R407C在巴士空調的應用

鄧廣智,周水洪,鐘國輝

(1.大冷王運輸制冷有限公司,深圳518040;2.英格索蘭氣溫控制技術,上海200051)

1 前言

R407C是一種安全、無毒的新型環保制冷劑,由于其單位制冷量大、能效比高、換熱效率好等優點,一直被廣泛應用于商用中央空調、家用空調系統,其在巴士空調的應用也日漸得到用戶的認可。同時,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在巴士空調的應用和推廣。

本文綜合各方面信息并結合我們的實驗數據,客觀地分析它的優越性、缺陷以及如何預防和消除其影響。

2 R407C的成分及物性參數

R407C的成分及物性參數見表1。

表1 制冷劑的組分性質

3 在巴士空調運行工況下系統的制冷量和能效比

R407C的最顯著的優點在于其單位質量、單位容積制冷量大,下面具體探討其運用于巴士空調時,系統的制冷量和能效比。

R407C作為一種非共沸制冷劑,相變時存在溫度滑移現象,也就是說在冷凝和蒸發過程中,壓力不變但溫度變化。冷凝開始時的溫度為露點溫度,冷凝至飽和時為泡點溫度。在蒸發過程中,HFC125和HFC32比HFC134a容易蒸發,后蒸發的富HFC134a沸點漸漸升高,因此我們不能像純工質一樣用飽和溫度來確定工況,而采用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。考慮到汽車空調的運行工況會發生變化,我們選兩個典型工況進行分析:

工況1:汽車空調的標準設計工況,蒸發溫度0℃,冷凝溫度55℃,過熱度5℃。

工況2:汽車空調的怠速運行工況,蒸發溫度5℃,冷凝溫度55℃,過熱度5℃。

依據表3數據,我們可以分析得出以下結論:

1)假設客車空調在同樣工況,同等轉速條件下,選用同樣的壓縮機比使用R134a時冷量增加約50%。

2)在負荷相同的情況下,要達到同等降溫效果,系統所需單位時間壓縮機排量減少約50%。

3)在負荷相同的情況下,采用同樣排量的壓縮機,要達到同樣的降溫效果,所需的壓縮機轉速比R134a系統低很多,相應條件下系統的能效比也顯著提高。

4)影響巴士空調制冷量和能效比的因素很多,以上討論的是環境溫度對系統的影響,由于目前巴士空調90%以上為非獨立式空調,即空調壓縮機的轉速隨著客車發動機的轉速變化而變化,空調系統的冷量和能效比也隨之不斷發生變化,當發動機轉速高時系統制冷量增加,而空調能效比則會下降。當系統使用R407C制冷劑時,在客車怠速條件下即可達到較大制冷量,而此時,無論是能效比還是系統的可靠性都比較理想。

關于這一點,筆者所在單位曾做過一組對比測試:

(1)實驗1:

采用兩套同樣的壓縮機和空調系統,不同的壓縮機轉速以達到設定制冷量 (17.5kW),檢測壓縮機的轉速和輸入功率,結果如表2所示。

表2 R134a和R407C的能效比比較

(2)實驗2:

選用同樣頂置空調系統,分別選用采用R134a制冷劑,排量為616cc/轉的壓縮機和采用R407C制冷劑,排量為492cc/轉的壓縮機,在同樣的室內和室外環境干、濕球溫度條件下運行,R407C系統的制冷量高10%(見表3)。

表3 不同工況下R407C和R134a的制冷量和能效比

表3 (續)

(2)實驗3:

用3臺同樣的空調機 (冷王R6-M1頂置空調),分別采用R407C,R22和R134a制冷劑,以相同轉速進行降溫運行,測試車廂內的降溫速度,結果如下:起始溫度43℃,40分鐘后,R134a系統為 25.5℃,R22系統為 21℃,R407C系統為20℃。R407C系統運行17分鐘后,車廂內溫度即可達R134a運行40分鐘后的溫度。如圖1所示。

圖1 降溫測試

4 R407C的換熱性能分析

由于不同的組分的沸點不同,R407C制冷劑的蒸發和冷凝換熱性能都有不同程度的弱化,而在冷凝過程中,由于易揮發組分的積聚,增加了冷凝器的傳質熱阻,傳熱性能下降更多。

