淺析R407C在客車空調(diào)中的應(yīng)用技術(shù)論文

淺析R407C在客車空調(diào)中的應(yīng)用技術(shù)論文

　　隨著城鄉(xiāng)一體化進(jìn)程的加快，帶動(dòng)了客車行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，同時(shí)也帶動(dòng)了客車空調(diào)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。但是，近年來(lái)全球氣候變暖問(wèn)題日益嚴(yán)重，引起了各國(guó)的高度重視。普遍認(rèn)為，客車空調(diào)系統(tǒng)在提供舒適性小環(huán)境的同時(shí)也破壞了人類生存的大環(huán)境。

　　R407C 是一種安全、無(wú)毒、不破壞臭氧層的新型環(huán)保制冷劑，具有單位質(zhì)量/ 單位容積制冷量大、能效比高、換熱效率好等優(yōu)點(diǎn)。西方發(fā)達(dá)國(guó)家有部分客車空調(diào)產(chǎn)品使用了R407C，其中冷王的R407C 制冷系統(tǒng)應(yīng)用于客車已經(jīng)量產(chǎn)商業(yè)化。在我國(guó)R407C 客車空調(diào)系統(tǒng)已從研究日漸走向應(yīng)用，某些公司在客車空調(diào)系統(tǒng)中作過(guò)一些R407C 嘗試應(yīng)用，并有一定的成效[1- 2]。目前由于人們對(duì)這種非共沸工質(zhì)的溫度滑移、制冷劑成分變化后對(duì)系統(tǒng)的換熱性能的影響不夠了解，影響了R407C 在客車空調(diào)上的應(yīng)用和推廣。本文將客觀地探討客車空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用國(guó)際社會(huì)倡導(dǎo)的環(huán)保工質(zhì)R407C 的優(yōu)越性，為R407C 客車空調(diào)器的研發(fā)設(shè)計(jì)提供參考。

　　1 R407C 與R134a 對(duì)比

　　1.1 制冷運(yùn)行工況的確定

　　汽車空調(diào)系統(tǒng)與一般的空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和使用條件均不同。客車空調(diào)90% 以上為非獨(dú)立式空調(diào)系統(tǒng)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化很大，一般在700 ~2 300 r/min 之間，空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速隨汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而相應(yīng)變化;特別是城市客車運(yùn)行于城市紅綠燈區(qū)和停靠站之間，平均行駛車速約30 km/h，并且頻繁停起和開(kāi)關(guān)門，加之乘員變化很大，所以客車空調(diào)配置要求冷量大、制冷快。

　　根據(jù)客車空調(diào)系統(tǒng)隨環(huán)境和車速而變工況的特點(diǎn)和實(shí)際情況，客車空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)工況參數(shù)確定如下：冷凝溫度50℃～60℃，蒸發(fā)溫度0℃～5℃，過(guò)冷度5℃，過(guò)熱度10℃，室外溫度35℃，室內(nèi)溫度27℃，室內(nèi)相對(duì)濕度50%，壓縮機(jī)正常轉(zhuǎn)速1 800 r/min。

　　1.2 綜合性能分析

　　R134a 和R407C 都屬于中溫制冷劑，其中R134a 屬于純質(zhì)制冷劑，R407C 屬于多組分非共沸制冷劑。汽車空調(diào)中常用的制冷劑有R134a，但是R134a 有很多的缺點(diǎn)。它不但具有較高的、非常令人擔(dān)憂的溫室效應(yīng)指數(shù)，而且R134a 親油性差，還對(duì)銅有腐蝕性，但和鐵、鋁共存穩(wěn)定性較好。另外，根據(jù)新的報(bào)道，R134a 在大氣中分解會(huì)產(chǎn)生一種吸濕力較強(qiáng)的具有腐蝕性的液體，可在不同地方聚集，對(duì)人體的健康有一定的危害。而R407C 為非共沸混合工質(zhì)，它是R32/R125/R134a 三種冷媒以混合質(zhì)量比為23∶25∶52 而成的非共沸混合物。R407C 作為新型制冷劑正逐步被世人所認(rèn)知，它具有清潔、低毒、不燃、制冷效果好、節(jié)能、環(huán)保等特點(diǎn)，已經(jīng)大量用于空調(diào)行業(yè)。R407C單位容積制冷量大，熱力性質(zhì)優(yōu)異，與酯類潤(rùn)滑油相溶;與鐵、銅、鋁共存，穩(wěn)定性較好;但是具有較高的冷凝壓力，在車載空調(diào)上使用有待進(jìn)一步研究。

