導(dǎo)讀

CO2作為一種安全?高效且環(huán)境友好的自然工質(zhì),是未來汽車空調(diào)制冷劑替代方案的重要選擇?考慮到CO2系統(tǒng)制冷劑泄漏導(dǎo)致乘員艙氣體體積分?jǐn)?shù)超標(biāo)的舒適及安全問題,本文使用三維仿真軟件STAR-CCM+搭建乘員艙CO2制冷劑泄漏仿真模型,仿真分析兩種不同泄漏速率和泄漏圓孔孔徑下乘員艙乘客面部測點(diǎn)CO2體積分?jǐn)?shù)的動(dòng)態(tài)變化情況?在50g/s的高CO2泄漏速率下,面部CO2體積分?jǐn)?shù)在泄漏完成時(shí)能夠達(dá)到9%以上,需要切換送風(fēng)模式提供新風(fēng)來降低乘員艙內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù);在0.1g/s的低CO2泄漏速率下,泄漏完成時(shí)面部CO2體積分?jǐn)?shù)不超過3%,處于呼吸安全區(qū)范圍?

關(guān)鍵詞：CO2;熱泵空調(diào);泄漏特性;制冷劑

作者：宗碩 殷翔 黃龍飛 宋昱龍 曹鋒

西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院西安

傳統(tǒng)的汽車空調(diào)系統(tǒng)大部分以R134a[1]作為制冷劑,R134a因其良好的制冷性能而被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,但高達(dá)1430的GWP(全球變暖潛值,GlobalWarmingPotential)[2]使其在環(huán)保效益方面有所欠缺?隨著各類法律法規(guī)的出臺(tái),R134a等傳統(tǒng)制冷劑將逐步淘汰使用?新能源汽車熱管理系統(tǒng)目前仍廣泛使用HFC類強(qiáng)溫室效應(yīng)氣體(如R134a和R407C)作為制冷劑,而CO2作為自然工質(zhì)無毒沒有可燃性[3],其ODP(臭氧損耗潛值,ozonedepletionpotential)為0,GWP為1[4],是目前作為替代傳統(tǒng)制冷劑的理想選擇[5]?CO2熱泵技術(shù)在車輛熱管理領(lǐng)域發(fā)展前景廣闊,制熱能力明顯優(yōu)于采用R134a?R407C?R1234yf等制冷劑[6]的方案?對于跨臨界CO2汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng),由于制冷劑CO2可能通過HVAC系統(tǒng)泄漏至乘員艙中,導(dǎo)致乘員艙內(nèi)CO2氣體體積分?jǐn)?shù)過高影響乘員艙舒適性[7],因此研究CO2泄漏后乘員艙駕駛員和乘客呼吸處CO2體積分?jǐn)?shù)是有必要性的?

若CO2體積分?jǐn)?shù)超過人體可接受的閾值,則會(huì)產(chǎn)生威脅到人體健康的后果[8],且乘員艙內(nèi)人體不斷通過呼吸產(chǎn)生補(bǔ)充CO2?根據(jù)美國疾病控制和預(yù)防中心[9]的數(shù)據(jù),人體在體積分?jǐn)?shù)為5%CO2下暴露30min或在7%~10%CO2體積分?jǐn)?shù)下暴露幾分鐘后將出現(xiàn)頭暈的癥狀?EPA(美國環(huán)境保護(hù)署,Environ-mentalProtectionAgency)將體積分?jǐn)?shù)3%定義為乘客自由空間內(nèi)平均超過15min的短期呼吸水平,并將4%定義為乘客呼吸區(qū)的上限?因此,在制冷劑泄漏特別是由蒸發(fā)器嚴(yán)重泄漏引起的情況下,評估汽車乘員艙CO2體積分?jǐn)?shù)對于制定應(yīng)對措施以確保乘客的安全至關(guān)重要,泄漏的開始可能是由于汽車碰撞事件?HVAC系統(tǒng)的故障或長期使用導(dǎo)致的腐蝕?G.D.Mathur等[10]通過實(shí)車測量乘客呼吸引起的CO2體積分?jǐn)?shù)變化,乘員艙在3名乘客的呼吸作用下平均CO2體積分?jǐn)?shù)在50min內(nèi)能夠達(dá)到0.25%,空調(diào)在再循環(huán)模式下運(yùn)行?H.Jung[11]開發(fā)了一個(gè)數(shù)學(xué)模型,用于預(yù)測空調(diào)再循環(huán)模式下乘員艙中的CO2體積分?jǐn)?shù)變化,作為乘員艙容積?車身泄漏和乘客數(shù)量的函數(shù),通過擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定相關(guān)系數(shù)?徐廷喜等[12]提出一種基于支持向量數(shù)據(jù)描述算法的變頻空調(diào)系統(tǒng)制冷劑泄漏故障檢測和診斷方法?

