工程机械驾驶室保温性能差，内部热环境受外界影响大。夏季受太阳辐射等因素影响，驾驶室温度较高，对驾驶员的身体健康与安全操作造成威胁，需要在驾驶室安装制冷空调设备以提高驾驶人员的舒适性。一方面由于工程机械驾驶室空间较小，不具备安装较大尺寸空调设备的条件；另一方面工程机械工作环境复杂，车辆震动剧烈，传统的制冷剂容易泄漏并造成环境污染[1]，因此在工程机械领域迫切的需要新型的制冷空调系统。二氧化碳是天然的制冷剂[2]，化学性质稳定，无毒，不污染环境。国内外对二氧化碳制冷进行了大量的研究，以二氧化碳作为制冷剂的制冷系统很好的实现了设备的小型化，应用研究日趋成熟，成功向商业化应用发展。目前二氧化碳制冷系统已成功应用于商业建筑、冷藏库、热泵系统、汽车空调以及工程机械等领域[3]。

 

　　1二氧化碳制冷基本原理

 

　　1.1二氧化碳制冷剂性质

 

　　二氧化碳是良好的天然制冷剂。密度为1.977g/mL、熔点为-56.6℃（226.89kPa、5.2atm）、沸点为-78.5℃（升华）、临界温度为31.1℃，常温下在7092.75kPa（70atm）时可液化成无色液体，液态二氧化碳的密度为1.1g/cm3。液态二氧化碳蒸发时或在加压冷却时可凝成固体二氧化碳，俗称干冰，是一种低温制冷剂[4]，密度为1.56g/cm3。二氧化碳的化学性质稳定，无毒，不具可燃性，仅会在空气中二氧化碳含量过高时，使人因缺氧而发生窒息。

 

　　1.2二氧化碳制冷系统工作原理

 

　　二氧化碳制冷系统可分为闭式系统和开式系统两大类[5]。闭式系统是指二氧化碳依次流经压缩机、冷凝器、节流机构及蒸发器这四大部件，再回到压缩机的循环系统；开式系统直接通过节流机构将二氧化碳节流成中压低温的液体，再进入蒸发器蒸发制冷，最终排放于环境的制冷系统。开式系统主要应用在无电力供应的制冷环境中。下面主要介绍闭式系统。

 

　　二氧化碳制冷循环的流程如图1所示，以压缩机、气体冷却器、膨胀阀、蒸发器和储液罐为主要元件，通过管路组合成为一个可实现制冷功能的封闭回路[6]。从状态点（1）开始，二氧化碳低压气体被压缩机吸入并经过压缩后排出压缩机；经过压缩后的二氧化碳制冷剂此时已成为高温高压的气体，流经排气管到达气体冷却器的入口（2）被冷却的制冷剂由气体冷却器的出口（3）经由膨胀阀节流之后（4）进入蒸发器，蒸发后进入储液罐，被压缩机再次吸入（1），开始下一轮的循环。

 

　　1.3跨临界循环

 

　　由于工质物性的特性，其吸、放热过程分别在亚临界区和超临界区进行，这是二氧化碳跨临界基本循环有别于常规制冷剂循环的主要区别[7]。压缩机的吸气压力低于临界压力，蒸发温度低于临界温度，但压缩机的排气压力高于临界压力；循环的吸热过程在亚临界条件下进行。换热过程主要是依靠潜热来完成，冷却换热过程依靠显热来完成。此时的高压换热器不再称为冷凝器，而称为气体冷却器。

 

　　在以空气为热源、热汇的制冷和热泵系统中，二氧化碳循环在跨临界条件下运行，其工作压力虽然较高，但压比却很低，压缩机的效率相对较高；流体在超临界条件下的特殊热物理性质使它在流动和换热方面都具有极大的优势，超临界流体良好的传热和热力学特性使得换热器的换热效率提高，并使得整个系统的能效较高，与传统制冷剂（R12、R22等）及其现有的替代物（R134a、R410a等）性能相当。

 