　　1.3 理論熱力循環(huán)計(jì)算

　　1)純工質(zhì)R134a 熱力性能計(jì)算。對(duì)于純工質(zhì)R134a，飽和溫度和飽和壓力是一一對(duì)應(yīng)的。蒸發(fā)壓力Pe 和冷凝壓力Pc 可根據(jù)蒸發(fā)溫度te 和冷凝溫度tc 確定。

　　2)混合工質(zhì)R407C 熱力性能計(jì)算。由于R407C 為非共沸制冷劑，在相同壓力條件下，相變時(shí)存在溫度滑移現(xiàn)象，氣相飽和溫度(露點(diǎn)溫度)和液相飽和溫度(泡點(diǎn)溫度)是不同的。本文選擇露點(diǎn)溫度和泡點(diǎn)溫度的算術(shù)平均值作為確定工況點(diǎn)的等效平均溫度。用線性插值方法計(jì)算出給定的蒸發(fā)(氣相臨界點(diǎn))溫度te和冷凝(液相臨界點(diǎn))溫度tc相對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)壓力Pe 和冷凝壓力Pc。

　　3)熱力性能計(jì)算方法和計(jì)算程序。根據(jù)上述R407C在給定蒸發(fā)溫度te 和冷凝溫度tc 下的蒸發(fā)壓力Pe 和冷凝壓力Pc 的確定方法，Pe 和Pc 及其te 和tc 成為了一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。在確定了制冷循環(huán)的各狀態(tài)點(diǎn)的溫度后，根據(jù)過(guò)程特性，可以用NIST 制冷劑和混合制冷劑熱力性質(zhì)計(jì)算程序計(jì)算出h1、h2、h5、h0、v1 等。利用狀態(tài)方程，根據(jù)各點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)，就可以計(jì)算出兩種制冷劑在不同工況下的制冷循環(huán)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，包括單位質(zhì)量制冷量、單位理論功、單位容積制冷量和制冷系數(shù)等。有關(guān)狀態(tài)方程如下：?jiǎn)挝恢评淞縬0= h1- h5;單位容積制冷量qv=q0/v1;理論比功w0=h2- h1;制冷系數(shù)COP=q0/w0;壓力比π=Pc/Pe。

　　a. 實(shí)例計(jì)算。冷凝溫度56.5℃，蒸發(fā)溫度2℃，過(guò)冷度5℃，過(guò)熱度10℃。特殊工況如表3 所示。冷凝溫度60℃，蒸發(fā)溫度0℃，過(guò)冷度5℃，過(guò)熱度10℃。

　　實(shí)際工作中，上述方法比較繁瑣，常利用R407C 制冷劑應(yīng)用程序進(jìn)行模擬計(jì)算，和上述方法相比，其計(jì)算誤差<5%，在工程上是可以接受的。

　　b. 混合工質(zhì)R407C 熱力性能分析。由以上理論計(jì)算可知，在客車空調(diào)相同的工況下，R407C 的單位理論功比R134a 約高16%，單位容積制冷量比R134a 高43%～50%;R407C 單位制冷量比R134a 高8%～10%，理論制冷系數(shù)比R134a 低5%～6%。在相同的工況下，R407C 的吸氣壓力比R134a 高54%～64%，排氣壓力比R134a 高50%～60%;R407C 的壓力比比R134a 低3.5%～4.5%。

　　2 在客車空調(diào)應(yīng)用中的技術(shù)探討

　　2.1 R407C 系統(tǒng)的性能分析

　　R407C 單位容積制冷量比R134a 高43%～50%，可采用小排量壓縮機(jī)達(dá)到相同制冷量;能減小客車空調(diào)壓縮機(jī)和兩器的體積和重量;能減少客車空調(diào)系統(tǒng)的安裝空間，增加汽車的機(jī)動(dòng)性和降低油耗。

