鐵路機(jī)械冷藏車制冷機(jī)組制冷劑替代的研究

常邦燦

（中鐵特貨運(yùn)輸有限責(zé)任公司 裝備安全部，北京 100055）

1 研究背景

由于氟氯烴類 (CFCS) 制冷劑對(duì)地球臭氧層的破壞，1987年9月16日由26個(gè)國(guó)家在加拿大蒙特利爾市簽署了“破壞臭氧層物質(zhì)管理的蒙特利爾議定書”，以限制CFCS類制冷劑的使用。按規(guī)定到2010年，對(duì)目前所使用的CFCS制冷劑工質(zhì)全面禁產(chǎn)，同時(shí)一些與CFCS相關(guān)的產(chǎn)品與配件也將停止生產(chǎn)。

中鐵特貨運(yùn)輸有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱特貨公司)是對(duì)易腐貨物具有鐵路冷藏運(yùn)輸能力的專業(yè)運(yùn)輸公司，現(xiàn)配屬使用的鐵路機(jī)械冷藏車為B10、B21、B22、B23，共計(jì)1910輛，各型制冷機(jī)組共計(jì)2906臺(tái)，其中以CFCS(R12) 為制冷劑的機(jī)械冷藏車為B21型、B22型、B23型3種，使用制冷機(jī)組共計(jì)2656臺(tái)，占總數(shù)量的91.4%，見表1。這些制冷機(jī)組在日常檢修、運(yùn)用、保養(yǎng)及使用過程中均不同程度地存在著CFCS排放問題。隨著“破壞臭氧層物質(zhì)管理的蒙特利爾議定書”對(duì)CFCS類制冷劑限制生產(chǎn)與使用的日期日益臨近，到2010年，特貨公司91.4%的機(jī)械冷藏車，將因CFCS制冷劑及相關(guān)制冷配件無處采購(gòu)而導(dǎo)致無法繼續(xù)使用。因此，開展鐵路機(jī)械冷藏車制冷機(jī)組CFCS制冷劑替代這一課題的研究迫在眉睫。

表1 機(jī)械冷藏車制冷機(jī)組及制冷劑使用情況

2 替代方案比選

2006年中鐵特貨運(yùn)輸有限責(zé)任公司組織，由中鐵特貨運(yùn)輸有限責(zé)任公司、中南大學(xué)、中國(guó)南車集團(tuán)石家莊車輛廠相關(guān)專家和工程技術(shù)人員組成課題組對(duì)這一課題進(jìn)行研究。

2.1 研究方向

課題組對(duì)國(guó)內(nèi)外R12替代技術(shù)進(jìn)行大量資料檢索和調(diào)查，并對(duì)可能的替代方案進(jìn)行深入研究和詳細(xì)計(jì)算，確立了R12替代方案的技術(shù)可行性、安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、可操作性等主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)國(guó)內(nèi)外各種成熟的R12替代方案進(jìn)行篩選和比較，確定了R134a替代、R22替代、R415B替代3個(gè)研究方向。

（1）R134a替代。R134a是熱力性能最接近R12的HFC單質(zhì)，但化學(xué)性質(zhì)和R12差別較大，用R134a替代R12，需要更換原R12系統(tǒng)中的膨脹閥、冷凍機(jī)油、橡膠密封圈、干燥過濾器、壓縮機(jī)電機(jī)等部件。技術(shù)難點(diǎn)是需要對(duì)原R12系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行徹底的清洗和干燥。該方案有成功的先例可借鑒，研究的主要內(nèi)容是替代工藝和未來在使用過程中可能存在的隱患和問題。

（2）R22替代。R22系統(tǒng)是非常成熟的系統(tǒng)，該方向的主要研究?jī)?nèi)容是尋找簡(jiǎn)單可行的改造方案，初步考慮了更換新型R22壓縮機(jī)后改充R22制冷劑的方案。難點(diǎn)是需對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

（3）R415B替代。R415B是課題組尋找到的已經(jīng)商品化、并得到國(guó)際制冷學(xué)會(huì)給予制冷劑編號(hào)的仿R12混合工質(zhì)，其熱力性能及化學(xué)性能與R12都十分接近。其技術(shù)難點(diǎn)是該類工質(zhì)都含有易燃易爆成分，且由于各個(gè)組分沸點(diǎn)不一樣，泄漏之后不能直接補(bǔ)充。

