铁路机械冷藏车制冷机组制冷剂替代的研究

常邦灿

（中铁特货运输有限责任公司 装备安全部，北京 100055）

1 研究背景

由于氟氯烃类 (CFCS) 制冷剂对地球臭氧层的破坏，1987年9月16日由26个国家在加拿大蒙特利尔市签署了“破坏臭氧层物质管理的蒙特利尔议定书”，以限制CFCS类制冷剂的使用。按规定到2010年，对目前所使用的CFCS制冷剂工质全面禁产，同时一些与CFCS相关的产品与配件也将停止生产。

中铁特货运输有限责任公司(以下简称特货公司)是对易腐货物具有铁路冷藏运输能力的专业运输公司，现配属使用的铁路机械冷藏车为B10、B21、B22、B23，共计1910辆，各型制冷机组共计2906台，其中以CFCS(R12) 为制冷剂的机械冷藏车为B21型、B22型、B23型3种，使用制冷机组共计2656台，占总数量的91.4%，见表1。这些制冷机组在日常检修、运用、保养及使用过程中均不同程度地存在着CFCS排放问题。随着“破坏臭氧层物质管理的蒙特利尔议定书”对CFCS类制冷剂限制生产与使用的日期日益临近，到2010年，特货公司91.4%的机械冷藏车，将因CFCS制冷剂及相关制冷配件无处采购而导致无法继续使用。因此，开展铁路机械冷藏车制冷机组CFCS制冷剂替代这一课题的研究迫在眉睫。

表1 机械冷藏车制冷机组及制冷剂使用情况

2 替代方案比选

2006年中铁特货运输有限责任公司组织，由中铁特货运输有限责任公司、中南大学、中国南车集团石家庄车辆厂相关专家和工程技术人员组成课题组对这一课题进行研究。

2.1 研究方向

课题组对国内外R12替代技术进行大量资料检索和调查，并对可能的替代方案进行深入研究和详细计算，确立了R12替代方案的技术可行性、安全性、可靠性、经济性、可操作性等主要评价指标，对国内外各种成熟的R12替代方案进行筛选和比较，确定了R134a替代、R22替代、R415B替代3个研究方向。

（1）R134a替代。R134a是热力性能最接近R12的HFC单质，但化学性质和R12差别较大，用R134a替代R12，需要更换原R12系统中的膨胀阀、冷冻机油、橡胶密封圈、干燥过滤器、压缩机电机等部件。技术难点是需要对原R12系统内部进行彻底的清洗和干燥。该方案有成功的先例可借鉴，研究的主要内容是替代工艺和未来在使用过程中可能存在的隐患和问题。

（2）R22替代。R22系统是非常成熟的系统，该方向的主要研究内容是寻找简单可行的改造方案，初步考虑了更换新型R22压缩机后改充R22制冷剂的方案。难点是需对整个系统进行重新设计。

（3）R415B替代。R415B是课题组寻找到的已经商品化、并得到国际制冷学会给予制冷剂编号的仿R12混合工质，其热力性能及化学性能与R12都十分接近。其技术难点是该类工质都含有易燃易爆成分，且由于各个组分沸点不一样，泄漏之后不能直接补充。

2.2 制冷性能比较

对R134a替代、R22替代、R415B替代的制冷性能进行比较，其预测值见表2。

（1）R134a替代的制冷性能。用R134a替代后，缺点是压缩比较原R12系统高25%，制冷效率变小，这对制冷量有较大的负面影响；优点是R134a的粘度和导热系数都比R12大，在相同的系统中，传热温差小，一定程度上可以弥补以上缺陷。用R134a替代未列入计算的负面影响大于正面影响，R134a的系统制冷量低于R12系统的88.5%。综合考虑后，预测制冷量在原R12系统的85%左右。

（2）R22替代的制冷性能。用R22替代后，流量按照停缸或降频后为原系统进气量的2/3计算，制冷量仍然超过原R12系统13.18%，且R22的压缩比小于R12，因此对结果有正面的影响。即用R22替代后，制冷量要超出原R12系统13.18%以上。

（3）R415B替代的制冷性能。R415B替代后，制冷量能达到原R12系统的98%。缺点是R415B的压缩比高出R12系统的18%，会降低制冷效率；优点是R415B的粘度小，导热系数大，会减小传热温差，对提高机组效率有正面作用。综合考虑，R415B替代后制冷量约为原R12系统的95～98%。

以上3种研究方向的替代方案与原系统性能都很接近，均可作为原系统的替代方案。

2.3 各方案的综合比选

通过以上分析，初步确定R415B替代、R22替代(分换新压缩机和改压缩机2种)、R134a替代4种方案。

（1）R415B替代方案。采用R415B替代方案虽然最简单，费用最小，但其主要成分R152a是可燃气体，一旦泄露，在车厢内有可能引起燃烧和爆炸，而且泄漏之后不能直接补充，因此R415B替代方案不予采用。

