制冷循环的研究论文

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

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。

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。

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℃，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～。

2 在客车空调应用中的技术探讨

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 m/s，竖直管内为不小于 m/s。

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～ 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φ×，翅片厚，翅片距 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 MPa 下，干燥过滤器的年泄漏量不大于 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。

摘要：SXZ8—2040HM2中央空调是某制衣厂的空气调节设备。它制冷量是根据炎热的夏季、最大人流量来设计的，配套的冷冻、冷却水泵电机也一样。众所周知，中国的气候四季分明，就广东省而言，算下来较热的天气四个月左右，其余八个月相对温度偏低，加上白天和晚上温度上的差别。（制衣厂有夜班）对中央空调来说，制冷量会有些富余，造成室内温度不平稳。而水泵又属于二次方律负载，工频全压运行时功率因素和效率均很低。加上电机的配置偏大，造成极大的能源的浪费。另一方面因水泵采用Y—△启动，工频全压运行，造成机械磨损大。停机时产生回水水锤，造成对止水阀和水泵冲击时的磨损和损坏等缺陷。如果把冷冻泵、冷却泵改为变频调速，用温差配置PID闭环控制。可以降低水泵的转速，提高启动性能，简化电路、及惯性停机。上述改良是可以降低机械磨损率和电器故障率，消除水锤现象，更重要的是可以节约能源。而当今世界能源日趋紧张，故对中央空调的节能改造有着重要的现实意义和深远的历史意义。 关键词：中央空调、变频调速、温差控制、PID、节能。论文内容：（一） 中央空调系统的基本构成中央空调系统由三大部分组成，制冷系统、冷却水循环系统、冷冻水循环系统。1、制冷系统 （冷冻机组）冷冻机组是中央空调的心脏，制冷的源头，它由压缩机、冷凝器等组成。其功能是将通往各用户的循环回水，由冷冻机组进行“内部热交换”降温为7—10℃的冷冻水。型号是：SXZ8—2040HM2，中文的全称是：《蒸气双效型溴化锂吸收式冷冻机组》制冷量为2040KW，冷水流量为350立方米/小时。2、冷却水循环系统它是由冷却泵、冷却水塔、冷却风机和管道组成。其作用是利用冷却泵加压，将冷却水送到冷冻机组里不断循环，带走冷冻机（机械运动及内部热交换产生的热量）组释放的热量。3、冷冻水循环系统由冷冻泵、管道、风箱及风机组成，从冷冻机组“冷冻”的冷冻水，由冷冻泵加压，输送到各用户风箱，用风机将风箱里蒸发器蒸发的冷空气带走各房间的热量。 （二）、温度控制 用热电阻和热电偶配合温度控制保护电路，触摸屏显示观察。（三） 拖动系统1、 冷冻机组拖动系统：压缩机及机组、配电量为6。25KW，其中有配电量共为5。5KW电泵二台，压缩机由热蒸气动力拖动。2、 冷却泵拖动系统：二台55KW的水泵电机，Y—△启动一用一备。3、 冷冻泵拖动系统：二台55KW的水泵电机，Y—△启动一用一备。4、 风机拖动系统：一台22KW的水冷却风机，若干台4KW的风机。（四） 系统改造的基本考虑1、要达到节能目的水泵是二次方律负载，通俗的讲就是弹性负载，收缩性较强，具有十分可观的节能潜力。水泵阻转矩是与转速的二次方成正比，故低速时阻转矩比额定转矩小得多。在工频额定电压下运行时，水泵的有效转矩和负载转矩相差甚多，这是水泵类负载的机械特性，像是大马拉小车，功力因素、效率均很低。A是水泵负载在工频额定电压下运行的机械特性曲线，当负载转矩等于电动机的额定转矩TLN时，额定工作点为N点,转速为nN当负载转矩减轻为TLQ时，工作点移到Q点，转速升高为nq。如上所述，这时的功率因数和效率均很低。B变频降压运行A额定电压下运行 变频调速则可以根据U/F的比率来调整电机转速和有效转矩，降低电机承受的电压和频率，使电机的有效转矩和负载转矩接近，图4—2 B是降压后水泵的机械特性曲线。电动机的有效转矩为TME和负载转矩TLQ十分接近。则功率因素和效率处于最佳状态，减小了电流，同时电压也下降了。我们知道： P=UICOS￠根据这公式推导，由于输出电压、电流下降了，输出功率自然也下降了，达到了节能的目的。2、变频调速系统方案前面讲过，中央空调系统外部热交换是由两个循环系统来完成，冷却水循环系统、冷冻水循环系统。我们知道水泵电机的转速与循环水的速度成正比，而整个中电机水泵冷却泵循环系统 变频器 - + 电源给定 温差变送器 温度传感器 央空调系统热交换的速度与循环水的速度也成正比，如果根据回水和进水的温度来控制循环水流动的速度，从而控制了热交换的速度。根据这一原理冷却泵、冷冻泵可以以温度为依据，用变频内置PID智能调速来控制电机的转速。是比较合理的控制方式。