S.Yadav等[13]研究了R290和R1234yf兩種潛在替代制冷劑在蒸發(fā)器?冷凝器中的泄漏特性,并對其由于泄漏引起的爆炸特性進(jìn)行了分析?M.E.Ko-ban等[14]采用CFD模型模擬HFO-1234yf在不同空調(diào)管路破裂工況下的擴(kuò)散特性,結(jié)果顯示,由于空氣被夾帶到制冷劑射流中,制冷劑的泄漏過程得到快速稀釋?劉全義等[15]基于Fluent軟件模擬了水平和垂直方向不同位置抽氣口作用對建筑物內(nèi)泄漏丙烷后的混合氣體體積分?jǐn)?shù)場分布的影響規(guī)律,結(jié)果顯示,制冷劑泄漏后,垂直方向抽氣口位置越低,對于降低房間內(nèi)丙烷氣體體積分?jǐn)?shù)的效果越好?楊清泉等[16]采用實(shí)驗(yàn)的方法對R32制冷劑在運(yùn)行過程中發(fā)生的泄漏和爆炸的問題進(jìn)行研究,結(jié)果表明,不可燃時(shí)間值隨著泄漏速度的增加呈先下降后上升的趨勢?

R.Monforte等[17]使用CFD仿真模擬以評估R1234yf制冷劑泄漏至乘員艙內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn),該CFD模型通過兩種實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了驗(yàn)證,可在簡化的乘員艙中進(jìn)行測量和車輛測試?汪琳琳等[18]通過數(shù)值模擬對R1234yf制冷劑在蒸發(fā)器破損泄漏隨送風(fēng)進(jìn)入乘員艙后的體積分?jǐn)?shù)變化過程和最高體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測,研究發(fā)現(xiàn)汽車后排較前排更易發(fā)生制冷劑聚集?袁小勇[19]通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法,分析以R32空調(diào)系統(tǒng)發(fā)生制冷劑泄漏的安全性,得到泄漏速度?窗開啟面積?障礙物與泄漏口的距離等因素對泄漏擴(kuò)散規(guī)律?體積分?jǐn)?shù)分布及房間內(nèi)安全性的影響?

本文通過CFD仿真軟件STAR-CCM+建模,模擬制冷劑泄漏時(shí)乘員艙內(nèi)乘客面部測點(diǎn)的體積分?jǐn)?shù)動(dòng)態(tài)變化,泄漏的場景參考SAEJ2772泄漏標(biāo)準(zhǔn)的測試場景[20],通過該模擬對兩種CO2制冷劑泄漏速率的場景做相應(yīng)的預(yù)估和分析,進(jìn)而提出相應(yīng)的應(yīng)對方法,CFD模型能夠準(zhǔn)確地仿真乘員艙內(nèi)氣體CO2體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化趨勢?