（2）换新压缩机充R22替代方案。该方案需对整个系统进行重新设计，并舍弃性能优良的原装进口压缩机，其改造工作量相当于新造1台机组，费用高，因此该方案不予采纳。

（3）改压缩机充R22替代方案。课题组在深入研究分析的基础上，提出了一个全新的R22停缸法改造方案。即对原压缩机停止一个低压气缸，同时增加一个中间喷液装置，然后充R22制冷剂。该方案称为R22停缸法，简称停缸法，以区别于先前的换压缩机充R22制冷剂方案。该方案综合性能最好，经课题组充分论证，理论上完全可行；但没有应用先例，需要做大量的试验来验证其可行性和实施工艺。

（4）R134a替代方案。R134a替代是国际上最通行的R12替代工质。但是应用在机械冷藏车的R12替代上，存在改造费用大、所费工时多、维护不便、与特货公司现有机械冷藏车B10的新型制冷机组 (采用R22为制冷剂) 不兼容、管理工作复杂的缺点。

以上4种方案各指标具体比较值见表3。经过认真分析研究，首先舍弃不安全的R415B替代方案和改造费用最大的换压缩机方案。虽然R22同样是蒙特利尔协议规定的淘汰制冷剂，但是R22可使用到2030年，可以使用至机械冷藏车的报废期。因此，拟采用综合性能最好的R22停缸法改造方案为主要方案，以成熟可行的R134a方案为备用方案。

3 地面模拟试验和运用试验情况

3.1 地面模拟试验

根据R134a替代R12试验大纲、R22替代R12试验大纲及FALO56/3型制冷机组替代工艺，课题组完成6台试验机组的全面清洗、检查、测量、改装等准备，其中2台改为R22制冷剂，2台改为R134a制冷剂。为充分反映现有制冷机组进行工质替代后的各项热工指标，先后进行了R12与R134a、R12与R22制冷剂的热工对比试验，并在同一台FALO56/3型制冷机组上进行了R12与R22替代前后的热工对比试验。

表34种方案的综合比较

根据所采集的热工试验数据，课题组进行了可行性分析与热工分析。结果表明：R22和R134a都可以作为R12的替代工质，其中R22具有较好的低温制冷性能，有一定的优势，可以装车进行运用试验。

3.2 运用试验

将制冷剂替代后的制冷机组装车，并在外部环境温度40 ℃左右进行R12、R22、R134a实际货物承运比对试验。通过对6台制冷剂替代后的机组进行联编试验及承运同一品种货物控温试验，考察FALO56/3型制冷机组工质替代后的制冷性能、安全性能、工作稳定性能、故障率情况等。通过近4个月的运用试验，承运2次冷冻食品和2次易腐冷藏食品的长途作业，4辆机械冷藏车各个制冷机组状况都非常正常，车厢温度、货物温度和货物质量良好，完全符合物品冷藏运输质量标准要求。运行过程中未发生任何故障，所有试验结果均达到合格和良好。

4 经济效益分析

通过对替代的直接材料费用、运用列车材料备品费用、承运货物燃油消耗费用等进行统计分析，得出如下结论。

（1）单台机组两种制冷剂替代改造直接材料费用：采用R22制冷剂替代比采用R134a制冷剂替代少0.516万元。

（2）直接材料费用。全部B22型、B23型机械冷藏车制冷机组进行制冷剂替代改造，采用R22制冷剂替代比采用R134a制冷剂替代少1288.356万元。

（3）运用列车材料备品费用。采用R22制冷剂替代比采用R134a制冷剂替代少3374.80元/列 (4辆车)。

（4）由于R22制冷剂机组相关材料费用低于R134a制冷剂机组，因此当制冷机组发现故障后进行维修时，R22制冷剂机组的维修费用比R134a制冷剂机组的低。

（5）结合全路全年承运冷冻货物的比例，燃油消耗费用：采用R22替代比采用R134a替代可节省全年燃油总费用的3%。

综上所述，从经济角度看，采用R22制冷剂替代比采用R134a制冷剂替代有明显的优势。

5 结论

经过理论分析、地面模拟试验及运用试验、经济效益分析，铁路机械冷藏车制冷机组CFCS制冷剂替代研究得出如下结论：用R22替代R12的停缸法改造、用R134a替代R12方案技术上均可行；结合机械冷藏车的实际情况，R22替代R12的停缸法改造方案与R134a替代R12方案相比，前者实施更加简便，经济效益更高。