R 407C在客車(chē)空調(diào)中的應(yīng)用技術(shù)

周玉文

（廣州精益汽車(chē)空調(diào)有限公司，廣州510880）

R 407C在客車(chē)空調(diào)中的應(yīng)用技術(shù)

周玉文

（廣州精益汽車(chē)空調(diào)有限公司，廣州510880）

介紹R407C與R 134a理論熱力循環(huán)計(jì)算方法；對(duì)R 407C客車(chē)空調(diào)系統(tǒng)性能的變化、零部件和材料的選用進(jìn)行技術(shù)分析；為R 407C客車(chē)空調(diào)器的研發(fā)設(shè)計(jì)提供參考。

客車(chē)空調(diào)；R407C；應(yīng)用

隨著城鄉(xiāng)一體化進(jìn)程的加快，帶動(dòng)了客車(chē)行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，同時(shí)也帶動(dòng)了客車(chē)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(chē)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(lèi)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(chē)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(chē)已經(jīng)量產(chǎn)商業(yè)化。在我國(guó)R407C客車(chē)空調(diào)系統(tǒng)已從研究日漸走向應(yīng)用，某些公司在客車(chē)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(chē)空調(diào)上的應(yīng)用和推廣［3］。本文將客觀(guān)地探討客車(chē)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(chē)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(chē)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?？蛙?chē)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(chē)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(chē)運(yùn)行于城市紅綠燈區(qū)和?？空局g，平均行駛車(chē)速約30 km/h，并且頻繁停起和開(kāi)關(guān)門(mén)，加之乘員變化很大，所以客車(chē)空調(diào)配置要求冷量大、制冷快。

根據(jù)客車(chē)空調(diào)系統(tǒng)隨環(huán)境和車(chē)速而變工況的特點(diǎn)和實(shí)際情況，客車(chē)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(chē)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(yōu)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(lèi)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(chē)載空調(diào)上使用有待進(jìn)一步研究。R407C與R134a制冷劑基本的物理性質(zhì)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1　制冷工質(zhì)基本的物理性質(zhì)比較表

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。其理論循環(huán)在壓焓圖上的表明如圖1所示。

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［4］。用線(xiàn)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。其理論循環(huán)在壓焓圖上的表明如圖2所示。

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［5-6］，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。常規(guī)工況如表2所示。冷凝溫度56.5℃，蒸發(fā)溫度2℃，過(guò)冷度5℃，過(guò)熱度10℃。

表2　制冷工質(zhì)熱力循環(huán)性能比較表（常規(guī)工況）

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。

表3　制冷工質(zhì)熱力循環(huán)性能比較表（特殊工況）

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(chē)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R 134a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(chē)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(chē)空調(diào)壓縮機(jī)和兩器的體積和重量；能減少客車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的安裝空間，增加汽車(chē)的機(jī)動(dòng)性和降低油耗。

市場(chǎng)上大客車(chē)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(mǎn)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(chē)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(chē)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R 134a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(chē)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（如圖3和圖4所示），以改善換熱性能［9］，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(chē)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(mǎn)足換熱要求的情況下，管壁的厚度最好大一些。例如，客車(chē)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(zhuān)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(chē)在不同行駛速度下空調(diào)的變化性，膨脹閥在滿(mǎn)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T(mén)DEZ8熱力膨脹閥；制冷量為21 kW，選擇型號(hào)為T(mén)DEZ6膨脹閥。

②管路。作為系統(tǒng)中的連接管路，泄漏一直是汽車(chē)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（如圖5所示），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(chē)空調(diào)干燥過(guò)濾器端面密封接口（如圖6所示）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(chē)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(mǎn)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(chē)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(zhuān)門(mén)R407C的截止閥和四通閥［10］。

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(chē)空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)工況下，R407C系統(tǒng)能大大減小汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)和兩器的體積和重量，對(duì)提高汽車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)空調(diào)R407C系統(tǒng)有較高排氣壓力的缺陷。

4）將R407C用于客車(chē)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?？紤]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。

［1］方金湘.汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)采用工質(zhì)R407C的性能結(jié)構(gòu)探討［J］.制冷與空調(diào)，2008，（4）：120-123.

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修改稿日期：2014-11-22

Application Technology of R407C to Bus/Coach Air-conditioner

Zhou Yuwen
（Guangzhou Jingyi Automotive Air-conditioner Co.，Ltd，Guangzhou 510880，China）

The author introduces the calculation method of R407C and R134a theoretical thermodynamic cycle，analyzes the effects variation of R407C on the bus/coach air-conditioner performance，and the selection of parts and materials for R407C bus/coach air-conditioner.This can provide a reference for the design of R407C bus/coach air-conditioner.

bus/coach air-conditioner；R407C；application

U463.85+1

B

1006-3331（2015）03-0049-04

周玉文（1954-），男，高級(jí)工程師；總工程師；主要從事車(chē)輛空調(diào)的研究。