浅析R407C在客车空调中的应用技术

　　随着城乡一体化进程的加快，带动了客车行业的持续发展，同时也带动了客车空调产业的迅速发展。但是，近年来全球气候变暖问题日益严重，引起了各国的高度重视。普遍认为，客车空调系统在提供舒适性小环境的同时也破坏了人类生存的大环境。
　　R407C 是一种安全、无毒、不破坏臭氧层的新型环保制冷剂，具有单位质量/ 单位容积制冷量大、能效比高、换热效率好等优点。西方发达国家有部分客车空调产品使用了R407C，其中冷王的R407C 制冷系统应用于客车已经量产商业化。在我国R407C 客车空调系统已从研究日渐走向应用，某些公司在客车空调系统中作过一些R407C 尝试应用，并有一定的成效[1- 2]。目前由于人们对这种非共沸工质的温度滑移、制冷剂成分变化后对系统的换热性能的影响不够了解，影响了R407C 在客车空调上的应用和推广。本文将客观地探讨客车空调系统应用国际社会倡导的环保工质R407C 的优越性，为R407C 客车空调器的研发设计提供参考。
　　1 R407C 与R134a 对比
　　1.1 制冷运行工况的确定
　　汽车空调系统与一般的空调系统的结构和使用条件均不同。客车空调90% 以上为非独立式空调系统。由于发动机转速变化很大，一般在700 ~2 300 r/min 之间，空调压缩机转速随汽车发动机转速的变化而相应变化;特别是城市客车运行于城市红绿灯区和停靠站之间，平均行驶车速约30 km/h，并且频繁停起和开关门，加之乘员变化很大，所以客车空调配置要求冷量大、制冷快。
　　根据客车空调系统随环境和车速而变工况的特点和实际情况，客车空调标准设计工况参数确定如下：冷凝温度50 60 ，蒸发温度0 5 ，过冷度5 ，过热度10 ，室外温度35 ，室内温度27 ，室内相对湿度50%，压缩机正常转速1 800 r/min。
　　1.2 综合性能分析
　　R134a 和R407C 都属于中温制冷剂，其中R134a 属于纯质制冷剂，R407C 属于多组分非共沸制冷剂。汽车空调中常用的制冷剂有R134a，但是R134a 有很多的缺点。它不但具有较高的、非常令人担忧的温室效应指数，而且R134a 亲油性差，还对铜有腐蚀性，但和铁、铝共存稳定性较好。另外，根据新的报道，R134a 在大气中分解会产生一种吸湿力较强的具有腐蚀性的液体，可在不同地方聚集，对人体的健康有一定的危害。而R407C 为非共沸混合工质，它是R32/R125/R134a 三种冷媒以混合质量比为23 25 52 而成的非共沸混合物。R407C 作为新型制冷剂正逐步被世人所认知，它具有清洁、低毒、不燃、制冷效果好、节能、环保等特点，已经大量用于空调行业。R407C单位容积制冷量大，热力性质优异，与酯类润滑油相溶;与铁、铜、铝共存，稳定性较好;但是具有较高的冷凝压力，在车载空调上使用有待进一步研究。
　　1.3 理论热力循环计算
　　1)纯工质R134a 热力性能计算。对于纯工质R134a，饱和温度和饱和压力是一一对应的。蒸发压力Pe 和冷凝压力Pc 可根据蒸发温度te 和冷凝温度tc 确定。
　　2)混合工质R407C 热力性能计算。由于R407C 为非共沸制冷剂，在相同压力条件下，相变时存在温度滑移现象，气相饱和温度(露点温度)和液相饱和温度(泡点温度)是不同的。本文选择露点温度和泡点温度的算术平均值作为确定工况点的等效平均温度。用线性插值方法计算出给定的蒸发(气相临界点)温度te和冷凝(液相临界点)温度tc相对应的蒸发压力Pe 和冷凝压力Pc。