4.1 非共沸混合工質的換熱弱化現象及機理分析

兩相流與傳熱的研究表明[1,2],非共沸混合工質在冷凝換熱時,會產生換熱性能弱化的現象,主要是在冷凝過程的中間兩相區域,其原因主要是傳質傳熱阻力所致。非共沸混合工質凝結時相界面的傳質阻力主要來自于易揮發組分的積聚。從表1可以看出,R407C中的組分R32和R125具有相近的沸點,而且較R134a低很多,屬于易揮發組分。假設R32和 R125為同一組分,R134a為另外組分,則根據雙組分非共沸混合工質定壓下的相圖,如圖2,初始質量分數為 ω0的混合工質被冷卻到相界面溫度Ti時 (a到a′),氣相易揮發組分 R32和R125的質量分數為 ω1iv,若整個系統維持Ti不變,則氣液兩相處于動態平衡。但強制對流冷凝時,實際的氣相平均溫度Tv＞Ti,對應的氣相質量分數為 ω1v＜ω1iv,易揮發組分R32和R125在驅動力 ω1iv-ω1v的作用下向氣相區擴散,從而造成易揮發組分的積聚,該積聚作用導致了氣相的傳質阻力層,高沸點組分只有通過擴散的方式經氣相傳質阻力層才能到達傳熱表面。因此氣相傳質阻力層的存在增大了傳熱熱阻,嚴重弱化了冷凝傳熱的換熱效率,使得非共沸混合工質的冷凝傳熱系數比單組分工質低。以上分析可以看出,R407C的非共沸性質是其換熱弱化的主要原因。

圖2 定壓下雙組分非共沸混合工質的相圖[3]

4.2 非共沸混合工質冷凝換熱關聯式

由于R407C是非共沸工質,對其相變換熱規律的認識還不是很完全,還沒有成熟的關聯式來計算管內的對流換熱系數。文獻 [3]和 [4]采用理論推導,給出了非共沸工質相對于單組分工質的Nu數折算因子 ψ=(Nuz/Nuz0),并采用實驗關聯的方法給出了環狀流及波狀分層流下的折算因子關聯式:

這樣,已知單組分工質的Nuz0,就可折算出非共沸工質的Nuz。從上式也可以看出,折算因子總是小于1,這就意味著非共沸工質的傳熱性能總是低于同物性、同流動工況條件下單組分工質的傳熱性能。

4.3 R407C換熱強化的方向

以上分析可知,強化R407C系統換熱性能的關鍵是減小氣相傳質阻力層,盡可能的破壞、干擾及減薄氣膜。由于R407C管內換熱的氣膜比R134a厚,因此在使用內螺紋管等強化管時,要采用更大的肋高。另外一個有效的方法是適當地提高工質的流速,減薄氣膜,從而減小熱阻。可采用較小的管徑或者微通道平行流換熱器來達到增加流速的目的。另外,R407C在高熱負荷時具有較好的換熱性能。

5 R407C應用對環境的影響

制冷劑的環保性能主要由兩個重要的環境指標來體現,即臭氧衰減指數ODP和溫室效應指數,R407C的ODP為0,是一種對臭氧層無破壞的環保型制冷劑。

汽車空調溫室效應指數的計算則相對比較復雜,本文引用文獻 [5]中的觀點,國際上最先采用GWP來衡量氣體對全球變暖的影響,該指標便于研究各種制冷劑自身對全球氣候變暖的影響。R407C制冷劑的GWP為1700,R134a的GWP為1300;因此單純從GWP的角度來看,R407C的溫室效應略高于R134a。

隨著研究的進一步深入,考慮的因素也更全面,制冷和空調系統運行時需要能量,大部分情況下,能量來自于電力和礦物燃燒的直接消耗,煤、石油和天然氣燃料生產電力時,都產生二氧化碳并將排放到大氣中,這種消耗能量的形式也對全球變暖起作用。當研究和比較各種制冷劑對全球變暖的影響時,國際上使用總當量變暖效應 (TEWI)概念,來對制冷空調應用造成溫室效應的總量值進行評估。它考慮了對全球變暖起作用的兩種方式,即制冷劑排放的直接效應和能源利用的間接效應。直接效應由泄漏損失效應和回收損失效應組成,取決于制冷劑的GWP值,氣體泄漏量及考慮的時間長度。間接效應取決于制冷和空調系統運行的效率。TEWI的計算公式如下:

式中:

GWP—全球變暖潛能值,按100年水平計;

L—制冷劑泄漏量 (kg/a);

n—有效使用期 (a);

m—制冷劑充裝量 (kg);

α—制冷劑回收系數,

Eann—能量消耗 (kW·h/a);

β—二氧化碳排放量 [kg/(kW·h)]

