客第３期 车技术与研究 ＢＵＳ＆ＣｏＡＣＨ ＴＥＣＨＮｏＬ０ＧＹ ＡＮＤ ＲＥＳＥＡＲＣＨ Ｒ４０７Ｃ在客车空调中的应用技术 周玉文 （广州精益汽车空调有限公司，广州 ５ １０８８０） 摘 要：介绍Ｒ４０７Ｃ与Ｒ１３４ａ理论热力循环计算方法；对Ｒ４０７Ｃ客车空调系统性能的变化、零部件和材 料的选用进行技术分析；为Ｒ４０７Ｃ客车空调器的研发设计提供参考。 关键词：客车空调；Ｒ４０７Ｃ；应用 中图分类号：Ｕ４６３．８５ １ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００６—３３３１（２０１５）０３—００４９—０４ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｒ４Ｏ７Ｃ ｔｏ Ｂｕｓ／Ｃｏａｃｈ Ａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ Ｚｈｏｕ Ｙｕｗｅｎ （Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｊｉｎｇｙｉ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ａｉｒ—ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５ １０８８０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｒ４０７Ｃ ａｎｄ Ｒ１３４ａ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ ｃｙｃｌｅ，ａｎ－ ｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｅｆａｆｅｃｔｓ 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． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｕｓ／ｃｏａｃｈ ａｉｒ—ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ：Ｒ４０７Ｃ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ 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 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 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 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５０ｏ【＝～６Ｏ℃，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 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，并有一定的成效口－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 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 客车空调上的应用和推广Ｉ引。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 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 性，为Ｒ４０７Ｃ客车空调器的研发设计提供参考。 １ Ｒ４０７Ｃ与Ｒ１ ３４ａ对比 １．１ 制冷运行工况的确定 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／Ｒｌ２５／Ｒ１３４ａ三种冷媒以混合 汽车空调系统与一般的空调系统的结构和使用条 作者简介：周玉文（１９５４一），男，高级工程师；总工程师；主要从事车辆空调的研究。 客车技术与研究 ２０１５年６月 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。Ｒ４０７Ｃ与 Ｒ１３４ａ制冷剂基本的物理Ｉ生质对比见表１。 表１ 制冷工质基本的物理性质比较表 相对应的蒸发压力 和冷凝压力 。其理论循环在压 焓图上的表明如图２所示。 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 和 冷凝压力 的确定方法， 和 及其ｔｅ和 ｃ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 ｌ、 ２、 ５、ｈ０、Ｖ１等。利用状态 制冷剂 标准沸点 临界温度 临界压力 临界密度 ／℃ ，℃ ／ｋＰａ ／ｋｇ・ｍ Ｒ４０７Ｃ 一４３．６ ８７３ ４ ８１９ ５ｌ５．７８ Ｒ１３４ａ －２６．２ ｌＯ１．１５ ４０６７ ５１５ 分子量 破坏臭氧潜能 全球变暖潜能值 润滑油互溶 值（ＯＤＰ） （ＧＷＰ，１００ｙｒ） ８６．２ Ｏ １ ５００ （Ｐ０Ｅ） ｌ０２．０４ ０ １ ３００ （ＰＡＧ）和（ＰＯＥ） 注：全球变暖潜能值（ＧＷＰ，１００ｙｒ，ＣＯ２－－１）相对于ＣＯ２的ＧＷＰ 值为一。在１００年的时间框架内，Ｒ４０７Ｃ制冷剂的ＧＷＰ为 １ ５００，Ｒ１３４ａ制冷剂的ＧＷＰ为１ ３００；因此，单从ＧＷＰ的角度 来看，Ｒ４０７Ｃ的温室效应略高于Ｒ１３４ａ。但由于Ｒ４０７Ｃ制冷剂 的单位质量、单位容积制冷量大于Ｒ１３４ａ，意味着同等制冷量情 况下，Ｒ４０７Ｃ充注量将减少，其温室效应（全球变暖潜势）也会降 低。所以Ｒ４０７Ｃ制冷剂用于汽车空调，应该是可行的。 １．