中国汽车空调专家论文发表

浅析R407C在客车空调中的应用技术论文

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π=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φ9.525×0.41，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。

汽车空调制冷剂应用及发展当前环境变暖引起的气候变化，臭氧层空洞等已成为全球性的环境问题，如果任其发展下去将对人类的生存和发展构成严峻的挑战。因此在汽车空调制冷剂的替代研究过程中应该加强对生态环境的保护意识，不能只看到眼前利益，而同时要注重生态环境与人类的协调和可持续的发展。制冷剂对大气环境的影响制冷剂是制冷过程中完成制冷循环的工作物质。空调制冷中主要是采用卤代烃制冷剂，其中不含氢原子的称为氯氟烃(CFC)，含氢原子的称为氢氯氟烃(HCFC)，不含氯原子的称为氢氟烃(HFC)。空调制冷剂对大气环境的影响主要有两个方面，一是对大气臭氧层的破坏，另一方面是使全球气候变暖的温室效应。在卤代烃中，随着氯原子数的增加，其对大气臭氧层的破坏就愈严重，因此，CFC对大气臭氧层的破坏最严重，HCFC对大气臭氧层的破坏程度相对较小，HFC不破坏臭氧层。制冷剂对臭氧层的破坏程度用破坏臭氧层潜值(Ozone deple-tion potential，简称ODP)表示。制冷剂的排放会产生全球气候变暖的温室效应，其影响程度用全球变暖潜值(Global warming potential，简称GWP)表示。制冷剂CFC-12的淘汰和替代在蒙特利尔协议书签订以前，汽车空调系统多数使用CFCl2作为制冷剂。CFCl2是非常理想的制冷剂，它的沸点和摩尔质量分别是：-29.79℃和120.93kg/kmol，但它的ODP值较高，根据蒙特利尔协议书，CFC12是一级被禁制冷剂。为了寻找新的冷媒来代替CFC类物质，空调行业已经作了广泛的研究，做了大量的努力去寻找ODP值为零的新工质。在这些研究中，由杜邦公司开发的制冷剂HFC134a被成功的应用到制冷行业里。制冷剂HFC134a的主要特点是：不含氯原子；具有良好的安全性能；物理性能与CFCl2比较接近，所以制冷系统的改型比较容易；传热性能比CFCl2好，制冷剂的用量可大大减少。HFC134a和CFCl2有相近的蒸发压力并且ODP值为零，GWP值仅0.29，且无明显毒性(长期慢性毒性试验仍在进行中)，下表列出了汽车空调常用制冷剂的ODP值、GWP值和其在大气中的寿命。HFC134a与现有矿物质的冷冻机油不溶合，因此不得不为之寻找新的压缩机油。通过反复试验与筛选，现已开发出两种与HFC134a溶合的油，它们的代号为PAG及POE，而PAG油应用较为普遍。但仍存在如下问题：具有高吸湿能力，易使制冷系统的节流元件(毛细管或膨胀阀)发生冰阻，因此需要加大系统中干燥剂的装入量或提高其吸湿能力；高温下与HFC134a的溶合性降低，甚至不可溶。因此要特别注意改善系统的冷凝条件，勿使冷凝温度过高；润滑性比矿物油稍差；对制冷系统现用的橡胶密封件有渗透或腐蚀作用，不仅涉及到橡胶密封件，还牵连到制冷剂的输送软管；价格较现在冷冻机油贵4-5倍。针对上述问题，应对汽车空调制冷系统的设计作如下的改变：制冷压缩机排量不变，可维持原机型，但所有橡胶密封件都必须换成氢化丁氰胶(HNBR)材质；冷凝器(含储液干燥器)需修改设计，以提高散热能力及吸附制冷剂与油中水份的能力；蒸发器可维持原结构不变；热力膨胀阀必须加大原有节流元件的阻尼值，故应减少其节流孔，还要更换密封件的材质，并用型号表明是用HFC134a的；制冷剂管路(含软管及接头)方面，需更换接头内密封件的材质，软管采用多层复合结构、在抗PAG油的橡胶内衬中夹一层尼龙，以提高抗渗透能力。目前HFC134a已商品化，广泛地应用于制冷空调中，尤其是成功地用于汽车空调。这是因为一是由于HFC134a特性使然，二是通过选择单一的冷媒，可以避免制冷剂经过胶皮软管时组成发生变化，目前全球生产的HFC134a制冷剂中50%用于汽车空调，由于汽车空调的特殊工况，一般情况下海两年就要加注一次制冷剂。2006年中国新车消费HFC134a约6550吨，维修用量约2950吨，合计9500吨，同比增长25%，约占HFC134a消费总量的56%。由此可见中国汽车空调市场是巨大的，对制冷剂的需求也是巨大的。