TEWI的計算針對一特定的制冷和空調系統,它的最有效的用途是確定直接變暖效應與間接變暖效應,結果顯示,汽車空調的TEWI組成中,直接效應的比率為32%,間接效應為68%。

在TEWI的基礎上,美國阿Arthur D Little公司提出了壽命氣候性能LCCP的概念,它修正了TEWI的個別疏忽,認為在評價對全球氣候變化影響時,還應進一步考慮生產HCFC,HFC制冷劑及其原料的耗能 (如電能和各種燃料)的影響,稱為蘊含能量影響E;生產過程排放的作為溫室氣體的任何副產品產生的影響,稱為不易收集的排放值F。LCCP的計算公式如下:

其中 R134a,R32,R125的E、F的和分別為13,11,17。與TEWI一樣,在 LCCP的計算中,溫室效應的直接效應值均很小,間接溫室效應占主要部分。

由此可見,制冷系統對全球變暖效應的影響中,間接效應比直接效應的影響要大得多,評估客車空調系統對環境的影響,不僅需要考慮制冷劑的GWP值,系統的充注量和泄漏量,制冷劑的回收,系統能效比等因素共同影響系統的溫室效應。當系統的充注量、泄漏量減少,制冷劑的回收率增加,能效比提高時,制冷裝置的溫室效應的減小更加顯著。

6 制冷劑成分變化對性能的影響

R407C是一種非共沸制冷劑,其不同成分的熱力性質也不一樣,當系統內制冷劑質量組成發生變化時,系統的性能也會隨之發生變化。

為此,美國杜邦公司通過實驗驗證了R407C發生泄漏后,制冷劑成分的變化以及對制冷量和能效比的影響。

試驗假設每次系統內50%制冷劑以氣態形式泄漏,然后用R407C進行液態充注,再次以氣態形式泄漏制冷劑50%,循環試驗5次。

測試條件:冷凝溫度110℉,蒸發溫度40℉。

表4 R407C的泄漏對制冷劑成分及對制冷量和能效比的影響

說明:

(1)假設50%的制冷劑泄漏而沒有系統修復是極限狀況。

(2)在這種最惡劣假設條件下,經過5次泄漏及充注,系統制冷量下降9%。

(3)如果每次的泄漏量為15%,經過5次泄漏及充注,系統制冷量下降5%。

(4)如果制冷劑以氣液混合物的形式泄漏,其系統內制冷劑成分的改變要小得多。

近年來，玉米幼苗矮小細弱，葉窄葉薄發黃，心葉扭曲不舒展，輕者生長緩慢，重者幼苗枯死。也有的玉米地塊葉片發紫逐漸枯死。因此，造成不少地塊玉米參差不齊缺苗斷條，導致部分農民對個別廠家的肥料質量產生質疑。

(5)如果制冷劑以液態形式泄漏,其系統內制冷劑成分的改變要更小。

(6)由于HFC-32濃度降低,制冷劑可燃性進一步降低。

7 R407C應用于汽車空調時系統變化

為避免溫度滑移對換熱效率的影響,巴士空調換熱器設計時需采用逆流換熱,并采取相應的強化換熱的措施。

因R407C是非共沸混合制冷劑,為防止組分變化,制冷劑充注時需采用液態充注。

由于單位容積制冷量的增加,同樣的系統所需的壓縮機排量、膨脹閥及制冷劑管路截面積減小。

采用R407C作為制冷劑時,壓縮機的吸氣和排氣壓力比R134a分別高約60%,系統的高、低、中壓壓力開關的動作壓力值需要調整。

由于排氣壓力的升高,對系統尤其是冷凝側的氣密性、強度、抗振性的要求更高。管路、換熱器的壁厚、密封件,其氣密性、爆破試驗標準均比常規使用R134a空調提高,對焊接、加工工藝水平的挑戰更大。

R407C與R134a的材料兼容性一致,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。

[1] W.F.Stoecker and E.Kornota,ASHRAE Trans..vol.91,1351-1365,1985

[2] 成昌銳,王秋旺,劉星,等.R407C在水平單管外凝結換熱的實驗研究[J].工程熱物理學報,2001,(22):50-52

[3] 李俊明,吳業正,王補宣.非共沸混合工質水平管內凝結換熱的折算方法[J].制冷學報,1994,4(1):1-6

[4] 李俊明,吳業正,王補宣.非共沸混合工質水平管內凝結換熱折算因子的實驗關聯[J].工程熱物理學報,1997,18(5):592-595

[5] 俞炳豐,彭伯彥.CFCS制冷劑的回收與再利用[M].北京:機械工業出版社,2007