01  乘員艙CO2氣體泄漏仿真模型建立

幾何模型和計(jì)算模型

圖1所示為乘員艙CO2氣體泄漏仿真的幾何模型,該幾何模型包含HVAC風(fēng)道?乘客?座椅以及車門縫?HVAC風(fēng)道模型有一個(gè)總?cè)肟?回風(fēng)口和連接到乘員艙內(nèi)部的出風(fēng)口,本節(jié)的仿真模型只開前排4個(gè)吹面的出風(fēng)口,分別位于中間位置的兩個(gè)出風(fēng)口和兩側(cè)的兩個(gè)出風(fēng)口?汽車內(nèi)部容積為2.8m3,乘員艙內(nèi)前后排座椅和5名乘客,在每個(gè)乘客的面部上設(shè)立一個(gè)出口用于考慮人體呼吸作用產(chǎn)生的CO2?車門縫參照實(shí)際汽車的車門縫隙尺寸,用于考慮外部環(huán)境通過車門縫隙泄漏進(jìn)入到乘員艙內(nèi)部的新風(fēng)?

美國汽車工程學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)SAEJ2772中選取了腐蝕泄漏和碰撞泄漏兩種工況作為R744制冷劑泄漏典型工況[20]?在腐蝕泄漏工況下,泄漏孔直徑為0.1mm,對應(yīng)R744泄漏速率為0.1g/s;在碰撞泄漏工況下,泄漏孔直徑為6.35mm,對應(yīng)R744泄漏速率為50g/s?因此,本文仿真研究中泄漏孔的直徑設(shè)置為6.35mm和0.1mm,分別對應(yīng)高流量(50g/s)和低流量(0.1g/s)兩種泄漏速率?CO2泄漏孔的位置位于蒸發(fā)器中央位置的上1/3高度處,如圖2所示?考慮到實(shí)際高速泄漏工況存在節(jié)流和蒸發(fā)等復(fù)雜的物性變化過程,較難以三維仿真形式實(shí)現(xiàn)?同時(shí)HVAC風(fēng)道的存在有利于均衡客艙內(nèi)部出風(fēng)口的CO2體積分?jǐn)?shù)?因此本文對于CFD模型中的泄漏孔進(jìn)行合理簡化,僅考慮泄漏孔徑尺寸和泄漏質(zhì)量流量邊界條件?

仿真求解中將乘員艙內(nèi)部的空氣當(dāng)作不可壓縮流體,湍流模型選擇realizable模型?CO2制冷劑泄漏過程中不與乘員艙內(nèi)的空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng),選擇非反應(yīng)模型?氣體模型選用理想氣體模型,滿足理想氣體狀態(tài)方程?CO2生熱量交換,制冷劑泄漏過程中溫度恒定,不產(chǎn)生熱量交換,忽略重力的影響?

邊界條件

CFD模型邊界條件設(shè)置為:

1)泄漏孔設(shè)置為質(zhì)量流量進(jìn)口,流體為CO2,泄漏速率為50g/s和0.1g/s,其中50g/s泄漏持續(xù)時(shí)間為8s,0.1g/s泄漏持續(xù)時(shí)間為4000s,總泄漏量均為400g?

2)乘員艙內(nèi)有5名乘客,每名乘客面部設(shè)置CO2質(zhì)量流量進(jìn)口,速率為20L/h?

3)空調(diào)循環(huán)模式為純回風(fēng)模式,總風(fēng)量設(shè)置為480m3/h,該模式下CO2泄漏所能達(dá)到的體積分?jǐn)?shù)為所有模式下最差的情況,回風(fēng)口設(shè)置為出口?

4)車身的車門縫與周圍環(huán)境存在空氣交換,空氣交換率設(shè)為2,其含義為單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入乘員艙空氣量與乘員艙凈車內(nèi)容積的比率?

CFD模型初始條件設(shè)置為:

1)乘員艙內(nèi)外壓力為環(huán)境壓力101325Pa,乘員艙內(nèi)外溫度為298K?

2)乘員艙內(nèi)氣體組分為100%空氣?

02  仿真結(jié)果與分析

泄漏過程CO2體積分?jǐn)?shù)分布

高流量泄漏為CO2在泄漏孔處泄漏速率為50g/s,泄漏圓孔直徑為6.35mm,泄漏時(shí)長為8s?圖3所示為高流量泄漏過程中面部測點(diǎn)CO2體積分?jǐn)?shù)變化?