　　二氧化碳在气体冷却器中温度变化大，使得气体冷却器进口空气温度与出口制冷剂温度较为接近，可减少高压侧不可逆传热引起的损失，并且二氧化碳的临界温度较低。因此，制冷循环采用跨临界制冷循环时，其排热过程不是一个冷凝过程，压缩机的排气压力与冷却温度是两个独立的参数，改变高压侧压力将影响制冷量、压缩机耗工量及系统的能效。研究表明，高压侧压力变化时，循环的能效存在着一个最大值，因此，二氧化碳跨临界制冷循环在对不同工况下，存在对应于最大能效值的最佳排气压力。二氧化碳在气体冷却器中较大的温度变化，用于热回收时，有较高的放热效率。

 

　　2二氧化碳制冷优势及其应用现状

 

　　2.1二氧化碳制冷应用现状

 

　　二氧化碳制冷目前已成功应用于商业建筑、冷藏库、热泵系统、汽车空调以及工程机械等领域[3]。

 

　　2.1.1商业建筑

 

　　1995年瑞典成功安装了第一个二氧化碳超市制冷系统。截至2011年，瑞典至少有180个超市采用了二氧化碳系统。丹麦于2004年安装了第一套超市二氧化碳跨临界循环制冷系统。2007年，泰国安装了亚洲的第一套超市二氧化碳复叠制冷系统。

 

　　2.1.2冷藏库

 

　　目前我国食品加工与冷藏业中的大中型冷库80%都采用氨作为制冷剂。氨有毒性，需要增加安全保护措施。截至2005年，美国的冷库中氨仍然是一种主要的制冷剂，但二氧化碳已经在冷库制冷系统中得到实际应用。采用二氧化碳/氨复叠式制冷系统的大型冷藏库已经投入使用。

 

　　2.1.3汽车空调

 

　　目前汽车空调中主要采用R134a。1996年德国生产的以二氧化碳为工质的公交客车空调投入运行。2003年欧洲已有部分汽车装备了二氧化碳空调系统。

 

　　2.1.4热泵系统中的应用

 

　　1994年由挪威SINTEF率先对二氧化碳跨临界循环在热泵上的应用进行了理论和实验研究。在1995年，日本开发了二氧化碳为工质的家用热泵热水器。

 

　　2.2二氧化碳制冷剂优势

 

　　二氧化碳是碳的最高氧化状态，具有非常稳定的化学性质，即使在高温下也不分解产生有害气体。作为制冷剂其优点在于无毒、来源丰富、与普通润滑油相溶、容积制冷量大；同时具有优良的热力特性、安全特性和环保特性的天然制冷工质。二氧化碳制冷剂跨临界循环的放热过程可以和变温热源相匹配，从而可得到较高的能效。与其它制冷剂相比，二氧化碳具有下列优点[8]：

 

　　2.2.1环境性能优良

 

　　二氧化碳是自然界天然存在的物质，它的臭氧层破坏潜能（ODP）为零，温室效应潜能极小（GWP=1）。二氧化碳大多为化工行业的副产品，用它做制冷剂正好回收了原来排向大气的废物，从而使其温室效应为零。目前国际上已商业化使用或提出的潜在的环保工质氢氟烃（HFC）及其混合物不但会增加温室效应，还会产生其他未知的副作用。

 

　　2.2.2价格低廉

 

　　二氧化碳来源广泛，价格低廉。二氧化碳制冷系统维护简单，无需回收或再生，操作与运行的费用较低。

 

　　2.2.3化学稳定性好

 

　　二氧化碳无毒、无臭、无污染，不燃、不爆。对常用材料没有腐蚀性，在高温下也不分解产生有害气体，与水混合时呈弱酸性，可腐蚀碳钢等普通金属，但不腐蚀不锈钢和铜类金属。

 

　　2.2.4制冷效率高，稳定性好

 

　　二氧化碳运动粘度低，压缩比低，单位容积制冷量大，有很好的传热性能。二氧化碳制冷效率高，稳定性好，容积制冷量较大，流动和传热性能高。

 

　　2.2.5设备尺寸小

 

