轨道交通用R410A与R407C对比分析应用

轨道交通用R410A与R407C对比分析应用

安亚洲

珠海格力电器股份有限公司    广东,珠海 519000

摘要：在轨道交通领域，制冷系统仍停留在采用R407C替代R22制冷剂的阶段。R407C是非共沸工质，工程应用上存在非常多的操作不便利性，主流的工商业制冷系统早已将其淘汰，使用R410A、R32等制冷剂作为主要替代物。本文通过物理性质对比，并结合某项目制冷系统实例设计对比，分析R410A与R407C两种制冷剂应用的优缺点，分析在轨道交通领域采用R410A制冷剂的可行性。

关键词：轨道交通 制冷系统 非共沸工质

Comparison analysis of R410A and R407C for rail transit

AN Yazhou

Gree Electric Appliances, Inc.of ZhuhaiZhuhai ,Guangdong519000

Abstract： In the field of rail transit, the refrigeration system still in the stage of using R407C instead of R22 refrigerant. R407C is a non -azeotropic working medium, and there are a lot of operation inconvenience in engineering applications. The mainstream industrial and commercial refrigeration system has already eliminated R410A, R32 and other refrigerants as the main substitutes. This article analyzes the feasibility of R410A refrigerant in the field of rail transit through the advantages and disadvantages of the two refrigerant applications of R410A and R407C in combination with the design comparison of the refrigeration system of a project.

Keywords：Rail transit\Refrigerationsystem\Non -boiled quality

0引言

用在空调器中的制冷剂R22(氟里昂22)对臭氧层具有破坏作用，破坏人类的生态环境。在90年代中期，R407C被认为可以成为R22的替代品。在轨道交通领域，空调系统多采用R407C冷媒替代R22，也有部分项目开始采用R410A冷媒，甚至CO2自然工质。而工商业空调领域，R407C已经几乎被淘汰，R410A、R32等冷媒作为主要替代物。本文通过物理性质对比、实例设计对比以及系统安全性评估三方面，对R410A与R407C两种冷媒进行应用对比分析。R410A除压力高于R407C以外，其它性能参数均优于R407C，而R410A压力高的问题已经有非常成熟的解决方案。

1物理性质理论分析

1.1R410A与R407C物理性质对比

表1R410A与R407C主要物理参数对比[1]

如表1所示，R410A与R407C在环保方面的表现相近，臭氧层破坏系数均为0，温室效应系数也相差不多。

R410A缺点：

由于R407C中增加了R134a的成分，使得系统压力表现降低；而R410A系统压力约为R407C的1.6倍，对系统承压要求较高。但是经过多年的市场发展，压缩机、传感器、换热器等所有部件已经有非常成熟应用。

R410A优点：

由于R410A属于近共沸工质，而R407C属于非共沸工质。R407C在等压蒸发或冷凝时存在着较大的相变温度梯度，而且汽液两相之间存在着明显的浓度差。R410A相比R407C具有很好的传热性能，R410A的蒸发传热系数和冷凝传热系数高于 R407C，其重要原因就在于R410A的近共沸性。

1.2 R410A与R407C换热性能对比

R410A具有很好的传热性能，R410A 的蒸发传热系数和冷凝传热系数高于R407C，流动阻力低于R407C，压缩效率高于R407C。[2]

研究数据对比见表2

表2 换热性能对比

R410A与R407C换热性能进行对比，影响两种冷媒系统设计如下：

1)更高的蒸发传热系数和冷凝传热系数，R410A系统换热器面积更小，减小产品结构尺寸；

2)更低的流动压降，R410A系统采用更细的换热管，降低结构尺寸的同时，提高了承压能力；

3)更高的压缩效率，R410A系统压缩机排量降低，结构尺寸减小，降低振动噪声。

1.3 R407C使用特点

R407C制冷剂的容量和压力都和R22比较接近。因此，调整系统设计，就能使原R22系统也适用于R407C系统。当然，要将原系统内的矿物冷冻油更换成能与R407C互溶的润滑油(POE油)。

由于R407C是混合非共沸工质，为了保证其混合成分不发生改变，所以R407C必须液态充注，以保证三种成分比例正确。在充注冷媒R407C时，必须将冷媒罐倒立，不可在冷媒罐直立时充注冷媒。冷媒泄漏时，引起冷媒级分性能变化，其系统内剩余的 R407C 不能回收循环使用，必须放气重抽真空，重新充注新的 R407C 制冷剂。R407C一定要用抽真空的方法进行排空，不可用排气法进行排空。

R407C产品在使用中，造成系统维护工作的非常不便，而且冷媒浪费也非常严重。

1.4 R410A使用特点

R410A比R22冷媒的压力要高大约1.6倍左右，但是经过多年的市场应用，常用的换热管均能满足正常使用，系统配件应用也非常成熟。如果铜管破裂导致冷媒泄漏，如果可以先确认剩余冷媒没有混入不凝气体，可以直接进行液相充注，不需要将剩余冷媒排放掉。