泄漏過程中乘員艙內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)迅速上升,面部測點(diǎn)體積分?jǐn)?shù)在8s內(nèi)達(dá)到8%以上,其中駕駛員測點(diǎn)體積分?jǐn)?shù)達(dá)到9%以上,大大超過了乘客呼吸安全區(qū)的上限值?因此在泄漏過程停止后,需要采取相應(yīng)的措施降低乘員艙內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)?

圖4所示為高流量泄漏過程中4個(gè)時(shí)間點(diǎn)中間特征截面面部測點(diǎn)CO2體積分?jǐn)?shù)云圖,泄漏過程中制冷劑CO2從前排吹面出風(fēng)口吹入乘員艙,使得乘員艙內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)迅速上升?泄漏的CO2氣體從乘員艙上方空間流動(dòng),先到達(dá)乘客的頭部再到達(dá)面部,因此頭部和面部的CO2體積分?jǐn)?shù)提升較為迅速,在極短時(shí)間內(nèi)達(dá)到5%以上,泄漏的CO2氣體循環(huán)后流向回風(fēng)口的方向?

泄漏過程動(dòng)態(tài)特性

高流量泄漏過程中,乘員艙內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)超過了安全值,應(yīng)對措施最直接的方法是改變汽車空調(diào)的送風(fēng)模式,改為全新風(fēng)快速降低乘員艙內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù),圖5所示為全回風(fēng)和全新風(fēng)模式下CO2面部測點(diǎn)體積分?jǐn)?shù)變化?

如圖5(a)所示,在8s的泄漏時(shí)間結(jié)束后,如果不改變送風(fēng)模式,在門縫泄漏進(jìn)來的新風(fēng)和人呼吸產(chǎn)生的CO2綜合影響下,隨著時(shí)間的推進(jìn)CO2會(huì)逐漸均勻散布在乘員艙內(nèi),各面部測點(diǎn)的CO2體積分?jǐn)?shù)逐漸趨于穩(wěn)定,在100s內(nèi)面部測點(diǎn)的體積分?jǐn)?shù)仍在

4%以上,超過了呼吸安全區(qū)的上限值?因此,不改變送風(fēng)方式僅依靠門縫新風(fēng)和CO2均勻化來降低呼吸體積分?jǐn)?shù)是不合理的?如圖5(b)所示,在8s的泄漏時(shí)間結(jié)束后改變送風(fēng)模式變成全新風(fēng),在新風(fēng)的作用下乘員艙內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)快速降低,在20s內(nèi)面部測點(diǎn)體積分?jǐn)?shù)已降至安全區(qū)范圍內(nèi),在50s時(shí)已降至1%以下?

圖6所示為低流量泄漏全過程中面部測點(diǎn)CO2體積分?jǐn)?shù)變化,在整個(gè)低流量泄漏過程中由于制冷劑CO2泄漏的速率較低,乘員艙內(nèi)各面部測點(diǎn)CO2體積分?jǐn)?shù)上升的速度較為緩慢,使得汽車乘員艙內(nèi)CO2氣體體積分?jǐn)?shù)較均勻?由于低流量泄漏下乘員艙內(nèi)CO2氣體體積分?jǐn)?shù)較均勻,各面部測點(diǎn)CO2體積分?jǐn)?shù)的差值較小?在第4000s時(shí)泄漏停止,此時(shí)乘員艙內(nèi)各面部測點(diǎn)CO2體積分?jǐn)?shù)均在3%以下,沒有達(dá)到CO2氣體體積分?jǐn)?shù)舒適性安全區(qū)的上限值?泄漏停止后在門縫漏進(jìn)乘員艙的新風(fēng)和人呼吸產(chǎn)生的CO2的綜合影響下,各面部測點(diǎn)CO2體積分?jǐn)?shù)逐漸下降趨于平穩(wěn)?不同于高流量泄漏情況,低流量泄漏在整個(gè)過程中面部測點(diǎn)CO2體積分?jǐn)?shù)均在舒適性安全范圍之內(nèi),不需要空調(diào)系統(tǒng)切換送風(fēng)模式提供額外的新風(fēng)來降低乘員艙環(huán)境內(nèi)部的CO2體積分?jǐn)?shù),因此乘員艙在CO2制冷劑低流量泄漏下基本不會(huì)對人體呼吸造成安全影響?