制冷剂HFC134a的替代根据欧盟已通过的含氟温室气体控制法规的要求，自2017年1月1日起，欧盟将禁止新生产的汽车空调使用GWP值大于150的制冷剂，由于现在使用的HFC134a的GWP值为1300，故将被禁用；在2011年1月1日至2017年1月1日的6年间，在用汽车空调将按比例逐步淘汰GWP值大于150的制冷剂；自2017年1月1日起，将禁止所有汽车空调使用GWP值大于150的制冷剂。因而，汽车空调使用低GWP值的制冷剂成为趋势和必然，CO2、碳氢化合物、HFC152a以及一些可作为汽车空调制冷剂的混合物成为研究热点。@page@(1)合成工质的制冷剂美国霍尼韦尔(Honeywell)公司自2002年起开始研发HFC134a的混合物替代品，开发出了由四氟丙烯(CF3CF=CH2)和三氟碘甲烷(CF3l)组成的二元混合物(以四氟丙烯为主)，并命名为Fluid H。据悉，该混合物的GWP值小于10，具有不可燃、滑移温度小、与原HFC134a系统兼容性能好等特性。目前正在进行毒性和系统稳定性试验、压缩机测试、系统测试及车体测试等工作。美国德尔福(Delphi)、通用汽车(General Motors)等公司正在研发以HFC152a为制冷剂的汽车空调系统。据其研究和试验结果可知，汽车空调系统使用HFC152a作制冷剂基本无需更改现有以HFC134a为制冷剂的汽车空调系统的管路部件及生产线，与目前的HFC134a系统相比，可提供相当甚至更优的制冷效果，且性能系数更高。2003年，在美国亚利桑那州凤凰城举行的美国汽车工程师协会(SAE)新型制冷剂研讨会上，使用HFC152a的测试车受到好评。另外，美国杜邦(Dupont)公司、英国英力士(lneos)公司也对外宣布其正在研发符合欧盟要求的汽车空调制冷剂HFC134a的替代品。在国内，山东东岳化工有限公司积极跟踪国内外发展态势，依据欧盟要求，相应研发了汽车空调制冷剂HFC134a的替代品DYRl，其ODP值为零，GWP值为115，与现有以HFC134a为制冷剂的汽车空调系统兼容，且能效更优。目前正在进行应用性试验、系统测试等工作。虽然上述各企业做了大量的汽车空调HFC134a替代品的研发和试验工作，但这些替代品要规模化生产和应用，仍有许多方面需要完善，预计近期内汽车空调用HFC134a的替代品仍将是热门研究之一。(2)天然工质制冷剂的应用碳氢化合物目前作为制冷剂应用的碳氢化合物主要是丙烷(R290)、丁烷(R600)和异丁烷(R600a)等，其中R600a已在欧洲和一些发展中国家广泛用于冰箱中，并且它符合《京都议定书》的要求，ODP=0，GWP=15，环保性能好，成本低，运行压力低，噪声小，但其易燃，易爆。此外R290和R600a组成的混合制冷剂也有一定的发展使用。氨(R717)氨已被使用达120年之久而至今仍在使用。其ODP=0、GWP=0，具有优良的热力性质，价格低廉且容易检漏。不过氨有毒性而且可燃，应当引起注意，虽然一百多年的使用记录表明，氨的事故率很低。今后必须找到更好的安全办法，如减少氨的充灌量，采用螺杆式压缩机，引入板式换热器等等。然而，其油溶性、与某些材料不容性、高的排气温度等问题也需合理解决。二氧化碳(R744)CO2是自然界天然存在的物质，ODP=0，GWP=1。来源广泛、成本低廉，且安全无毒，不可燃，适应各种润滑油常用机械零部件材料，即便在高温下也不分解产生有害气体。CO2的蒸发潜热较大，单位容积制冷量相当高，故压缩机及部件尺寸较小；绝热指数较高K=1.30，压缩机压比约为2.5-3.0，比其它制冷系统低，容积效率相对较大，接近于最佳经济水平，有很大的发展潜力。天然工质在车用空调里面的使用主要是CO2制冷剂。CO2的制冷性能已经得到了认可。然而它的稳定性却受到质疑，在CO2系统中不允许泄露到车内影响到乘客。CO2系统能耗比较高，配件价格也很高，不适合用在经济型轿车中。该类系统的噪声和振动也是亟需解决的技术难题，而且不易于维护。发展趋势虽然现在国际社会对HFC134a的替代呼声很高，但实际对国内市场影响不大。HFC134a在中国正处于发展时期，即使在欧美国家，它的替代也刚刚起步。这是因为，一种制冷剂从研发到正式应用有一段很长的时间，国内在制冷剂方面一直受制于大公司的专利，只有做到自主研发，才能在市场中立于不败之地。综上所述，在当前环保和节能双重压力下，发展绿色制冷剂是大势所趋。由于当前国际上已商品化批量生产的(替代)制冷剂还不够理想，国内外科研工作者还在作不懈的探索，并在某些领域取得了一定的成果和突破，但对新产品不断研究和开发的工作仍需继续下去。

我有，你分太少了。