３理论热力循环计算 １）纯工质Ｒ１３４ａ热力 性能计算。对于纯丁质 Ｒ１３４ａ，饱和温度和饱和压 力是一对应的。蒸发压力 和冷凝压力 可根据蒸 发温度ｔｅ和冷凝温度ｔｃ确 定。其理论循环在压焓图上 图１ Ｒ１３４ａ制冷循环图 的表明如图１所示。 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［４１。用线 性插值方法计算出给定的 蒸发（气相临界点）温度ｔｅ ｈ／（ｋｇ／ｋｊ） 和冷凝（液相临界点）温度ｔｃ 图２ Ｒ４０７Ｃ制冷循环图 方程Ｉ５ ，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＝ｈｌ—ｈ５；单位容积制 冷量ｑｖ－－ｑＯ／ １；理论比功ｗ０＝ｈ２一ｈｉ；制冷系数ＣＯＰ ＝ｑＯ／ｗＯ；压力比ｒｒ＝Ｐｃ／Ｐｅ。 ａ．实例计算。常规Ｔ况如表２所示。冷凝温度 ５６．５ ，蒸发温度２℃，过冷度５℃，过热度１０ｑＣ。 表２制冷工质热力循环性能比较表（常规工况） 制冷剂 蒸发压力 冷凝压力／ｋＰ单位质量制 ／ｋＰａ ａ 压力比 冷量／ｋＪ・ｋｇ Ｒ４０７Ｃ ４８４．５ ２ ２９６．８ ４．７４ｌ １４６．４４４ Ｒ１３４ａ ３１４．６ １ ５４６．４ ４．９１５ ｌ３３．８６４ 理论ＣＯＰ 排气温度／ 单位理论功 单位容积制冷 ／ｋＪ‘ｋｇ 量／ｋＪ・ＩＴＩ。 ３．６３ ８０．０７８ ４０．３４４ ２ ８２９．４５ ３．８５ ６９．９８８ ３４．７６２ ｌ ９７８．１９ 特殊工况如表３所示。冷凝温度６０℃，蒸发温度 ０￣Ｃ，过冷度５￣Ｃ，过热度１０￣Ｃ。 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。 表３制冷工质热力循环性能比较表（特殊工况Ｊ 制冷剂 蒸发压力 冷凝压力，ｋＰ单位质量制 ／ｋＰａ ａ 压力比 冷量／ｋＪ・ｋｇ。 Ｒ４０７Ｃ ４５２．０ ２ ４９５．９ ５．５２２ １３８．０５４ Ｒｌ３４ａ ２９２．８ ｌ ６８１．３ ５．７４２ ｌ２７．０７８ 理论单位理论功 单位容积制冷 Ｃ０１７ 排气温度／ｑｃ ／ｋＪ・ｋｇ一 量／ｋＪ－ｉｎ。 ３．１ｌ ８５．００４ ４４＿３９ｌ ２ ４９３．９８ ３３３ ７３．８５９ ３８．１６ｌ １ ７５２．８７ 注：未考虑客车空调系统的压缩机一冷凝器管路损失，一般为 ０．０７～０．１ １ ＭＰａ；未考虑客车空调系统的蒸发器一压缩机管路 损失，一般为０．０３—０．０６ ＭＰａ。压力比为３时，系统耗功最大， 设计时应避免此工况。 第３期 周玉文：Ｒ４０７Ｃ在客车空调中的应用技术 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％一６％。在相同的工况下， Ｒ４０７Ｃ的吸气压力比Ｒ １３４ａ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－踟，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Ｒ １３４ａ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（如图３和图４所示），以改善换热 性能ｌ９１，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。 出风方向ｌ 制冷剂进口 制冷剂出ＶＩ 图３ ＥＶＡＰ逆流（对向流） 图４ ＣＯＮＤ近似逆流 布局图 布局图 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 ９．５２５ Ｘ 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 ｉｎ，同时在冷凝器内的流路长 建议１４～１８ １ＴＩ。 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 内表面很大的孑Ｌ穴，能吸附分子直径Ｉ：Ｌ￣Ｌ径小的分子。 干燥剂：确认两种适合Ｒ４０７Ｃ冷媒用的干燥剂为 ｘＨ一１０Ｃ和ＸＨ一１１。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（如图５所示），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 ５２ 客车技术与研究 ２０１５年６月 于客车空调干燥过滤器端面密封接口（如图６所示）便 于更换和维修。 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； 一誊 图５干燥器内冷媒流向 图６适用于运输空调设备的 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 干燥过滤器接口 注：当视镜显示水分超标准５０ ｐｐｍ，颜色变红时，请更换干 燥过滤器。 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『１Ｏｌ。 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 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Ｒ】３４ａ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。 参考文献： 【１］方金湘．汽车空调系统采用工质Ｒ４０７Ｃ的性能结构探讨ＩＪＩ＿ 制冷与空调，２００８，（４）：１２０—１２３． 【２１王海玉．动车组空调机组采用制冷剂Ｒ４０７Ｃ替代Ｒ２２的应 用研究ＩＪＪ．铁道车辆，２０１０，（８）：５－８． ｆ３】向立平，王汉青．汽车空调系统工质替代研究现状及未来 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