淺析R407C在客車空調中的應用技術論文
隨著城鄉一體化進程的加快，帶動了客車行業的持續發展，同時也帶動了客車空調產業的迅速發展。但是，近年來全球氣候變暖問題日益嚴重，引起了各國的高度重視。普遍認為，客車空調系統在提供舒適性小環境的同時也破壞了人類生存的大環境。
R407C 是一種安全、無毒、不破壞臭氧層的新型環保制冷劑，具有單位質量/ 單位容積制冷量大、能效比高、換熱效率好等優點。西方發達國家有部分客車空調產品使用了R407C，其中冷王的R407C 制冷系統應用于客車已經量產商業化。在我國R407C 客車空調系統已從研究日漸走向應用，某些公司在客車空調系統中作過一些R407C 嘗試應用，并有一定的成效[1- 2]。目前由于人們對這種非共沸工質的溫度滑移、制冷劑成分變化后對系統的換熱性能的影響不夠了解，影響了R407C 在客車空調上的應用和推廣。本文將客觀地探討客車空調系統應用國際社會倡導的環保工質R407C 的優越性，為R407C 客車空調器的研發設計提供參考。
1 R407C 與R134a 對比
1.1 制冷運行工況的確定
汽車空調系統與一般的空調系統的結構和使用條件均不同。客車空調90% 以上為非獨立式空調系統。由于發動機轉速變化很大，一般在700 ~2 300 r/min 之間，空調壓縮機轉速隨汽車發動機轉速的變化而相應變化;特別是城市客車運行于城市紅綠燈區和停靠站之間，平均行駛車速約30 km/h，并且頻繁停起和開關門，加之乘員變化很大，所以客車空調配置要求冷量大、制冷快。
根據客車空調系統隨環境和車速而變工況的特點和實際情況，客車空調標準設計工況參數確定如下：冷凝溫度50℃～60℃，蒸發溫度0℃～5℃，過冷度5℃，過熱度10℃，室外溫度35℃，室內溫度27℃，室內相對濕度50%，壓縮機正常轉速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 屬于純質制冷劑，R407C 屬于多組分非共沸制冷劑。汽車空調中常用的制冷劑有R134a，但是R134a 有很多的缺點。它不但具有較高的、非常令人擔憂的溫室效應指數，而且R134a 親油性差，還對銅有腐蝕性，但和鐵、鋁共存穩定性較好。另外，根據新的報道，R134a 在大氣中分解會產生一種吸濕力較強的具有腐蝕性的液體，可在不同地方聚集，對人體的健康有一定的危害。而R407C 為非共沸混合工質，它是R32/R125/R134a 三種冷媒以混合質量比為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知，它具有清潔、低毒、不燃、制冷效果好、節能、環保等特點，已經大量用于空調行業。R407C單位容積制冷量大，熱力性質優異，與酯類潤滑油相溶;與鐵、銅、鋁共存，穩定性較好;但是具有較高的冷凝壓力，在車載空調上使用有待進一步研究。
1.3 理論熱力循環計算
1)純工質R134a 熱力性能計算。對于純工質R134a，飽和溫度和飽和壓力是一一對應的。蒸發壓力Pe 和冷凝壓力Pc 可根據蒸發溫度te 和冷凝溫度tc 確定。
2)混合工質R407C 熱力性能計算。由于R407C 為非共沸制冷劑，在相同壓力條件下，相變時存在溫度滑移現象，氣相飽和溫度(露點溫度)和液相飽和溫度(泡點溫度)是不同的。本文選擇露點溫度和泡點溫度的算術平均值作為確定工況點的等效平均溫度。用線性插值方法計算出給定的蒸發(氣相臨界點)溫度te和冷凝(液相臨界點)溫度tc相對應的蒸發壓力Pe 和冷凝壓力Pc。
3)熱力性能計算方法和計算程序。根據上述R407C在給定蒸發溫度te 和冷凝溫度tc 下的蒸發壓力Pe 和冷凝壓力Pc 的確定方法，Pe 和Pc 及其te 和tc 成為了一一對應的關系。在確定了制冷循環的各狀態點的溫度后，根據過程特性，可以用NIST 制冷劑和混合制冷劑熱力性質計算程序計算出h1、h2、h5、h0、v1 等。利用狀態方程，根據各點狀態參數，就可以計算出兩種制冷劑在不同工況下的制冷循環的各項性能指標，包括單位質量制冷量、單位理論功、單位容積制冷量和制冷系數等。有關狀態方程如下：單位制冷量q0= h1- h5;單位容積制冷量qv=q0/v1;理論比功w0=h2- h1;制冷系數COP=q0/w0;壓力比π=Pc/Pe。
a. 實例計算。冷凝溫度56.5℃，蒸發溫度2℃，過冷度5℃，過熱度10℃。特殊工況如表3 所示。冷凝溫度60℃，蒸發溫度0℃，過冷度5℃，過熱度10℃。
實際工作中，上述方法比較繁瑣，常利用R407C 制冷劑應用程序進行模擬計算，和上述方法相比，其計算誤差<5%，在工程上是可以接受的。
b. 混合工質R407C 熱力性能分析。由以上理論計算可知，在客車空調相同的工況下，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 在客車空調應用中的技術探討
2.1 R407C 系統的性能分析
R407C 單位容積制冷量比R134a 高43%～50%，可采用小排量壓縮機達到相同制冷量;能減小客車空調壓縮機和兩器的體積和重量;能減少客車空調系統的安裝空間，增加汽車的機動性和降低油耗。
市場上大客車空調主要使用的BOCK、Thermo King壓縮機都有使用R407C 的產品[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行壓力的5 倍以上的標準要求。因此，現有的汽車空調制冷系統的耐壓性能夠適應R407C 的要求。
