更小,更高效,更环保:车载二氧化碳空调

更小,更高效,更环保:车载二氧化碳空调

二氧化碳作为被公认的制冷剂已经有超过150年了。

事实上它现在才获准使用与车载空调是因为立法者施加了减少温室气体排放的压力,并改善了技术能力。这其中,压力测量在整个过程中发挥核心作用。

自2011年1月起,因为具有导致全球变暖的潜在影响,车载空调使用值高于150氟化温室气体已被欧盟指令禁止。在此期间,常见的四氟乙烷制混合冷剂(R134a)被替代使用。由于二氧化碳相比R134a对气候的破坏性少了1430倍,以及其本身的散热性能和良好的化学特性,因此也成为了一种不错的替代品。

 关于二氧化碳作为冷凝剂的争论不能在被忽视。

  • 作为一种自然产生的气体,它在全球享有无限的可用性和成本效益。
  • 它的损害性要远远小于其他冷却剂,如R134a,R404A,R407C等。
  • 根据工业副产品制造过程,它不需要昂贵的制造成本。
  • 相对于其他新型制冷剂,它已经得到了很好的毒理学研究。
  • 它既不具有毒性也不易燃,因此它比其他材料的危害风险要低很多。
  • 它与所有其他常见的材料有很高的兼容性。
  • 具有非常高的冷却性能,也适用于热泵。

但是从R134a转变到R744(是一种二氧化碳作为冷凝剂的缩写形式),并不是简简单单地就能实现。因为即使二氧化碳拥有众多的有点,但是也不能掩盖一些明显存在的缺点,这些缺点偶尔会在具有车载空调的车辆使用的情况下发生。一个非常高的工作压力环境和31℃的低临界温度要在这里强调。因此R744的转换必须通过汽车制造商和他们的供应商的测试实验台。

 CO2空调-是如何运作的

一个普通的空气调节机的运转开始时,会激活车辆内的空调开关。其结果,压缩机的磁耦合被通电(尽管较新的压缩机没有磁耦合,是通过活塞行程内部压力调节)。滑轮和压缩机轴之间的连接就建立起来了,压缩机就开始制作制冷剂气体。现在通过这里的冷凝状态,气体被迫进入高压管道。在这个过程中,冷却剂的温度却在升高。内置在车辆的前端的冷凝器负责再次降低该温度。在该阶段中,制冷剂物理状态的变化从气态到液态。现在液体冷却剂被转移到接收机,其中所有的水分会被去除。接着,将冷却剂通过膨胀阀,制冷剂再次改变蒸发器内的物理状态。这一变化所需的能量从环境空气中提取,这反过来又降低了车辆内部中的温度拉伸。气态冷却剂现在可以由压缩机再次吸入,从而使循环重新开始。

 这种冷却的方式针对R744也是相同的。唯一的区别是,该技术框架会有些变化。因为二氧化碳在系统中针对压力和温度会有其他要求。

 相比于一个普通的的移动制冷系统,所附加的内热交换器具有极大的区别。因为使用CO2功能的空调的散热温度必须高于临界31°C。冷却循环如下进行:将气体冷凝到压缩机内的超临界压力。从那里它进入气体冷却器,区别于普通系统,它此时执行的是冷凝器的作用。这里是气体冷却,不会发生结露现象。进一步的冷却则发生在以下的热交换器中。在接下来的步骤中,CO 2是通过膨胀阀推压,将气体成蒸汽状态。接下来蒸气部分的会在蒸发器中被蒸发,其中冷却效果就发生在蒸发过程中。

 除了内部热交换器和气体冷却器替换冷凝器,代表这套系统中的最核心的高压部分与移动制冷系统有着极大的区别。根据符合系统压力升高所有组件同时也要提升坚固性的要求,这种高压力尤其影响压缩机结构,因此压缩机需要重新按部就班的设计。