　　二氧化碳制冷较高的工作压力使得压缩机吸气比容较小，从而使得容积制冷量较大，压缩尺寸较小，流动和传热性能提高。减少了管道和热交换器的尺寸，从而使系统非常紧凑。

 

　　3二氧化碳制冷在工程机械领域的应用

 

　　3.1工程机械驾驶室热环境

 

　　3.2工程机械空调系统特点

 

　　工程机械的工作环境极其恶劣，其空调系统与冰箱和家用空调具有明显的区别[10]。

 

　　1）工程机械空调系统往往在过热、灰尘、震动等恶劣环境情况下运行，对其质量和性能要求较高。

 

　　2）工程机械空调系统冷凝器和蒸发器均处于强制对流换热状态，均需耗费一定电能或发动机功率，而且冬夏季空调运行时，工程机械爬坡或加速等受到较大影响。

 

　　3）工程机械工作时往往震动较为剧烈，容易导致制冷剂泄漏，污染环境。

 

　　3.3二氧化碳空调在工程机械中的应用优势

 

　　二氧化碳空调系统应用于工程机械领域具备较佳的优势：

 

　　1）工程机械空调系统制冷剂易泄露、排放量大。采用二氧化碳作为制冷剂有完全环保的特点。

 

　　2）二氧化碳压缩比低，压缩机效率高。同时，高压侧二氧化碳温度变化大，使进口空气温度与二氧化碳的排气温度可以非常接近，减少了高压侧不可逆传热引起的损失。

 

　　3）尺寸小

 

　　二氧化碳空调系统可以满足工程机械安装和布置要求，并获得较高的效率，对工程车辆的节油和动力性能也有改善。

 

　　4结论

 

　　1）二氧化碳制冷剂性能良好，化学性质稳定，无毒、无臭、无污染，不燃、不爆。其臭氧层破坏潜能为零，温室效应潜能极小。价格低廉，来源丰富。

 

　　2）二氧化碳循环在跨临界条件下运行，压缩机的效率相对较高，在超临界条件下的特殊热物理性质使其在流动和换热方面都具有极大的优势，超临界流体良好的传热和热力学特性使得换热器的换热效率提高，并使得整个系统的能效较高。

 

　　3）二氧化碳制冷剂应用广泛，目前已成功应用于商业建筑、冷藏库、热泵系统、汽车空调以及工程机械等领域，具有理想的应用效果。

 

　　4）二氧化碳制冷在工程机械领域具有无污染，设备尺寸小，性能优良，对机械动力性能影响小等优势。二氧化碳制冷系统具备良好的工程实用价值，应用潜力巨大。

 

　　【参考文献】

 

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　　[2]邓帅，王如竹，代彦军.二氧化碳跨临界制冷循环过冷却过程热力学分析[J].制冷技术，2013，03：1-6+38.

 

　　[3]马飙，冀兆良.二氧化碳制冷剂的应用研究现状及发展前景[J].制冷，2012，03：36-43.

 

　　[4]吴业正.制冷与低温技术原理[M].高等教育出版社，2007.

 

　　[5]蔡玉飞，蒋彦龙，周年勇，郑小漪，徐克选，陈国民.开放式二氧化碳制冷性能[J].南京航空航天大学学报，2011，04：551-555.

 

　　[6]张华，刘业凤，李标，张天会，刘晓明.二氧化碳小型集成式制冷装置研制[J].制冷与空调，2013，09：93-96+106.

 

　　[7]李先碧，冯雅康.二氧化碳跨临界循环制冷的开发与研究进展[J].制冷与空调（四川），2008，02：99-103.

 

　　[8]张瑜红.二氧化碳制冷技术探讨[J].轻工标准与质量，2013，05：60-61.

 

　　[9]李雁梅，黄一桓，高志金，等.浅谈工程车辆空调的设计与选型[J].建设机械技术与管理，2011，08：96-98.

 

　　[10]王施文，王铁军，易广江，金从卓，王正，倪宜华.ZKAR-36工程车空调性能改进研究[J].合肥工业大学学报：自然科学版，2011，07：982-984+1006.