　　市場(chǎng)上大客車空調(diào)主要使用的BOCK、Thermo King壓縮機(jī)都有使用R407C 的產(chǎn)品[7- 8]，制冷劑軟管的爆破壓力均高于12 500 kPa，已滿足爆破壓力是運(yùn)行壓力的5 倍以上的標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，現(xiàn)有的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的耐壓性能夠適應(yīng)R407C 的要求。

　　空調(diào)壓縮機(jī)作為空調(diào)系統(tǒng)的心臟，其安全保護(hù)一直是控制的重點(diǎn)。為防止損壞，需要有高壓控制及防液擊的措施。另外，由于汽車大多時(shí)間在外面行駛，受天氣的影響，其壓力變化較大。為防止系統(tǒng)高壓過(guò)高，最好有安全泄壓閥。

　　采用R407C 作為制冷劑時(shí)，在相同的工況下，R407C 的吸氣壓力比R134a 高54%～64%，排氣壓力比R134a 高50%～60%;系統(tǒng)的高、低、中壓壓力開(kāi)關(guān)的動(dòng)作壓力值需要調(diào)整。同時(shí)為保證制冷系統(tǒng)的回油，設(shè)計(jì)管路時(shí)要考慮氣體制冷劑的流速，水平管內(nèi)為不小于3.8 m/s，豎直管內(nèi)為不小于7.6 m/s。

　　2.2 R407C 系統(tǒng)的有關(guān)要求

　　1)R407C 系統(tǒng)對(duì)兩器的要求。利用R407C 溫度滑移的優(yōu)勢(shì)，城市客車空調(diào)換熱器設(shè)計(jì)時(shí)可將兩器設(shè)計(jì)成都是按逆流狀態(tài)換熱，以改善換熱性能，并采取相應(yīng)的強(qiáng)化換熱措施，彌補(bǔ)采用R407C熱傳導(dǎo)性能較差的不足。

　　由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)壓力比R134a 高，故對(duì)兩器的要求也高。不光要考慮壓力的因素，還要考慮汽車行駛過(guò)程中振動(dòng)所帶來(lái)的強(qiáng)度影響，最好有減振措施。

　　R407C 與空氣的混合氣體不得用于壓力和檢漏試驗(yàn)，因?yàn)榭赡軙?huì)引起爆炸。推薦系統(tǒng)檢漏壓力為3.2～3.5 MPa，在滿足換熱要求的情況下，管壁的厚度最好大一些。例如，客車空調(diào)頂置蒸發(fā)器是銅管鋁片式，建議銅管為φ9.525×0.41，翅片厚0.15，翅片距2.2 mm，翅片為親水鋁箔;流路按性能設(shè)計(jì)，但R407C 制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)的流路長(zhǎng)建議6～10 m，同時(shí)在冷凝器內(nèi)的流路長(zhǎng)建議14～18 m。

　　2)R407C 系統(tǒng)對(duì)膨脹閥和其它零部件的要求。

　　①膨脹閥。要選擇R407C 專用膨脹閥;膨脹閥并不直接控制系統(tǒng)制冷量。針對(duì)城市客車在不同行駛速度下空調(diào)的變化性，膨脹閥在滿足最大制冷量的同時(shí)，要求可調(diào)節(jié)范圍大，性能良好。以丹佛斯公司的膨脹閥產(chǎn)品為例，制冷劑采用R407C，當(dāng)制冷量為28 kW，選擇型號(hào)為TDEZ8 熱力膨脹閥;制冷量為21 kW，選擇型號(hào)為TDEZ6 膨脹閥。

　　②管路。作為系統(tǒng)中的連接管路，泄漏一直是汽車空調(diào)最頭痛的問(wèn)題。R407C 系統(tǒng)排氣壓力很高，需要增加系統(tǒng)管路壁厚。又因其是非共沸混合物，如果系統(tǒng)泄漏，對(duì)性能的影響是很明顯的，這就要求管路系統(tǒng)中盡量少接頭，除干燥器需要經(jīng)常更換、用可拆卸接頭外，不推薦用可拆卸接頭，盡量采用焊接，減少泄漏點(diǎn)，保證系統(tǒng)的密封。