高压力需要高标准的测量技术

制造一个新的压缩机过程中,一个核心方向是通过非常小CO2分子来描述,因为它会很快通过通用的密封材料而扩散。因此一个全新用于防止冷却损失的密封方案的构想无可厚非,此密封件具有保护制冷剂的化学特性,并且能够承受高压力压缩机连续运转的功能 – 同时可以确定在试验台上进行长期测试。

 甚至压缩机壳体本身无法简单地适用于从普通的冷却系统。在较长时期内有效地工作,它必须能够承受高温。波动性抽吸压力,这决定性的影响驱动器腔的压力,也代表了显著的挑战。在高压侧,极大值可以潜在达到200 bar的水平。由于这些特点,压缩机的泄漏将会比采用R134a的时候要快得多。相比几年前,一个更精确的生产组件可能,而今天现在这个问题是可以克服的。因此,对原型施工过程中压力的不断监测是势在必行。

 利用二氧化碳与气候系统生产的高压已经超越了良好的环境属性和相对于R134a的更好的散热性。因为CO 2的高密度,所需要的安装空间相比较采用R134a冷却器甚至成效更好。对于相同的冷却性能,仅需要R134a制冷剂压缩机生产的13%体积流量。

对尺寸的不断减小也日益加强了的压力测量技术的使用情况。长期测试期间在特定 – 压阻式压力传感器,由于其小型化的能力,在低的压力和甚至在较高的压力范围其确切的结果高度精确的功能提供本身在这里。压阻式从STS压力传感器还为制造商提供开发新车型决定性的优势,这些仪器,由于其模块化结构,可以快速适应新的要求。

重新思考发动机冷却的时机已成熟

重新思考发动机冷却的时机已成熟

由于化学能转化为热和随后的动能效率较低,所有内燃机经历显着的能量“损失”。 即使是现代F1发动机在将自燃料/空气混合物的功率转换为在后轮处的功率时也是存在浪费现象的。 这是根据“热效率”测量的,通常在30%的范围内:也就是说,如果典型的F1 发动机在动力条件下产生略微低于650KW的功率,要推动汽车前行将浪费另外1500KW的功率。

那么它去了哪里呢?其中一小部分变成F1赛车的独特声音。 然而,绝大多数是多个区域的热量消散:例如,油驱散约120KW,水系统驱动160KW。 齿轮箱的低效率意味着它必须消耗大约15KW,而液压代表另外3KW。

在这些高性能发动机中,冷却剂系统通常被加压至3.75巴并具有120℃左右的沸点。

在现代客车中,冷却剂系统压力的特征在于0.9至1.1巴的数量级,将沸点提高约22℃,导致发动机冷却剂工作温度为约100℃。

同时,典型的水泵每小时可以移动最多约28,000升的冷却剂,或者使发动机中的冷却剂每分钟再循环20次,同时以寄生损失抽取高达2KW。

这些数字是众所周知的,并且已经被汽车工程师用作100多年的经验:但是为了满足日益严格的排放要求而缩小尺寸,混合动力电动车辆的扩散正在改变规则。

使用电力节省动力,但要小心压力

制造商正在深入研究所有寄生损耗,以提高当前和未来动力系的效率。 这包括对冷却剂系统,特别是机械水泵的观察。

虽然水泵与发动机的分离实现了显着的节省,但是它基本上需要重新确定整个冷却系统的性能; 包括在变化的温度下的操作压力和发动机速度。

逐渐地,电动机的输送不再与发动机速度成正比,而是取决于发动机的要求,重要的是,在开发期间,始终监控冷却系统压力。 这确保了诸如散热器和水软管的部件保持在安全操作区域中。

