20％，用量仅是R12、R134a的三分之一，对酷热气候具有独到的适应性，制冷效果优良，是解决汽车用空调氟里昂排放导致大气污染的理想替代品之一。（4）CO2制冷剂CO2制冷剂（代号R744）具有无毒、无味、不可燃、不爆炸、臭氧破坏能力作用系数ODP=0、温室效应能力系数GWP≈0、成本低廉、无需回收、制冷能力强、制冷部件结构尺寸紧凑等一系列优点。CO2本身是有温室效应的，但作为制冷剂，CO2可以从工业废气中提取获得，其温室效应是微乎其微的，可以认为CO2制冷剂的温室效应能力系数GWP≈0。但是，CO2制冷剂也存在临界温度低、临界压力高、制冷循环热力损失大、容易引起窒息等缺点。在常温下，CO2无法实现冷凝，CO2制冷系统实质上是超临界循环制冷系统。由于临界温度太低，使制冷系数过低，制冷能力显著下降，而功耗显著增大。（5）R1234yf制冷剂R1234yf（四氟丙烯）分子中不含氯原子,其ODP值为0，GWP值为4,寿命只有11天,且大气分解产物与R134a相同。R1234yf对气侯环境的影响几乎可以忽略,远小于R134a。根据欧盟的F-gas法规，自2017年元旦起，在欧洲境内生产和销售的所有新车，禁止使用GWP＞150的制冷剂。R134a(GWP=1300)被逐步淘汰已成必然趋势。美国DuPont公司与Honeywell公司联合研发的R1234yf被认为是替代R134a的新一代汽车空调环保制冷剂。R1234yf汽车空调环保制冷剂R1234yf自燃点仅为405℃，具有弱可燃性，被动安全性堪忧！2.2.4冷冻机油1.冷冻机油的作用冷冻机油（refrigerantoil）是制冷压缩机的专用润滑油，俗称冷冻油。1）润滑作用。2）密封作用。3）冷却作用。4）降低压缩机工作噪声。2.对冷冻机油的性能要求1）不同的制冷剂要求使用不同黏度的润滑油。2）应与制冷剂、有机材料和金属等在高温和低温条件下接触时不起反应，要求其热力学性能及化学性能十分稳定。3）具有优良的低温流动性能。4）含水量极少。5）具有较高的热稳定性。3.冷冻机油的分类图2-8常用的几种汽车空调冷冻机油欧美各国采用醇类润滑油（polyalkyleneglycol，PAG油）。图2-9醇类润滑油（PAG油）日本则主张采用酯类润滑油（polyolester，POE油）。图2-10酯类润滑油（POE油）4.冷冻机油的使用及性能检查冷冻机油的加注量随车型不同而异，可参看汽车使用维修手册。冷冻机油在制冷系统各部件中的大致分布情况如图2-11所示。图2-11冷冻机油在制冷系统各部件中的分布2.3压缩机2.3.1压缩机的作用与分类1.压缩机的作用压缩机（compressor，俗称空调泵）具有两个重要功能：①压缩机吸气时相当于一个真空泵，使系统内部产生低压，吸入蒸发器中低温、低压的气态制冷剂。②然后，在压缩过程中将气态制冷剂压缩成高温、高压状态并输入冷凝器，维持制冷剂在制冷系统管路中循环流动。2.对压缩机的性能要求1）制冷能力强。2）能耗低。3）体积和质量都要尽可能小。4）在高温和颠簸、振动的情况下能正常工作。5）起动、运转平稳，振动小，噪声低，工作可靠。3.压缩机的分类（1）按驱动方式分（2）按排量变化分（3）按运动形式化分2.3.2定排量压缩机1.曲柄连杆式压缩机曲柄连杆式压缩机（图2-12）属于传统结构的压缩机，早期曾被广泛使用。由于其结构不紧凑，体积较大，加之工作转速低、惯性冲击力大等缺点，目前已被乘用车制冷系统淘汰，只是在大型客车制冷系统中仍有使用。图2-12曲柄连杆式压缩机图2-13曲柄连杆式压缩机的工作原理2.摇盘式压缩机摇盘式压缩机（wobbleplatecompressor，图2-14）又称摆盘式或为摇板式压缩机，其最大的优点是工作平稳，结构紧凑，体积小，故目前