在当前保护臭氧层和温室气体减排双重要求下,国内在列车空调行业HCFC替代方面研究基础薄弱,适用于列车空调的制冷剂尚不明朗,开展替代制冷剂在列车空调系统的应用研究迫在眉睫。目前列车空调主要采用的制冷剂有R22、R134a,少量的R410A。制冷剂替代研究必然涉及空调系统的设计,而传统的列车空调设计方法需要制作大量的样机试验及调整系统结构参数,这不利于节能省材而且设计周期长也延缓了制冷剂的替代研究。而制冷系统仿真技术能够较准确地预测空调产品的性能,在一定误差范围内,能够模拟多种制冷以及制热工况下空调的系统性能,代表空调系统设计的发展趋势。本文的研究思路及技术路线是:综合考虑适用于列车空调制冷剂的筛选原则,选择R32、R407C、R134a、R410A适应于列车空调制冷剂,理论分析待筛选制冷剂的性能,设计实验样机及实验平台,测试替代制冷剂列车空调系统的性能,建立列车空调系统稳态性能仿真模型,编写替代制冷剂列车空调仿真软件,用实验数据修正及验证仿真模型,最后探讨提升列车空调系统性能的优化方案,基于修正后的仿真模型,模拟优化方案对系统性能的影响。论文研究内容如下:(1)计算四种制冷工况理论循环R32、R134a、R407C、R410A、R22系统的特性。从环境层面、安全性层面、热力性质及实用经济性层面综合筛选适用于列车空调的替代制冷剂,选择制冷剂R407C和R32作为列车空调替代制冷剂进行后续研究,实验测试R407C列车空调系统和R32列车空调系统的性能。(2)结合列车空调机组制冷系统的工作原理和国内外最新的一些仿真研究成果,建立压缩机、换热器、毛细管、连接管道和换热介质的仿真模型,将各仿真模型耦合成统一的制冷系统模型。采用指定过热度和过冷度算法对制冷系统进行仿真计算,并且采用实验测试数据对仿真模型进行修正。(3)提出一种基于遗传算法的管路连接优化方法,优化设计蒸发器的管路连接方式,经过若干代演化后收敛于最优的管路连接方式;并采用一种无量纲熵产数指标评价蒸发器的综合效能,优化结果表明,蒸发器的无量纲熵产数较优化前降低4%,最后基于经过修正后的系统仿真模型计算优化管路连接方式后系统性能的提升。(4)基于经过修正后的系统仿真模型,优化设计换热器的组合布置方案和导风均匀结构,对多种换热器布置组合设计方案进行比较分析,获得较优的换热器组合布置方案。针对换热器组合布置优化方案,提出一种系统联合仿真模拟方法,即将换热器风侧CFD模拟与空调系统稳态仿真模型相结合,风侧空气流场参数作为蒸发器与冷凝器模块风侧的输入参数与制冷系统模拟相结合的仿真方法。系统联合仿真结果表明冷凝器倾角53°布置,蒸发器倾角50°布置时系统制冷量提升4.44%,EER提升9.35%,基于改进后的换热器布置方案,设计导风均匀结构,改善冷凝器迎面风速分布的不均匀性,系统联合仿真结果表明,额定制冷工况下,系统制冷量从38.08kW提高到41.36kW,系统EER从4.19提高到4.54。