鐵路機械冷藏車制冷機組制冷劑替代的研究

常邦燦

（中鐵特貨運輸有限責任公司 裝備安全部，北京 100055）

1 研究背景

由于氟氯烴類 (CFCS) 制冷劑對地球臭氧層的破壞，1987年9月16日由26個國家在加拿大蒙特利爾市簽署了“破壞臭氧層物質管理的蒙特利爾議定書”，以限制CFCS類制冷劑的使用。按規定到2010年，對目前所使用的CFCS制冷劑工質全面禁產，同時一些與CFCS相關的產品與配件也將停止生產。

中鐵特貨運輸有限責任公司(以下簡稱特貨公司)是對易腐貨物具有鐵路冷藏運輸能力的專業運輸公司，現配屬使用的鐵路機械冷藏車為B10、B21、B22、B23，共計1910輛，各型制冷機組共計2906臺，其中以CFCS(R12) 為制冷劑的機械冷藏車為B21型、B22型、B23型3種，使用制冷機組共計2656臺，占總數量的91.4%，見表1。這些制冷機組在日常檢修、運用、保養及使用過程中均不同程度地存在著CFCS排放問題。隨著“破壞臭氧層物質管理的蒙特利爾議定書”對CFCS類制冷劑限制生產與使用的日期日益臨近，到2010年，特貨公司91.4%的機械冷藏車，將因CFCS制冷劑及相關制冷配件無處采購而導致無法繼續使用。因此，開展鐵路機械冷藏車制冷機組CFCS制冷劑替代這一課題的研究迫在眉睫。

表1 機械冷藏車制冷機組及制冷劑使用情況

2 替代方案比選

2006年中鐵特貨運輸有限責任公司組織，由中鐵特貨運輸有限責任公司、中南大學、中國南車集團石家莊車輛廠相關專家和工程技術人員組成課題組對這一課題進行研究。

2.1 研究方向

課題組對國內外R12替代技術進行大量資料檢索和調查，并對可能的替代方案進行深入研究和詳細計算，確立了R12替代方案的技術可行性、安全性、可靠性、經濟性、可操作性等主要評價指標，對國內外各種成熟的R12替代方案進行篩選和比較，確定了R134a替代、R22替代、R415B替代3個研究方向。

（1）R134a替代。R134a是熱力性能最接近R12的HFC單質，但化學性質和R12差別較大，用R134a替代R12，需要更換原R12系統中的膨脹閥、冷凍機油、橡膠密封圈、干燥過濾器、壓縮機電機等部件。技術難點是需要對原R12系統內部進行徹底的清洗和干燥。該方案有成功的先例可借鑒，研究的主要內容是替代工藝和未來在使用過程中可能存在的隱患和問題。

（2）R22替代。R22系統是非常成熟的系統，該方向的主要研究內容是尋找簡單可行的改造方案，初步考慮了更換新型R22壓縮機后改充R22制冷劑的方案。難點是需對整個系統進行重新設計。

（3）R415B替代。R415B是課題組尋找到的已經商品化、并得到國際制冷學會給予制冷劑編號的仿R12混合工質，其熱力性能及化學性能與R12都十分接近。其技術難點是該類工質都含有易燃易爆成分，且由于各個組分沸點不一樣，泄漏之后不能直接補充。

2.2 制冷性能比較

對R134a替代、R22替代、R415B替代的制冷性能進行比較，其預測值見表2。

（1）R134a替代的制冷性能。用R134a替代后，缺點是壓縮比較原R12系統高25%，制冷效率變小，這對制冷量有較大的負面影響；優點是R134a的粘度和導熱系數都比R12大，在相同的系統中，傳熱溫差小，一定程度上可以彌補以上缺陷。用R134a替代未列入計算的負面影響大于正面影響，R134a的系統制冷量低于R12系統的88.5%。綜合考慮后，預測制冷量在原R12系統的85%左右。

（2）R22替代的制冷性能。用R22替代后，流量按照停缸或降頻后為原系統進氣量的2/3計算，制冷量仍然超過原R12系統13.18%，且R22的壓縮比小于R12，因此對結果有正面的影響。即用R22替代后，制冷量要超出原R12系統13.18%以上。

（3）R415B替代的制冷性能。R415B替代后，制冷量能達到原R12系統的98%。缺點是R415B的壓縮比高出R12系統的18%，會降低制冷效率；優點是R415B的粘度小，導熱系數大，會減小傳熱溫差，對提高機組效率有正面作用。綜合考慮，R415B替代后制冷量約為原R12系統的95～98%。

以上3種研究方向的替代方案與原系統性能都很接近，均可作為原系統的替代方案。

2.3 各方案的綜合比選

通過以上分析，初步確定R415B替代、R22替代(分換新壓縮機和改壓縮機2種)、R134a替代4種方案。

（1）R415B替代方案。采用R415B替代方案雖然最簡單，費用最小，但其主要成分R152a是可燃氣體，一旦泄露，在車廂內有可能引起燃燒和爆炸，而且泄漏之后不能直接補充，因此R415B替代方案不予采用。