　　3)热力性能计算方法和计算程序。根据上述R407C在给定蒸发温度te 和冷凝温度tc 下的蒸发压力Pe 和冷凝压力Pc 的确定方法，Pe 和Pc 及其te 和tc 成为了一一对应的关系。在确定了制冷循环的各状态点的温度后，根据过程特性，可以用NIST 制冷剂和混合制冷剂热力性质计算程序计算出h1、h2、h5、h0、v1 等。利用状态方程，根据各点状态参数，就可以计算出两种制冷剂在不同工况下的制冷循环的各项性能指标，包括单位质量制冷量、单位理论功、单位容积制冷量和制冷系数等。有关状态方程如下：单位制冷量q0= h1- h5;单位容积制冷量qv=q0/v1;理论比功w0=h2- h1;制冷系数COP=q0/w0;压力比=Pc/Pe。
　　a. 实例计算。冷凝温度56.5 ，蒸发温度2 ，过冷度5 ，过热度10 。特殊工况如表3 所示。冷凝温度60 ，蒸发温度0 ，过冷度5 ，过热度10 。
　　实际工作中，上述方法比较繁琐，常利用R407C 制冷剂应用程序进行模拟计算，和上述方法相比，其计算误差5%，在工程上是可以接受的。
　　b. 混合工质R407C 热力性能分析。由以上理论计算可知，在客车空调相同的工况下，R407C 的单位理论功比R134a 约高16%，单位容积制冷量比R134a 高43% 50%;R407C 单位制冷量比R134a 高8% 10%，理论制冷系数比R134a 低5% 6%。在相同的工况下，R407C 的吸气压力比R134a 高54% 64%，排气压力比R134a 高50% 60%;R407C 的压力比比R134a 低3.5% 4.5%。
　　2 在客车空调应用中的技术探讨
　　2.1 R407C 系统的性能分析
　　R407C 单位容积制冷量比R134a 高43% 50%，可采用小排量压缩机达到相同制冷量;能减小客车空调压缩机和两器的体积和重量;能减少客车空调系统的安装空间，增加汽车的机动性和降低油耗。
　　市场上大客车空调主要使用的BOCK、Thermo King压缩机都有使用R407C 的产品[7- 8]，制冷剂软管的爆破压力均高于12 500 kPa，已满足爆破压力是运行压力的5 倍以上的标准要求。因此，现有的汽车空调制冷系统的耐压性能够适应R407C 的要求。
　　空调压缩机作为空调系统的心脏，其安全保护一直是控制的重点。为防止损坏，需要有高压控制及防液击的措施。另外，由于汽车大多时间在外面行驶，受天气的影响，其压力变化较大。为防止系统高压过高，最好有安全泄压阀。
　　采用R407C 作为制冷剂时，在相同的工况下，R407C 的吸气压力比R134a 高54% 64%，排气压力比R134a 高50% 60%;系统的高、低、中压压力开关的动作压力值需要调整。同时为保证制冷系统的回油，设计管路时要考虑气体制冷剂的流速，水平管内为不小于3.8 m/s，竖直管内为不小于7.6 m/s。
　　2.2 R407C 系统的有关要求
　　1)R407C 系统对两器的要求。利用R407C 温度滑移的优势，城市客车空调换热器设计时可将两器设计成都是按逆流状态换热，以改善换热性能，并采取相应的强化换热措施，弥补采用R407C热传导性能较差的不足。
　　由于系统运行时压力比R134a 高，故对两器的要求也高。不光要考虑压力的因素，还要考虑汽车行驶过程中振动所带来的强度影响，最好有减振措施。
　　R407C 与空气的混合气体不得用于压力和检漏试验，因为可能会引起爆炸。推荐系统检漏压力为3.2 3.5 MPa，在满足换热要求的情况下，管壁的厚度最好大一些。例如，客车空调顶置蒸发器是铜管铝片式，建议铜管为9.5250.41，翅片厚0.15，翅片距2.2 mm，翅片为亲水铝箔;流路按性能设计，但R407C 制冷剂在蒸发器内的流路长建议6 10 m，同时在冷凝器内的流路长建议14 18 m。
