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摘要：工程机械驾驶室保温隔热性能差，内部环境受外部温度影响较大，尤其在夏季车内温度高，驾驶员工作环境艰苦，影响工作效率和机械操作安全程度。本文从二氧化碳制冷系统的特征、工作原理入手，分析跨临界循环过程的特点，比较二氧化碳与其他制冷剂的优势，及其在工程机械上的应用优势。
关键词：二氧化碳；跨临界循环；工程机械；制冷；应用
引言：
工程机械工作环境复杂，车辆驾驶室受外界温度影响较大，驾驶员工作环境艰苦，需要在驾驶室内安装空调系统调节驾驶室温度，提升驾驶员的工作舒适度，降低因环境引起身心疲惫导致操作安全事故的几率，提升工程机械的工作效率。
1.工程机械车载空调系统现状
工程机械车载空调的工作环境相较于普通车辆车载空调恶劣许多，究其原因有以下几方面：工程机械本身玻璃面积更大，驾驶室材料导热率高造成室内温度高；工程机械工作时振动频率快、幅度大，造成空调制冷剂工作环境不稳；工程机械工作现场粉尘密度高，尤其是在矿场、煤场等地区粉尘密度尤其高，空调滤网堵塞严重；驾驶室密封程度低，空调制冷体感差；发动机位置距离驾驶员过近，周围原件散热环境差；部分工程机械发动机本身转速过高，空调压缩机没有较好的动力支持。因此工程机械车载空调要优化蒸发器、冷凝器、制冷剂、管路接头等各个方面尽量适应工程机械的恶劣工作环境，为高热负荷的驾驶室进行降温。
空调系统冷凝器和蒸发器中承载着空调制冷剂，是空调系统工作中非常重要的部分，通过对多起工程机械空调故障的调研可知，车载空调制冷剂泄露是常见事故，多是由于工程机械强振动引起的冷凝器焊接点被破坏导致，还有部分事故是因冷凝风机被长期日照、雨淋导致腐蚀损伤，或被水、油等散热器热辐射干扰导致工作故障。
2.二氧化碳制冷
二氧化碳是空调制冷行业的天然制冷剂，投入使用已经有上百年的历史，固体状态的二氧化碳即“干冰”在气化时会吸收大量的热，瞬间降低周围空气的温度，气化后的二氧化碳虽然是导致温室效应的气体，却不会破坏臭氧层，且化学性质稳定，无毒副作用，较其他制冷剂更加环保。
2.1 二氧化碳制冷系统工作原理
二氧化碳制冷系统目前有封闭式和开放式两个类型，因为开放式多用于无电力供应的情况下，本文主要介绍封闭式二氧化碳制冷系统。封闭式二氧化碳制冷系统又压缩机、冷凝器、节流结构、蒸发器组成一个封闭的循环回路，二氧化碳气体被压缩机吸入进行压缩成为高压高温气体，经排气管到达气体冷却器（冷凝器）入口，被冷却的制冷剂有气体冷却器排出，经过膨胀阀后进入蒸发器，蒸发后进入储液罐，等待被压缩机再次吸入。
图一 二氧化碳制冷系统流程图
2.2 跨临界循环
二氧化碳制冷系统包含压缩、排热、膨胀、蒸发四个基本过程，作为在热能和机械能之间相互转化的媒介物质，二氧化碳的吸热过程在亚临界区进行，而放热过程在超临界区进行，这是二氧化碳作为制冷剂有别于传统制冷剂循环的主要方面。在以空气为热源的制冷和热泵系统中，二氧化碳制冷循环在跨临界条件下工作运行，流体在特殊超临界条件下的性质使其在流动和交换热方面具有极大的优势，提高了整体空调系统的工作效率和效果，与以传统制冷剂为主的空调系统性能相当。且二氧化碳在气体冷却其中的温度变化较大，使气体冷却器进气口温度与出剂口温度较为接近，减少了高压侧不可逆引起的传热损失，降低了空调系统中所需制冷剂量、压缩机能耗量和整体空调系统的能耗量，提高了系统工作效率。
图二 跨临界循环图
3.二氧化碳制冷在工程机械领域的应用优势
二氧化碳是碳的最高氧化状态，其已经具有非常稳定的化学性质，在高温下不会进一步分解，无毒副作用，二氧化碳作为制冷剂的优势包括来源丰富、无毒副作用、化学性质稳定、单位体积内制冷量大、放热过程产生热量可与变温热源相媲美等多个方面。
3.1 对环境友好
二氧化碳在自然界天然存在，对臭氧层不会造成破坏，且目前投入使用的二氧化碳多是化工产业的副产物，将它作为制冷剂应用，可以通过对这种化工副产物的二次回收利用，降低其对温室效应的增加效果。即使在工程机械的工作过程中因振动等原因导致空调制冷系统出现故障，制冷剂泄露也不会对环境造成伤害。
3.2 价格低廉
二氧化碳作为化工产业副产物，来源广泛且价格低廉，工程机械使用二氧化碳作为制冷剂不会增加成本压力，且二氧化碳制冷剂流程较为简单，日常维护清理的费用较低，对工程机械成本造价控制有一定程度上的帮助。
3.3 化学稳定性好
二氧化碳对常用材料没有腐蚀性，在工程机械工作的高温环境下也不会分解成为有害气体，溶于水时呈弱酸性，酸性和腐蚀性较低，对工程机械原件和结构的材质例如不锈钢、铜类金属几乎不构成腐蚀威胁。且二氧化碳不具有可燃性、易爆性，对工作环境复杂的工程机械非常友好，安全程度较传统制冷剂更高。
3.4 制冷效率高
二氧化碳作为制冷剂时，因压缩比低，高压侧不可逆导致的传热损失低等因素，空调系统单位体积制冷剂的制冷量大，且传热性能高，有效的提升了工程机械车载空调系统的工作效率和效果，降低了空调系统的能源消耗。且二氧化碳作为制冷剂在跨临界循环时的放热过程，可以与变温热源的能效相媲美，可以对工程机械发动机进行一定的能效补充，不会因安装了空调系统就降低工程机械在爬坡、加速等运动下的动力供应，解决了夏季工程机械易“趴窝”的问题。
3.5 设备尺寸小
二氧化碳作为制冷剂时，单位体积制冷剂的制冷量大，制冷效率高，因此降低了压缩机的容积尺寸；又因二氧化碳的流动性和传热性能较高，排气管和热交换器等部件的尺寸也可以同步进行缩减，使得以二氧化碳为制冷剂的空调系统整体紧凑，占用工程机械的体积相对变小。若现有工程机械在传统空调系统的基础上进行改装的话，可以使用更多的二氧化碳制冷剂，制冷效果更好，为驾驶室带来更舒适的工作环境。
结束语：
综上所述，二氧化碳作为制冷剂，因其本身性能优越、来源广泛、价格低廉、对环境友好，更适宜工程机械使用；在二氧化碳跨临界运行时，空调系统的能源损耗更少，整体制冷工作效率更高，对工程机械的动力性能影响更小；二氧化碳制冷剂应用于工程机械空调系统，能够有效缩小空调系统所占用的体积，工程机械各元件散热环境更好，单位制冷量大，制冷效果更好。因此，二氧化碳作为制冷剂具备更加优秀的实用价值，更适合工程机械的工作环境。
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论文作者:覃裕灿
论文发表刊物:《电力设备》2018年第13期
论文发表时间:2018/8/20
标签：制冷剂论文; 工程机械论文; 二氧化论文; 空调系统论文; 工作论文; 环境论文; 临界论文; 《电力设备》2018年第13期论文;