Otomotiv İklimlendirme Sistemlerinde CO₂ (R744) Soğutucu Akışkanın Avantajları ve Zorlukları

CO₂ Soğutucu Akışkanın Avantajları

1. Güvenlik ve Çevre Dostu

Tablo 1'de gösterildiği gibi, doğal bir soğutucu olan CO₂ yanıcı değildir, toksik değildir, ozon tüketme potansiyeline (ODP) sahip değildir ve son derece düşük bir küresel ısınma potansiyeline (GWP) sahiptir. Bu özellikler onu çevre dostu ve güvenli soğutucu akışkan uygulamaları için ideal bir seçim haline getirir.

Soğutucu	R134a	R1234yf	R744
Moleküler Formül	CF3CH2F	CF3CF=CH2	CO2
Standart Kaynama Noktası /°	-26.1	-30	-78.5
Kritik Sıcaklık /°	101.1	95	31.1
Kritik Basınç /MPa	4.07	3.38	7.38
GWP Değeri	1430	4	1
ODP Değeri ①	0	0	0
Güvenlik Grubu ②	A1 (Toksik olmayan, yanıcı olmayan)	A2L	A1 (Toksik olmayan, yanıcı olmayan)
Maliyet / (RMB/kg)	48	400	6
Guchen kompresör modellerine örnekler	GC20A12	GC66B600	Geliştirilme aşamasında

① ODP: Ozon Tüketimi Potansiyeli
② ASHRAE Güvenlik Sınıflandırma Sistemi
C: Düşük toksisite;
1, 2L, 2, 3: Yanıcılık seviyeleri.
1: Yanıcı değildir.
2L: Düşük alev yayılma hızıyla birlikte hafif yanıcıdır.
2: Yanıcı.
3: Son derece yanıcı.

Sentetik soğutucuların aksine, otomotiv klima sistemlerinde CO₂ kullanılması, aracın hurdaya çıkarılması sırasında soğutucu akışkanın geri kazanılması ihtiyacını ortadan kaldırır. CO₂ ayrıca yaygın olarak bulunabilen ve düşük maliyetli olup, R1234yf gibi soğutucu akışkanlara göre önemli maliyet avantajları sunar.

2. Olağanüstü Isıtma Performansı

Isı pompası sistemleridüşük sıcaklıktaki ortamlarda genellikle düşük ısıtma performansıyla karşılaşılır. Bunun nedeni, düşük sıcaklıklarda soğutucu gazın yoğunluğunun azalması, daha düşük kütle akış hızlarına yol açması ve kompresör hızını sınırlandırarak sistemin emme basıncının pozitif tutulması gerektiğinden meydana gelir.
Şekil 1 ve 2, CO₂'nin R134a veya R1234yf ile karşılaştırıldığında çok daha yüksek gaz yoğunluğuna ve buharlaşma basıncına sahip olduğunu ve düşük sıcaklık koşullarında bile üstün ısıtma performansını korumasını sağladığını göstermektedir.

Şekil 3, farklı ortam sıcaklıklarında üç tip soğutucu akışkan için ısıtma kapasitesini (kompresör hacmi cinsinden cm³ cinsinden) göstermektedir. CO2 sisteminin farklı ortam sıcaklıklarındaki ısıtma kapasitesi, R134a veya R1234yf sistemlerine göre 7 ila 11 kat daha fazladır. Özellikle düşük sıcaklıklarda, CO2 sistemi hala yüksek ısıtma kapasitesini koruyarak CO2'yi soğutucu olarak kullanan ısı pompası sistemlerinin daha düşük sıcaklıklara sahip bölgelerde veya mevsimlerde uygulanmasına olanak tanır. Ayrıca, bu tür yüksek ısıtma potansiyeli teorik olarak ısı pompası soğutucu akışkanı olarak CO2 kullanan elektrikli araçların tipik olarak kullanılan elektrikli ısıtıcıları ortadan kaldırmasına olanak tanır, böylece enerji verimliliğini artırır ve sistem maliyetlerini azaltır.
İlgili okuma:
Düşük Sıcaklıklarda Elektrikli Araçlar için Buhar Enjeksiyonlu Scroll Kompresörlü İki Kademeli Isı Pompası Sistemleri

CO₂ Soğutucu Akışkanının Zorlukları

1. Soğutma ve Isıtmada Daha Düşük Verimlilik

CO₂ sistemleri tipik olarak soğutucu akışkanın yüksek basınç tarafında süperkritik olduğu transkritik durumlarda çalışır. Genişleme kısma aşaması sırasındaki önemli enerji kaybı, daha düşük çevrim verimliliğine neden olur.
Çalışmalar, CO₂ sistemlerinin R134a veya R1234yf sistemlerine göre %20-40 daha düşük çevrim verimliliğine sahip olduğunu ve bu dezavantajın daha yüksek ortam sıcaklıklarında daha belirgin hale geldiğini göstermektedir. Verimliliğin düşük olması enerji performansının düşmesine, içten yanmalı araçlarda yakıt tüketiminin artmasına veya elektrikli araçlarda elektrik tüketiminin artmasına neden olur.
Ancak aşırı düşük sıcaklıklarda (-10°C'nin altında), CO₂ ısı pompalarının verimliliği R134a veya R1234yf sistemlerinin verimliliğini aşar. Bunun nedeni, ikinci sistemlerin sınırlı ısı pompası kapasiteleri nedeniyle yardımcı elektrikli ısıtma gerektirmesi ve bu durumun ısıtma verimliliğini önemli ölçüde azaltmasıdır. CO₂ döngüsü verimliliğini artırmak için ejektörler ve genişletme cihazları gibi ileri teknolojiler araştırılıyor, ancak bunlar hala deneysel aşamada ve acil ticari uygulamayı engelleyen teknik engellerle karşı karşıya.