03  結(jié)論

基于CO2汽車空調(diào)系統(tǒng)制冷劑泄漏存在的乘員艙氣體舒適度隱患,本文使用三維仿真軟件STAR-CCM+搭建乘員艙制冷劑泄漏仿真模型,仿真分析兩種不同泄漏速率和泄漏圓孔孔徑下乘員艙乘客面部測點(diǎn)CO2體積分?jǐn)?shù)的動(dòng)態(tài)變化情況,為CO2系統(tǒng)制冷劑泄漏采取相應(yīng)措施提供參考?得到如下結(jié)論:

1)汽車空調(diào)系統(tǒng)在50g/s的高CO2泄漏速率下需要切換送風(fēng)模式提供新風(fēng)來使乘員艙內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到乘客呼吸安全區(qū),在0.01g/s的低CO2泄漏速率下,CO2體積分?jǐn)?shù)不會(huì)達(dá)到乘客呼吸安全區(qū)的上限值?

2)CO2制冷劑泄漏速率為50g/s的情況下,面部測點(diǎn)體積分?jǐn)?shù)在8s內(nèi)達(dá)到9%以上,在泄漏結(jié)束后切換為全新風(fēng)模式能夠在20s內(nèi)使乘客面部CO2體積分?jǐn)?shù)降至安全范圍?

3)CO2制冷劑泄漏速率為0.1g/s的情況下,在乘客呼吸作用和門縫漏風(fēng)的共同影響下,泄漏完成時(shí)面部CO2體積分?jǐn)?shù)不會(huì)超過3%?

由上述結(jié)論可知,在完善極端泄漏工況送風(fēng)模式切換功能的前提下,CO2汽車空調(diào)系統(tǒng)可以較好的規(guī)避乘員艙舒適度安全隱患?本文研究和分析主要基于仿真方法,限于實(shí)驗(yàn)條件暫無相應(yīng)整車實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和校核仿真模型的準(zhǔn)確性和可靠性,在未來工作中有必要進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?

【參考文獻(xiàn)】

[1]陳科峰,龔海濤.汽車空調(diào)HFC-134a替代品研究進(jìn)展[J].有機(jī)氟工業(yè),2008(4):35-37,62.(CHENKefeng,GONGHaitao.ResearchprogressofHFC-134asubstituteforautomobileairconditioning[J].Organo-FluorineIndustry,2008(4):35-37,62.)

[2]COLEMANJW,GARIMELLAS.Two-phaseflowregimesinround,squareandrectangulartubesduringcondensationofrefrigerantR134a[J].InternationalJournalofRefrigeration,2003,26(1):117-128.

[3]王從飛,曹鋒,李明佳,等.碳中和背景下新能源汽車熱管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].科學(xué)通報(bào),2021,66(32):4112-4128.(WANGCongfei,CAOFeng,LIMingjia,etal.Researchstatusandfuturedevelopmentofthermalmanagementsystemfornewenergyvehiclesunderthebackgroundofcarbonneutrality[J].ChineseScienceBulletin,2021,66(32):4112-4128.)

[4]陳凱勝.電動(dòng)汽車二氧化碳熱泵空調(diào)制熱性能及控制策略模擬研究[D].北京:北京理工大學(xué),2018.(CHENKaisheng.Researchonsimulationofcarbondioxideheatpumpairconditionerheatingperformanceandcontrolstrategyforelectricvehicles[D].Beijing:BeijingInstituteofTechnology,2018.)