在开发尤其是新技术的过程中,映射系统的压力需要极佳质量和精度的压力传感器。有一些专业的压力变送器制造商满足所有这些要求。

虽然这些传感器必须准确地记录数据,但它们的功能和质量也需要很强大:操作环境要求它们在大跨度温度范围内无故障运行,并且能经受振动和暴露于化学介质。

虽然该技术目前主要适用于高端车型如宝马和梅赛德斯奔驰,未来这项技术将推广到其他车型,因为新车型要源源不断地上市。 所有这些都将经历相同的严格的冷却系统资格认证,以确保其耐用性同时保护非常昂贵的发动机。

流量测量

流量测量

气体或液体的流量测量是出于多种考量的,当然包括作为合约之一的商业考量和不同的生产过程因素。流量或体积流量 (体积/时间)可以通过测量的压力值来记录。

体积流量的测量方法多种多样。除了超声波流量传感器 ,还包括磁感应传感器和根据不同压力方法工作的传感器,其中包括孔板,文丘里喷嘴和普朗特毕托管。当对测量值进行评估时,伯努利方程适用于运用压差法的所有传感器:

Q = V/t = VmA

Q = 体积流量
Vm = 平均速度
t = 时间
A = 面积
V = 体积

Image 1: Orifice plate

现在我们将以孔板来测量体积流量为例。通过将孔板固定在管道上,造成管道局部收紧。当流量一致时,孔板前后压力不变。

p1 + ½ ρv12=p2+ ½ ρv22

p = 压力
ρ = 密度
v = 速度

这个设想是建立在连续性方程的基础上的,它表明管道内液体的质量不会增多也不会减少。

v1A1 = v2A2

v = 速度

A = 面积

Image 2: 流量测量

然而现实状况下,摩擦力的发生导致压强下降:

p + ½ ρv2 + wR = constant

p = 压力
ρ = 密度
v = 速度
wR = 体积摩擦力

Image 3: 压降  

这个压降对于确定体积流量很重要。然而,摩擦效应本身取决于很多因素。基于此,我们使用了一个经验公式,它反过来又依赖于经验值:

Q = 4000 αεd2√∆p/ρ

Q = 体积流量
α = 经验流量系数
ε = 膨胀系数 
d = 内孔直径
∆p = 压差
ρ = 密度

为了让用户更容易接受这个公式,测量系统和测量介质的所有常数都可以被概括为常数c。例如:

Q = c √∆p

电子式压力测量:常规测量原理对比

电子式压力测量:常规测量原理对比

电子式压力传感器广泛应用于各种应用,从机械技术到制造业,再从食品到制药业。压力实际大小的记录可以通过不同的测量原理进行。

在电子式压力测量中,薄膜传感器、厚膜传感器和压阻式压力传感器之间是有区别的。这三种测量原理都是很常见的,即压力转化为电子信号。而惠斯顿电桥对于三者说同等重要:一种由4个电阻组成用来测量其中一个电阻阻值(其余3个电阻阻值已知)的装置。

压阻式压力传感器:高精度、低成本

压阻式压力传感器基于硅的压阻效应。一般通过引线接入到惠斯顿电桥并扩散到硅片上。外加压力作用下,硅晶片会变形, 若给电桥加一个恒定电流或者电压电源,电桥将输出与压力对应的电信号,这样传感器的电阻变化通过电桥转换为压力信号输出。

由于压阻式传感器元件非常敏感,必须使之避免受到测量介质的影响。因此,把传感器至于隔膜密封中,压力通过传感元件周围的硅油传输。然而在食品或制药行业等卫生应用领域, 也会用到其他的填充液。

优点:

  • 高灵敏性,可测量到mbar 范围的压力
  • 较大测量范围,从mbar到2000bar
  • 安全等级高
  • 超高精度高达0.05%
  • 微型设计
  • 良好的滞后性和重复性
  • 基本工艺成本较低
  • 能检测静态和动态压力

缺点:

薄膜传感器:长期性能稳定但价格高昂

与压阻式压力传感器相比,薄膜传感器是基于金属主体的。这时候连接到惠斯通电桥的四个电阻是通过所谓的溅射工艺储存的。因此,这里的压力也是由变形引起的电阻变化所检测到的。除此外,温度补偿电阻也能够被嵌入。在压阻式压力传感器下不需要液体传递。