2. Yüksek Yaşam Döngüsü Karbon Emisyonları

Otomotiv klima soğutucu akışkanlarının yaşam döngüsü karbon emisyonları, doğrudan ve dolaylı emisyonları içerir. Doğrudan emisyonlar şarj, çalıştırma, bakım ve kullanım ömrü sonu geri kazanımı sırasında soğutucu akışkan sızıntısından kaynaklanırken, dolaylı emisyonlar sistemin çalışması ve soğutucu akışkan üretimi/nakliyesi sırasındaki enerji tüketiminden kaynaklanır.
CO₂ ihmal edilebilir bir GWP değerine sahip olsa da, çalışma sırasındaki düşük enerji verimliliği, R134a veya R1234yf ile karşılaştırıldığında önemli ölçüde daha yüksek yaşam döngüsü karbon emisyonlarına neden olur. Bu, özellikle düşük sıcaklıklarda CO₂ ısı pompalarının avantajlarının ılıman ve subtropikal iklimler nedeniyle daha az etkili olduğu Çin gibi bölgeler için geçerlidir.

3. Yüksek Çalışma Basıncıyla İlişkili Maliyetler ve Sızıntı Sorunları

CO₂ sistemleri 15 MPa'yı aşan basınçlarda, genellikle 12 MPa'yı aşan yüksek basınç farkıyla ve 160°C'nin üzerine çıkan deşarj sıcaklıklarında çalışır. Bu aşırı koşullar, tüm soğutucu çevrim bileşenlerinin bu tür yüksek basınçlara ve sıcaklıklara dayanacak şekilde yeniden tasarlanmasını gerektirmekte, bu da bileşen maliyetlerini önemli ölçüde artırmaktadır.
CO₂'ün kendisi ucuz olmasına rağmen, aşağıdaki gibi bileşenlerkompresörler, ısı eşanjörleri, soğutucu akışkan boru hatları, ayırıcılar, vanalar ve basınç sensörleri, R134a veya R1234yf sistemlerindeki muadillerine göre daha pahalıdır ve genel sistem maliyetlerini en az 2500 Yen artırır.
Ayrıca CO₂'nin daha küçük moleküler boyutu, yüksek sıcaklık ve yüksek basınç koşulları altında hortumlar veya konektörlerden sızıntı riskini artırır. CO₂ sistemleri için özel sızdırmazlık malzemeleri geliştirilmiş olsa da bunların etkinliği idealin altında kalıyor ve sistem performansını korumak için soğutucu akışkanın daha sık doldurulması gerekiyor.

4. Güvenlik Kaygıları

CO₂ toksik ve kokusuz olmasına rağmen araç kabinine sızıntılar sağlık açısından risk oluşturabilir. %1'e kadar düşük CO₂ konsantrasyonları rahatsızlığa ve uyuşukluğa neden olabilirken, %2'lik seviyeler baş ağrısına ve konsantrasyon kaybına neden olabilir. %5'te bilinç kaybı ve hatta ölüm meydana gelebilir.
Riskleri azaltmak için, CO₂ soğutucu akışkan kullanan araçların CO₂ sensörleri ile donatılması gerekir. Alternatif bir tasarım, soğutucu akışkan döngülerinin motor bölmesiyle sınırlı olduğu ve soğutulmuş havanın kabinin içine dolaştırıldığı dolaylı ısı değişimini içerir. Ancak bu yaklaşım, ısı değişim verimliliğini azaltarak sistemin soğutma performansını daha da düşürür.
CO₂ sistemlerinin yüksek basınçları aynı zamanda geliştirme, test ve bakım sırasındaki güvenlik risklerini de artırır.

CO₂ Soğutucu Akışkan Uygulamalarına İlişkin Görünüm

Guchen Industry, CO₂ özelliklerinin ve mevcut teknolojik sınırlamaların analizine dayanarak, aşağıdaki nedenlerden dolayı CO₂ otomotiv klima sistemlerinin büyük ölçekte benimsenmesinin kısa vadede olası olmadığı sonucuna varmıştır:
◆ Verimlilik ve Karbon Emisyonları: CO₂ sistemlerinin düşük enerji verimliliği, yaşam döngüsü karbon emisyonlarını artırır, bu da enerji tasarrufu ve karbon nötrlüğüne yönelik küresel hedeflerle çelişir.
◆ İklime Uygunluk: CO₂ ısı pompaları soğuk iklimlerde üstünlük sağlar, ancak Çin'in çoğu gibi ılıman iklime sahip bölgelerde avantajları daha az belirgindir.
◆ Maliyet ve Güvenlik Zorlukları: Yüksek basınçlı çalışma, maliyetlerin, sızıntı risklerinin ve ele alınması gereken daha fazla teknolojik ilerleme gerektiren güvenlik tehlikelerinin artmasına neden olur.

Bununla birlikte, CO₂'nin yanmazlık, düşük toksisite, sıfır ozon tabakası incelmesi ve maliyet avantajları dahil olmak üzere doğal özellikleri, olağanüstü ısıtma potansiyeli ile birleştiğinde gelecekte benimsenme konusunda umut vaat etmektedir. Teknoloji geliştikçe, CO₂ bazlı otomotiv klima sistemleri daha geniş bir uygulama yelpazesi için uygun hale gelebilir.