　　2)R407C 系统对膨胀阀和其它零部件的要求。
　　①膨胀阀。要选择R407C 专用膨胀阀;膨胀阀并不直接控制系统制冷量。针对城市客车在不同行驶速度下空调的变化性，膨胀阀在满足最大制冷量的同时，要求可调节范围大，性能良好。以丹佛斯公司的膨胀阀产品为例，制冷剂采用R407C，当制冷量为28 kW，选择型号为TDEZ8 热力膨胀阀;制冷量为21 kW，选择型号为TDEZ6 膨胀阀。
　　②管路。作为系统中的连接管路，泄漏一直是汽车空调最头痛的问题。R407C 系统排气压力很高，需要增加系统管路壁厚。又因其是非共沸混合物，如果系统泄漏，对性能的影响是很明显的，这就要求管路系统中尽量少接头，除干燥器需要经常更换、用可拆卸接头外，不推荐用可拆卸接头，尽量采用焊接，减少泄漏点，保证系统的密封。
　　③干燥过滤器。一般选用分子筛作干燥剂。分子筛是硅酸盐晶体，其晶体结构中有许多孔径均匀的孔道和内表面很大的孔穴，能吸附分子直径比孔径小的分子。
　　干燥剂：确认两种适合R407C 冷媒用的干燥剂为XH- 10C 和XH- 11。泄漏要求：在R407C 最高工作压力3.4 MPa 下，干燥过滤器的年泄漏量不大于2.8 g/a。结构要求：为防止分子筛磨损，在干燥过滤器的内部加装弹簧固定分子筛，使得冷媒在干燥过滤器内部得到缓冲。安装位置：POE 油具有水解性，选择干燥过滤器安装在系统液管管路上的蒸发器入口处。推荐适用于客车空调干燥过滤器端面密封接口便于更换和维修。
　　④储液器。空调结构设计时，避免含有R407C 制冷剂的储液器过热。R407C 热分解将会产生具有强烈毒性和强腐蚀性的蒸汽。如果过热，储液器将会爆炸。
　　⑤ 兼容性。R407C 与R134a 的材料兼容性基本一致;R134a 在汽车空调系统中已经普遍使用，R407C 在工商制冷系统中已广泛使用;目前的材料技术已能满足R407C 的要求。因此，空调系统选用的密封件、软管、冷冻油等材料与R134a 系统相同。但是在高温高压下，一些金属在催化剂作用下可能发生化学反应，从而使制冷剂变质。当镁铝合金材料中镁的含量多于2%时，不能用于R407C 的空调系统。R407C 制冷剂还可能会与焊接零件的焊接剂发生反应。
　　⑥其它。R407C 空调系统中的截止阀和四通阀(电动客车热泵系统用)与其他制冷剂空调系统不同，必须使用专门R407C 的截止阀和四通阀。
　　⑦ 低温条件时，蒸发器入口处结霜明显，化霜感温器位置一般要避免选择此位置，以防止感温器频繁动作进入化霜程序，影响到制热效果。
　　3 结论
　　1)在客车空调标准工况下，R407C 系统能大大减小汽车空调压缩机和两器的体积和重量，对提高汽车的动力性能，降低能耗，节约制造成本具有很大的意义。
　　2)客车空调R407C 系统有较高的排气压力。在相同的工况下，有较大的压缩机扭矩、单位理论功比R134a 约高16%;制冷剂泄露会改变组分和热物性等。
　　3)通过提升汽车空调制冷系统的工艺焊接、加工生产工艺水平，升级气密性试压压力和爆破试验标准;通过调整管路和换热器的壁厚，提高对系统密封件、尤其是冷凝侧的气密性、强度和抗震性的要求;加大压缩机离合器的扭矩;应该可以弥补客车空调R407C 系统有较高排气压力的缺陷。
　　4)将R407C 用于客车空调制冷系统与R134a 相比，可以降低压缩机的排量和降低成本。考虑到重量因素和理论循环的制冷系数等，R407C 系统运行经济指标和安全可靠性方面，与R134a 基本相同。
　　5)采用R407C 空调制冷系统，体现了安全和环保新理念，是轻量化、舒适化及节能化的发展方向。