空調壓縮機作為空調系統的心臟，其安全保護一直是控制的重點。為防止損壞，需要有高壓控制及防液擊的措施。另外，由于汽車大多時間在外面行駛，受天氣的影響，其壓力變化較大。為防止系統高壓過高，最好有安全泄壓閥。
采用R407C 作為制冷劑時，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%;系統的高、低、中壓壓力開關的動作壓力值需要調整。同時為保證制冷系統的回油，設計管路時要考慮氣體制冷劑的流速，水平管內為不小于3.8 m/s，豎直管內為不小于7.6 m/s。
2.2 R407C 系統的有關要求
1)R407C 系統對兩器的要求。利用R407C 溫度滑移的優勢，城市客車空調換熱器設計時可將兩器設計成都是按逆流狀態換熱，以改善換熱性能，并采取相應的強化換熱措施，彌補采用R407C熱傳導性能較差的不足。
由于系統運行時壓力比R134a 高，故對兩器的要求也高。不光要考慮壓力的因素，還要考慮汽車行駛過程中振動所帶來的強度影響，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，因為可能會引起爆炸。推薦系統檢漏壓力為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，客車空調頂置蒸發器是銅管鋁片式，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;流路按性能設計，但R407C 制冷劑在蒸發器內的流路長建議6～10 m，同時在冷凝器內的流路長建議14～18 m。
2)R407C 系統對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制冷量。針對城市客車在不同行駛速度下空調的變化性，膨脹閥在滿足最大制冷量的同時，要求可調節范圍大，性能良好。以丹佛斯公司的膨脹閥產品為例，制冷劑采用R407C，當制冷量為28 kW，選擇型號為TDEZ8 熱力膨脹閥;制冷量為21 kW，選擇型號為TDEZ6 膨脹閥。
②管路。作為系統中的連接管路，泄漏一直是汽車空調最頭痛的問題。R407C 系統排氣壓力很高，需要增加系統管路壁厚。又因其是非共沸混合物，如果系統泄漏，對性能的影響是很明顯的，這就要求管路系統中盡量少接頭，除干燥器需要經常更換、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，保證系統的密封。
③干燥過濾器。一般選用分子篩作干燥劑。分子篩是硅酸鹽晶體，其晶體結構中有許多孔徑均勻的孔道和內表面很大的孔穴，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，干燥過濾器的年泄漏量不大于2.8 g/a。結構要求：為防止分子篩磨損，在干燥過濾器的內部加裝彈簧固定分子篩，使得冷媒在干燥過濾器內部得到緩沖。安裝位置：POE 油具有水解性，選擇干燥過濾器安裝在系統液管管路上的蒸發器入口處。推薦適用于客車空調干燥過濾器端面密封接口便于更換和維修。
④儲液器。空調結構設計時，避免含有R407C 制冷劑的儲液器過熱。R407C 熱分解將會產生具有強烈毒性和強腐蝕性的蒸汽。如果過熱，儲液器將會爆炸。
⑤ 兼容性。R407C 與R134a 的材料兼容性基本一致;R134a 在汽車空調系統中已經普遍使用，R407C 在工商制冷系統中已廣泛使用;目前的材料技術已能滿足R407C 的要求。因此，空調系統選用的密封件、軟管、冷凍油等材料與R134a 系統相同。但是在高溫高壓下，一些金屬在催化劑作用下可能發生化學反應，從而使制冷劑變質。當鎂鋁合金材料中鎂的含量多于2%時，不能用于R407C 的空調系統。R407C 制冷劑還可能會與焊接零件的焊接劑發生反應。
⑥其它。R407C 空調系統中的截止閥和四通閥(電動客車熱泵系統用)與其他制冷劑空調系統不同，必須使用專門R407C 的截止閥和四通閥。
⑦ 低溫條件時，蒸發器入口處結霜明顯，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作進入化霜程序，影響到制熱效果。
3 結論
1)在客車空調標準工況下，R407C 系統能大大減小汽車空調壓縮機和兩器的體積和重量，對提高汽車的動力性能，降低能耗，節約制造成本具有很大的意義。
2)客車空調R407C 系統有較高的排氣壓力。在相同的工況下，有較大的壓縮機扭矩、單位理論功比R134a 約高16%;制冷劑泄露會改變組分和熱物性等。
3)通過提升汽車空調制冷系統的工藝焊接、加工生產工藝水平，升級氣密性試壓壓力和爆破試驗標準;通過調整管路和換熱器的壁厚，提高對系統密封件、尤其是冷凝側的氣密性、強度和抗震性的要求;加大壓縮機離合器的扭矩;應該可以彌補客車空調R407C 系統有較高排氣壓力的缺陷。
4)將R407C 用于客車空調制冷系統與R134a 相比，可以降低壓縮機的排量和降低成本。考慮到重量因素和理論循環的制冷系數等，R407C 系統運行經濟指標和安全可靠性方面，與R134a 基本相同。
5)采用R407C 空調制冷系統，體現了安全和環保新理念，是輕量化、舒適化及節能化的發展方向。
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