2.2 制冷性能比較

對(duì)R134a替代、R22替代、R415B替代的制冷性能進(jìn)行比較，其預(yù)測(cè)值見表2。

（1）R134a替代的制冷性能。用R134a替代后，缺點(diǎn)是壓縮比較原R12系統(tǒng)高25%，制冷效率變小，這對(duì)制冷量有較大的負(fù)面影響；優(yōu)點(diǎn)是R134a的粘度和導(dǎo)熱系數(shù)都比R12大，在相同的系統(tǒng)中，傳熱溫差小，一定程度上可以彌補(bǔ)以上缺陷。用R134a替代未列入計(jì)算的負(fù)面影響大于正面影響，R134a的系統(tǒng)制冷量低于R12系統(tǒng)的88.5%。綜合考慮后，預(yù)測(cè)制冷量在原R12系統(tǒng)的85%左右。

（2）R22替代的制冷性能。用R22替代后，流量按照停缸或降頻后為原系統(tǒng)進(jìn)氣量的2/3計(jì)算，制冷量仍然超過原R12系統(tǒng)13.18%，且R22的壓縮比小于R12，因此對(duì)結(jié)果有正面的影響。即用R22替代后，制冷量要超出原R12系統(tǒng)13.18%以上。

（3）R415B替代的制冷性能。R415B替代后，制冷量能達(dá)到原R12系統(tǒng)的98%。缺點(diǎn)是R415B的壓縮比高出R12系統(tǒng)的18%，會(huì)降低制冷效率；優(yōu)點(diǎn)是R415B的粘度小，導(dǎo)熱系數(shù)大，會(huì)減小傳熱溫差，對(duì)提高機(jī)組效率有正面作用。綜合考慮，R415B替代后制冷量約為原R12系統(tǒng)的95～98%。

以上3種研究方向的替代方案與原系統(tǒng)性能都很接近，均可作為原系統(tǒng)的替代方案。

2.3 各方案的綜合比選

通過以上分析，初步確定R415B替代、R22替代(分換新壓縮機(jī)和改壓縮機(jī)2種)、R134a替代4種方案。

（1）R415B替代方案。采用R415B替代方案雖然最簡(jiǎn)單，費(fèi)用最小，但其主要成分R152a是可燃?xì)怏w，一旦泄露，在車廂內(nèi)有可能引起燃燒和爆炸，而且泄漏之后不能直接補(bǔ)充，因此R415B替代方案不予采用。

（2）換新壓縮機(jī)充R22替代方案。該方案需對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，并舍棄性能優(yōu)良的原裝進(jìn)口壓縮機(jī)，其改造工作量相當(dāng)于新造1臺(tái)機(jī)組，費(fèi)用高，因此該方案不予采納。

（3）改壓縮機(jī)充R22替代方案。課題組在深入研究分析的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)全新的R22停缸法改造方案。即對(duì)原壓縮機(jī)停止一個(gè)低壓氣缸，同時(shí)增加一個(gè)中間噴液裝置，然后充R22制冷劑。該方案稱為R22停缸法，簡(jiǎn)稱停缸法，以區(qū)別于先前的換壓縮機(jī)充R22制冷劑方案。該方案綜合性能最好，經(jīng)課題組充分論證，理論上完全可行；但沒有應(yīng)用先例，需要做大量的試驗(yàn)來驗(yàn)證其可行性和實(shí)施工藝。

（4）R134a替代方案。R134a替代是國(guó)際上最通行的R12替代工質(zhì)。但是應(yīng)用在機(jī)械冷藏車的R12替代上，存在改造費(fèi)用大、所費(fèi)工時(shí)多、維護(hù)不便、與特貨公司現(xiàn)有機(jī)械冷藏車B10的新型制冷機(jī)組 (采用R22為制冷劑) 不兼容、管理工作復(fù)雜的缺點(diǎn)。

以上4種方案各指標(biāo)具體比較值見表3。經(jīng)過認(rèn)真分析研究，首先舍棄不安全的R415B替代方案和改造費(fèi)用最大的換壓縮機(jī)方案。雖然R22同樣是蒙特利爾協(xié)議規(guī)定的淘汰制冷劑，但是R22可使用到2030年，可以使用至機(jī)械冷藏車的報(bào)廢期。因此，擬采用綜合性能最好的R22停缸法改造方案為主要方案，以成熟可行的R134a方案為備用方案。

3 地面模擬試驗(yàn)和運(yùn)用試驗(yàn)情況

3.1 地面模擬試驗(yàn)