（2）換新壓縮機充R22替代方案。該方案需對整個系統進行重新設計，并舍棄性能優良的原裝進口壓縮機，其改造工作量相當于新造1臺機組，費用高，因此該方案不予采納。

（3）改壓縮機充R22替代方案。課題組在深入研究分析的基礎上，提出了一個全新的R22停缸法改造方案。即對原壓縮機停止一個低壓氣缸，同時增加一個中間噴液裝置，然后充R22制冷劑。該方案稱為R22停缸法，簡稱停缸法，以區別于先前的換壓縮機充R22制冷劑方案。該方案綜合性能最好，經課題組充分論證，理論上完全可行；但沒有應用先例，需要做大量的試驗來驗證其可行性和實施工藝。

（4）R134a替代方案。R134a替代是國際上最通行的R12替代工質。但是應用在機械冷藏車的R12替代上，存在改造費用大、所費工時多、維護不便、與特貨公司現有機械冷藏車B10的新型制冷機組 (采用R22為制冷劑) 不兼容、管理工作復雜的缺點。

以上4種方案各指標具體比較值見表3。經過認真分析研究，首先舍棄不安全的R415B替代方案和改造費用最大的換壓縮機方案。雖然R22同樣是蒙特利爾協議規定的淘汰制冷劑，但是R22可使用到2030年，可以使用至機械冷藏車的報廢期。因此，擬采用綜合性能最好的R22停缸法改造方案為主要方案，以成熟可行的R134a方案為備用方案。

3 地面模擬試驗和運用試驗情況

3.1 地面模擬試驗

根據R134a替代R12試驗大綱、R22替代R12試驗大綱及FALO56/3型制冷機組替代工藝，課題組完成6臺試驗機組的全面清洗、檢查、測量、改裝等準備，其中2臺改為R22制冷劑，2臺改為R134a制冷劑。為充分反映現有制冷機組進行工質替代后的各項熱工指標，先后進行了R12與R134a、R12與R22制冷劑的熱工對比試驗，并在同一臺FALO56/3型制冷機組上進行了R12與R22替代前后的熱工對比試驗。

表34種方案的綜合比較

根據所采集的熱工試驗數據，課題組進行了可行性分析與熱工分析。結果表明：R22和R134a都可以作為R12的替代工質，其中R22具有較好的低溫制冷性能，有一定的優勢，可以裝車進行運用試驗。

3.2 運用試驗

將制冷劑替代后的制冷機組裝車，并在外部環境溫度40 ℃左右進行R12、R22、R134a實際貨物承運比對試驗。通過對6臺制冷劑替代后的機組進行聯編試驗及承運同一品種貨物控溫試驗，考察FALO56/3型制冷機組工質替代后的制冷性能、安全性能、工作穩定性能、故障率情況等。通過近4個月的運用試驗，承運2次冷凍食品和2次易腐冷藏食品的長途作業，4輛機械冷藏車各個制冷機組狀況都非常正常，車廂溫度、貨物溫度和貨物質量良好，完全符合物品冷藏運輸質量標準要求。運行過程中未發生任何故障，所有試驗結果均達到合格和良好。

4 經濟效益分析

通過對替代的直接材料費用、運用列車材料備品費用、承運貨物燃油消耗費用等進行統計分析，得出如下結論。

（1）單臺機組兩種制冷劑替代改造直接材料費用：采用R22制冷劑替代比采用R134a制冷劑替代少0.516萬元。

（2）直接材料費用。全部B22型、B23型機械冷藏車制冷機組進行制冷劑替代改造，采用R22制冷劑替代比采用R134a制冷劑替代少1288.356萬元。

（3）運用列車材料備品費用。采用R22制冷劑替代比采用R134a制冷劑替代少3374.80元/列 (4輛車)。

（4）由于R22制冷劑機組相關材料費用低于R134a制冷劑機組，因此當制冷機組發現故障后進行維修時，R22制冷劑機組的維修費用比R134a制冷劑機組的低。

（5）結合全路全年承運冷凍貨物的比例，燃油消耗費用：采用R22替代比采用R134a替代可節省全年燃油總費用的3%。

綜上所述，從經濟角度看，采用R22制冷劑替代比采用R134a制冷劑替代有明顯的優勢。

5 結論

經過理論分析、地面模擬試驗及運用試驗、經濟效益分析，鐵路機械冷藏車制冷機組CFCS制冷劑替代研究得出如下結論：用R22替代R12的停缸法改造、用R134a替代R12方案技術上均可行；結合機械冷藏車的實際情況，R22替代R12的停缸法改造方案與R134a替代R12方案相比，前者實施更加簡便，經濟效益更高。