优点:

  • 体积小
  • 压力测量可高达8000bar
  • 卓越的长期稳定性
  • 无需温度补偿
  • 高精度
  • 高爆破压力
  • 静态和动态压力可测

缺点:

厚膜传感器:及其耐腐蚀

陶瓷(氧化铝陶瓷)作为厚膜传感器的基本材料。整个压力传感器是一体的,也就是说传感器的主体仅由一种材料组成,保证了长期稳定性能。此外,陶瓷具有超强的耐蚀性。

优点:

  • 良好的耐腐蚀性
  • 无需温度补偿
  • 卓越的长期稳定性能
  • 不需要膜片密封

缺点:

  • 不适合动态压力
  • 有限的压力上限测量(400bar 左右)
压力传感器的安装:介质对安装位置的决定性作用

压力传感器的安装:介质对安装位置的决定性作用

理想状态下,压力传感器直接安装在被监测的过程回路中。如果不是这样的话,所检测的介质将决定传感器的安装位置。

由于各种各样的原因,压力传感器不能直接安装在回路中:

  • 安装空间受限
  • 后安装压力传感器
  • 防止测量传感器和介质的直接接触(比如温度过高)。

如果压力传感器不能直接安装在回路中,那么回路和测量仪器之间的连接是通过旁路线建立起来的(也称为差压管线或支线)。取决于不同的应用,这条连接线填充着气体或液体。一般来说,在靠近回路的旁路管线和压力传感器周围会有一个截止阀。这样就可以在不中断实际进程的情况下拆卸或修改测量设备(或部分)。

当压力传感器需要进行维修时,比如校准时.  这一点就特别有用。测量的介质由于测量仪器上的截止阀而停留在旁路线中 。

当回路中存在旁通支路时。需要检测一些重要的检测点。这个旁通支路需尽可能短,并以圆环的形式来避免污垢,管路的梯度要小于8度。此外,还有一些跟介质有关的特殊要求。比如液体,要确保完全的排气。旁通支路可用于相对或是绝对压力测量。而对于压差测量,将会有两条支路。根据回路的不同,还要仔细注意安装说明。

在回路中压力传感器的定位

根据回路的类型,传感器安装在过程回路的顶端还是末端是很重要的 。现在就来讨论一下液体,气体和蒸汽之间一些重要的区别。

流体

当在管道中测量流体时,压力传感器应该安装在这个过程回路的末端,这样任何气泡就可以回流到这个回路中。此外,要确保过程回路中的介质在高温下也足够冷却。在这种情况下,旁路管线也会被认为是冷却区段。

气体

对于管道上的气体测量,如果条件允许,压力传感器应该安装在这个过程回路顶端。这可以使得聚集的冷凝物回流到回路中而不影响测量值。

蒸汽

由于高温和冷凝物的形成,蒸汽测量要复杂的多。这两个方面都是齐头并进的:如果蒸汽在到达压力传送器的途中冷却,就会形成冷凝物。如果它在测量仪器中累积,它就会影响测量结果

因此,在测量蒸汽时,必须注意确保适当降低介质温度 ,并且产生的冷凝物不会进入压力传感器。冷凝物可以达到的温度高度要提前设置。这在设计测量范围中也会考虑到。在绝对和相对的压力测量中,旁路线弯曲成S形。

由于两条旁路线内情况条件相同,因此在测量压差时,情况变得更加复杂。这就意味着冷凝物在低压高压时是一样的。出于此,位于旁路管线的截止阀的上游的冷凝管,用于差压传感器进行蒸汽测量。此外,一个五孔的截止阀应该在压力传感器的一侧使用,这样如果旁路管线发生爆破,也不会导致传感器被热的介质永久损坏。