根據(jù)R134a替代R12試驗(yàn)大綱、R22替代R12試驗(yàn)大綱及FALO56/3型制冷機(jī)組替代工藝，課題組完成6臺(tái)試驗(yàn)機(jī)組的全面清洗、檢查、測(cè)量、改裝等準(zhǔn)備，其中2臺(tái)改為R22制冷劑，2臺(tái)改為R134a制冷劑。為充分反映現(xiàn)有制冷機(jī)組進(jìn)行工質(zhì)替代后的各項(xiàng)熱工指標(biāo)，先后進(jìn)行了R12與R134a、R12與R22制冷劑的熱工對(duì)比試驗(yàn)，并在同一臺(tái)FALO56/3型制冷機(jī)組上進(jìn)行了R12與R22替代前后的熱工對(duì)比試驗(yàn)。

表34種方案的綜合比較

根據(jù)所采集的熱工試驗(yàn)數(shù)據(jù)，課題組進(jìn)行了可行性分析與熱工分析。結(jié)果表明：R22和R134a都可以作為R12的替代工質(zhì)，其中R22具有較好的低溫制冷性能，有一定的優(yōu)勢(shì)，可以裝車進(jìn)行運(yùn)用試驗(yàn)。

3.2 運(yùn)用試驗(yàn)

將制冷劑替代后的制冷機(jī)組裝車，并在外部環(huán)境溫度40 ℃左右進(jìn)行R12、R22、R134a實(shí)際貨物承運(yùn)比對(duì)試驗(yàn)。通過對(duì)6臺(tái)制冷劑替代后的機(jī)組進(jìn)行聯(lián)編試驗(yàn)及承運(yùn)同一品種貨物控溫試驗(yàn)，考察FALO56/3型制冷機(jī)組工質(zhì)替代后的制冷性能、安全性能、工作穩(wěn)定性能、故障率情況等。通過近4個(gè)月的運(yùn)用試驗(yàn)，承運(yùn)2次冷凍食品和2次易腐冷藏食品的長(zhǎng)途作業(yè)，4輛機(jī)械冷藏車各個(gè)制冷機(jī)組狀況都非常正常，車廂溫度、貨物溫度和貨物質(zhì)量良好，完全符合物品冷藏運(yùn)輸質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。運(yùn)行過程中未發(fā)生任何故障，所有試驗(yàn)結(jié)果均達(dá)到合格和良好。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

通過對(duì)替代的直接材料費(fèi)用、運(yùn)用列車材料備品費(fèi)用、承運(yùn)貨物燃油消耗費(fèi)用等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出如下結(jié)論。

（1）單臺(tái)機(jī)組兩種制冷劑替代改造直接材料費(fèi)用：采用R22制冷劑替代比采用R134a制冷劑替代少0.516萬元。

（2）直接材料費(fèi)用。全部B22型、B23型機(jī)械冷藏車制冷機(jī)組進(jìn)行制冷劑替代改造，采用R22制冷劑替代比采用R134a制冷劑替代少1288.356萬元。

（3）運(yùn)用列車材料備品費(fèi)用。采用R22制冷劑替代比采用R134a制冷劑替代少3374.80元/列 (4輛車)。

（4）由于R22制冷劑機(jī)組相關(guān)材料費(fèi)用低于R134a制冷劑機(jī)組，因此當(dāng)制冷機(jī)組發(fā)現(xiàn)故障后進(jìn)行維修時(shí)，R22制冷劑機(jī)組的維修費(fèi)用比R134a制冷劑機(jī)組的低。

（5）結(jié)合全路全年承運(yùn)冷凍貨物的比例，燃油消耗費(fèi)用：采用R22替代比采用R134a替代可節(jié)省全年燃油總費(fèi)用的3%。

綜上所述，從經(jīng)濟(jì)角度看，采用R22制冷劑替代比采用R134a制冷劑替代有明顯的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)論

經(jīng)過理論分析、地面模擬試驗(yàn)及運(yùn)用試驗(yàn)、經(jīng)濟(jì)效益分析，鐵路機(jī)械冷藏車制冷機(jī)組CFCS制冷劑替代研究得出如下結(jié)論：用R22替代R12的停缸法改造、用R134a替代R12方案技術(shù)上均可行；結(jié)合機(jī)械冷藏車的實(shí)際情況，R22替代R12的停缸法改造方案與R134a替代R12方案相比，前者實(shí)施更加簡(jiǎn)便，經(jīng)濟(jì)效益更高。