[5]劉業(yè)鳳,王雨晴,唐丹萍.新能源汽車CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)仿真研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2021,59(12):45-51.(LIUYefeng,WANGYuqing,TANGDanping.SimulationresearchonCO2heatpumpairconditioningsystemofnewenergyvehicle[J].AgriculturalEquipment&VehicleEngineering,2021,59(12):45-51.)

[6]宋昱龍,王海丹,殷翔,等.跨臨界CO2蒸氣壓縮式制冷與熱泵技術(shù)綜述[J].制冷學(xué)報(bào),2021,42(2):1-24.(SONGYulong,WANGHaidan,YINXiang,etal.ReviewoftranscriticalCO2vaporcompressiontechnologyinrefrigerationandheatpump[J].JournalofRefrigeration,2021,42(2):1-24.)

[7]GARCíA-LóPEZE,HEARDC.Astudyofthesocialacceptabilityofaproposaltoimprovethethermalcomfortofatraditionaldwelling[J].AppliedThermalEngineering,2015,75:1287-1295.

[8]AMELINEA,DUMESTRE-TOULETV,RAULJS,etal.Determinationofathresholdfatal3-MMCconcentrationinhuman:missionimpossible[J].Psychopharmacology,2019,236(3):865-867.

[9]CHAKRABARTIM,PEREZMONTIELA,CORRILOI,etal.CO2concentrationinthecabinintheeventofaleak:CFDsimulationandtesting[J].SAETechnicalPaper,2017-01-1444.

[10]MATHURGD.Experimentalinvestigationtodetermineinfluenceofbuild-upofcabincarbondioxideconcentrationsforoccupantsfatigue[J].SAETechnicalPaper,2016-01-0254.

[11]JUNGH.ModelingCO2concentrationsinvehiclecabin[J].SAETechnicalPaper,2013-01-1497.

[12]徐廷喜,杜志敏,吳斌,等.基于支持向量數(shù)據(jù)描述算法的變頻空調(diào)系統(tǒng)制冷劑泄漏故障診斷研究[J].制冷技術(shù),2019,39(4):25-31.(XUTingxi,DUZhimin,WUBin,etal.Faultdiagnosisresearchonrefrigerantleakageofinverterair-conditioningsystembasedonsupportvectordatadescriptionalgorithm[J].ChineseJournalofRefrigerationTechnology,2019,39(4):25-31.)

[13]YADAVS,LIUJ,KIMSC.Acomprehensivestudyon21st-centuryrefrigerants-R290andR1234yf:areview[J].InternationalJournalofHeatandMassTransfer,2022,182:121947.

[14]KOBANME,HERRMANNDD.DispersionmodelingofleaksoflowglobalwarmingpotentialrefrigerantHFO-1234yfinanautomobilegarage[J].ProcessSafetyProgress,2011,30(1):27-34.

[15]劉全義,張輝,劉奕,等.建筑物空調(diào)系統(tǒng)可燃制冷劑泄漏濃度場分布[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,53(9):1326-1333.(LIUQuanyi,ZHANGHui,LIUYi,etal.Concentrationdistributionofleakingflammablerefrigerantsfrombuildingair-conditioningsystems[J].JournalofTsinghuaUniversity(ScienceandTechnology),2013,53(9):1326-1333.)

[16]楊清泉,袁小勇,金梧鳳.R32制冷劑泄漏速度對室內(nèi)可燃風(fēng)險(xiǎn)的影響研究[J].日用電器,2022(4):30-34,42.(YANGQingquan,YUANXiaoyong,JINWufeng.ExperimentalstudyontheeffectofR32refrigerantleakagerateonindoorconcentrationdistributionandsafety[J].ElectricalAppliances,2022(4):30-34,42.)

[17]MONFORTER,MATTIELLOF,PEROSINOA,etal.ValidationofaCFDmodeltopredictR-1234yfconcentrationsinavehiclecabincompartment[J].SAETechnicalPaper,2016-01-0221.

[18]汪琳琳,楊昭,王丹.R1234yf整車汽車空調(diào)泄漏擴(kuò)散研究[J].制冷學(xué)報(bào),2022,43(1):59-67.(WANG