R410A产品在使用中，维护工作要比R407C简便的多，而且不会造成不必要的冷媒浪费。

2系统设计实例对比

以某机车动力电池冷却装置项目为例，进行系统设计对比。此处系统设计为粗略计算，仅为对比两种冷媒方案效果。

项目应用环境为43℃，额定供水温度为15℃，以此为系统设计工况。

2.1 压缩机选型对比

用EES软件进行循环计算，计算结果见表3：

表3 循环计算对比

表3对比结果显示：

同样的参数需求，R407C需要选用排量为9.81m3/h的压缩机；而由于R410A冷媒单位制冷量比R407C高，仅需要选用排量为6.66m3/h的压缩机即可。虽然压缩机功率相近，但R410A系统压缩机排量比R407C低约35%，压缩机体积会因此减小，运行振动和噪声也会相对有优势。

2.2冷凝器设计对比

2.2.1相同换热器，对比换热能力

根据结构初步布局，冷凝器换热管长度定为900mm，换热管统一选用直径7mm螺纹管，管间距19.05mm，排间距12.7mm，翅片统一为铝平片，片距2.0mm。在机组高度限制下，换热管排数最高为22根。每一路分路为16根管。

用CiolLab软件进行仿真计算，对比结果见表4：

表4换热能力对比

如表4对比所示，环境进风条件一样43℃，冷凝风量一样4500m3/h，冷凝温度一样58℃。

相同的冷凝器和换热条件下，R410A冷凝换热量为13.5kW，满足循环计算的13.47kW的冷凝负荷；而R407C冷凝换热量仅为11.4kW，与循环计算的13.2kW冷凝负荷相比，仅为其86%，不满足冷凝换热需求。

这种情况，R407C设计计算是不满足要求的，放在实际产品上，结果就是导致R407C系统运行高压偏高。因为同时改变了运行工况，压缩机选型也需要跟着调整。调整结果如表5：

表5系统配置对比

如表5所示，同样大小的冷凝器，R407C的换热量如果想满足循环计算的话，需要将冷凝温度从58℃提高到61.5℃。前提是压缩机的排量又提高到10.34m3/h，比R410A压缩机排量高55%，压缩机功率也提高到了3.853kW，系统的能效进一步降低。最终，R410A压缩机能效比R407C高5%。

2.2.2相同换热能力，不同换热器

换一个角度，换热能力均满足循环计算的结果，对比一下换热器大小。R410A冷凝器满足要求，不再改变。R407C冷凝器基本参数不变，仅提高冷凝器的换热面积和冷凝风量。计算对比结果如表6：

表6冷凝器配置对比

如表6所示，R407C冷凝器换热管每排增加到28根，冷凝风量增加到5500m3/h，换热量才达到13.5kW，满足设计要求。换热管数增加了27%，风量增加了22%。这种情况，最终体现在机组的尺寸和成本的提高上。

3 R410A系统安全性评估

机组在车顶，可能存在暴晒的情况，规范要求存放温度最高达到85℃，校核此时的系统静态压力。

85℃已经超过R410A冷媒的临界温度，也就是说，此时系统内冷媒全部为气态。

预计系统加注1200g冷媒，系统内冷凝器、蒸发器、压缩机和管路等部位的自由容积共约6900mL，冷媒全部气化系统比容为0.00575m3/kg，查冷媒物性表，得到85℃时系统内压力达到44bar，比主要元器件的设计压力还低一些。见表7：

表7 主要部件耐压

44bar属于R410A系统正常的使用压力范围，通过控制系统的容积，以及冷媒加注量，完全没有高温存放的风险。

4结论

通过对R410A与R407C进行应用对比分析，结果如下：

1）R410A应用已非常成熟，产品维护性高于R407C；

2）换热性能方面，R410A系统压缩机排量比R407C低约35%，压缩机能效比R407C高约5%，换热面积和换热风量平均低于R407C约20%。R410A系统压缩机体积小，可以降低运行振动和噪声，整体能效更高，整体尺寸和重量都比R407C系统更小；

3）在项目特殊的85℃存放需求下，R410A系统压力低于设计压力，并不存在安全隐患。

据了解，目前已经有多个轨道交通项目空调系统已经采用了R410A的方案。相信R410A系统是轨道交通空调未来的发展方向。

参考文献：

[1]汪训昌.R410A与R407C应用的选择趋势[J].制冷与空调.2006,6(3):84-85

[2]陈九法,杨辰.环保制冷剂R410A和R407C的性能比较[J].流体机械,2005,33(7):78-81

[3]谢杏香,陈言桂.基于小型空调系统的R410a和R407C性能比较[J]. 制冷,2019,38(2):1-4

[4]谷波,李文华.R22三种替代物R134a、R410a和R407C在空调系统中性能对比研究[J].流体机械,1999,27(10):41-42.

[5]陈斌, 陈光明. R407C、R410A 系统热力性能研究综述[J]. 制冷,2003,3(22):24-30