　　③干燥過(guò)濾器。一般選用分子篩作干燥劑。分子篩是硅酸鹽晶體，其晶體結(jié)構(gòu)中有許多孔徑均勻的孔道和內(nèi)表面很大的孔穴，能吸附分子直徑比孔徑小的分子。

　　干燥劑：確認(rèn)兩種適合R407C 冷媒用的干燥劑為XH- 10C 和XH- 11。泄漏要求：在R407C 最高工作壓力3.4 MPa 下，干燥過(guò)濾器的年泄漏量不大于2.8 g/a。結(jié)構(gòu)要求：為防止分子篩磨損，在干燥過(guò)濾器的內(nèi)部加裝彈簧固定分子篩，使得冷媒在干燥過(guò)濾器內(nèi)部得到緩沖。安裝位置：POE 油具有水解性，選擇干燥過(guò)濾器安裝在系統(tǒng)液管管路上的蒸發(fā)器入口處。推薦適用于客車空調(diào)干燥過(guò)濾器端面密封接口便于更換和維修。

　　④儲(chǔ)液器。空調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，避免含有R407C 制冷劑的儲(chǔ)液器過(guò)熱。R407C 熱分解將會(huì)產(chǎn)生具有強(qiáng)烈毒性和強(qiáng)腐蝕性的蒸汽。如果過(guò)熱，儲(chǔ)液器將會(huì)爆炸。

　　⑤ 兼容性。R407C 與R134a 的材料兼容性基本一致;R134a 在汽車空調(diào)系統(tǒng)中已經(jīng)普遍使用，R407C 在工商制冷系統(tǒng)中已廣泛使用;目前的材料技術(shù)已能滿足R407C 的要求。因此，空調(diào)系統(tǒng)選用的密封件、軟管、冷凍油等材料與R134a 系統(tǒng)相同。但是在高溫高壓下，一些金屬在催化劑作用下可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而使制冷劑變質(zhì)。當(dāng)鎂鋁合金材料中鎂的含量多于2%時(shí)，不能用于R407C 的空調(diào)系統(tǒng)。R407C 制冷劑還可能會(huì)與焊接零件的焊接劑發(fā)生反應(yīng)。

　　⑥其它。R407C 空調(diào)系統(tǒng)中的截止閥和四通閥(電動(dòng)客車熱泵系統(tǒng)用)與其他制冷劑空調(diào)系統(tǒng)不同，必須使用專門R407C 的截止閥和四通閥。

　　⑦ 低溫條件時(shí)，蒸發(fā)器入口處結(jié)霜明顯，化霜感溫器位置一般要避免選擇此位置，以防止感溫器頻繁動(dòng)作進(jìn)入化霜程序，影響到制熱效果。

　　3 結(jié)論

　　1)在客車空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)工況下，R407C 系統(tǒng)能大大減小汽車空調(diào)壓縮機(jī)和兩器的體積和重量，對(duì)提高汽車的動(dòng)力性能，降低能耗，節(jié)約制造成本具有很大的意義。

　　2)客車空調(diào)R407C 系統(tǒng)有較高的排氣壓力。在相同的工況下，有較大的壓縮機(jī)扭矩、單位理論功比R134a 約高16%;制冷劑泄露會(huì)改變組分和熱物性等。

　　3)通過(guò)提升汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的工藝焊接、加工生產(chǎn)工藝水平，升級(jí)氣密性試壓壓力和爆破試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn);通過(guò)調(diào)整管路和換熱器的壁厚，提高對(duì)系統(tǒng)密封件、尤其是冷凝側(cè)的氣密性、強(qiáng)度和抗震性的要求;加大壓縮機(jī)離合器的扭矩;應(yīng)該可以彌補(bǔ)客車空調(diào)R407C 系統(tǒng)有較高排氣壓力的缺陷。

　　4)將R407C 用于客車空調(diào)制冷系統(tǒng)與R134a 相比，可以降低壓縮機(jī)的排量和降低成本。考慮到重量因素和理論循環(huán)的制冷系數(shù)等，R407C 系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和安全可靠性方面，與R134a 基本相同。

　　5)采用R407C 空調(diào)制冷系統(tǒng)，體現(xiàn)了安全和環(huán)保新理念，是輕量化、舒適化及節(jié)能化的發(fā)展方向。

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