温度高说明空调系统要求释放的热量增大，应提高水泵电机的转速，反之，可以降低转速，节约能源。（五）系统的具体改造方案1、冷冻水循环系统控制冷冻水的出水温度是冷冻机组“冷冻”的结果，是比较稳定的。因此，单是回水温度的高低就足以反映房间内的温度，所以，冷冻泵的变频调速系统，可以根据回水温度来控制，回水温度高，说明房间温度高，应提高冷冻泵的转速，加快冷冻水的循环速度。反之，回水温度低，说明房间温度低，可以降低冷冻泵的转速，减缓冷冻水的循环速度。2、冷却水循环系统控制由于冷却塔的水温是随环境温度变化的，其单侧不能准确的反应冷冻机组内部产生热量的多少。所以冷却泵的速度应以回水和进水的温度作为依据，来实现回水和进水恒温差控制，使电机的变频调速合理化。温差大说明冷冻机组产生的热量大，内部热交换的速度要加快，应提高冷却泵的转度，以增大冷却水的循环速度。温差小，说明冻机组产生热量小，可以降低冻却泵的转速，以减小冷却水的循环速度。 3、恒温（度）差控制冷冻水循环系统，单是回水的温度足以反应外部热交换的速度。可用Pt100铂电阻和E系列温控器配合使用，通过热电阻和温控器把回水温度转换成电信号，输出电流为4—20mA，作为变频器的反馈信号，和给定信进行比较。而冷却水循环系统，水塔的水温是随环境温度变化而变化的。单侧不能反应热交换的速度，必须要以回水和进水的温度作为依据。可以用Pt100铂电阻二个温差变送器配合使用，通过热电阻和温差控制器将回水和进水的温差转换成电信号。输出电流为4—20mA，作为变频器的反馈信号，和给定信号进行比较。决定水泵的转度。（六）变频器参数设置及系统控制原理1、时代变频器（TVF2455）的相关参数设定9952=1 数据初始化9906=2 PID应用宏，该应用宏为闭环控制系统设计，适用于压力、温度、流量等控制。 PID应用宏有如下内容 输入信号 输出信号 输入U/I选择启动/停止（DI1 D15） 模拟输出变量 频率 模拟给定 （AI1） 频率输出变量 频率 AI1 0—10V实际值 （AI2） AI2 0—10V控制方式 （DI2） 继电器输出1 故障输出 或4—20MA允许运行 （DI6） 继电器输出2 匀速运行1001=1 1=（DI1）启动/停止1002=2 2=（DI2）得电启动（PID）1003=1 电机方向选择 1=正方向1103=1 外部给定1选择 1=AI1 由模拟输入AI1给定1201=4 4=DI3 多速输出 1205=50 多速4的给定 对应DI3 单位 HZ1401=4 4=故障吸合 继电器输出1的变量2102=1 停止功能 1=惯性停车2008=50 最大频率 单位 HZ2007=28 最小频率 单位 HZ4405=1 偏差值取反 1=取反2202=8 加速时间 单位 S2602=2 U/F比率 2=平方型 通常用于平方负载转矩的应用中，例如水泵和风机。2、控制原理图说明AI1 REF AGND RP—0-10V模拟给定电压。AI2 AGND—反馈信号（4-20MA）。 DI6—允许运行。 DI1—启动 。 DI2 —手动/自动（闭合PID控制）。 DI3—恒速运行。KM继电器—故障吸合。当刚启动水泵时，因冷却水的进水口和回水口温度相等，热电阻Rt1和Rt2无温差。温差变送器只有微小输出，变频器置于手动位置，这时KI1 KI4 KI6闭合变频器恒速运行。20分钟后，冷却水管的进水口和出水口温度有了差值，温差变送器根据温差值输出4—20mA的偏差信号，作为变频器的反馈信号。KI4断开、KI2 闭合，变频器进入自动PID闭环控制环节，模拟给定电压和反馈信号比较，得出偏差值在内部进行比例、积分、运算后，输出一个模拟给定频率信号，去控制冷却泵电机的频率，从而控制了电机的速度。温差大时，说明冷冻机组内部“热交换加快”，电机转速加快，温差小时，冷冻机内部“热交换减慢”电机转速可以减慢。另一方面，由于变频器设置2602=2，可以充分利用变频器调压、调频的突出特性。使U/F比率处于最佳状态，这时有效转矩和负载转矩十分接近，达到节能的目的。（七）改为变频调速运行效果通过近一年的运行，用户反应半年就收回了成本，如果以平均节能30℅算，功率110KW，每小时节能至少30度，达到预期的效果。具体有如下几点：1、通过观察冷却泵转速下降为，最大频率是：42HZ，最小频率是：28HZ。节能35℅左右。冷冻泵转速下降为，最大频率是：46HZ 最小频率是：35HZ。节能25℅左右。2、以每天16小时计算一年可以节能：172800度电。3、简化了控制电路，电气故障率减少了。4、控制温度效果较好，房间内温度比较平稳。5、电机转速下降了，机械磨损明显减小。实施了惯性停机，消除了水锤现象。

我有，你分太少了。

目前环保问题成了全球的热门话题，臭氧层的不断破坏和气候的逐渐变暖，是当今地球人类所面临的两大亟待解决的环境问题。谈到臭氧层的破坏，人们立刻会想到空调制冷行业的氟里昂，曾经有一段时间，人们对氟里昂几乎达到谈虎色变的程度。谈到气候变暖，人们不觉想到两极冰山融化、雪山冰线缩小、海平面上升、暴雨洪水泛滥。 由于家用冰箱、空调及冷柜都用到氟里昂制冷剂，为人们普遍认知。因而制冷空调行业成了破坏臭氧层和制造温室效应的众矢之的。但人们很少知道，氟里昂大部分排放是由于化工工业生产过程造成的，空调制冷剂的泄漏只是一小部分。工业上如灭火、发泡等是一次性使用，大量的氟里昂物质排放到大气中，而空调制冷剂是密封在机组的循环系统中，只是存在机组泄漏的可能。 诚然，空调制冷行业是臭氧层破坏和制造温室效应的参与者。那么，摆在我们面前的是，冷媒替代技术的研发及使用，已成为当今制冷空调行业的研究课题。