R1234yf 與 R134a 空調(diào)性能實(shí)驗(yàn)研究對(duì)比分析

張亞國(guó) 郭艷萍 賀其富

摘? 要：為了實(shí)現(xiàn)制冷劑環(huán)境友好性，本文基于 R1234yf 與 R134a 不同的熱物性參數(shù)基礎(chǔ)上，在整車上進(jìn)行 R1234yf 與 R134a 不同制冷劑系統(tǒng)的制冷性能及系統(tǒng)差異性的對(duì)比研究。分析 R1234yf 制冷劑的可替代性，進(jìn)一步采取有效措施提高其制冷性能。

關(guān)鍵詞：R1234yf;R134a;過(guò)冷度;過(guò)熱度

中圖分類號(hào)：U463? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：1005-2550（2020）01-0007-04

Experimental study on air conditioning performance of R1234yf and R134a

ZHANG Ya-guo， GUO Yan-ping， HE Qi-fu

（ Dongfeng Motor Company Technology Center， Wuhan 430056， China）

Abstract： In order to achieve environmental friendliness of refrigerants. Based on the different thermophysical parameters of R1234yf and R134a， the refrigeration performance and system difference of different refrigerant systems of R1234yf and R134a were studied in this paper. The substitutability of R1234yf refrigerant was analyzed， and effective measures were taken to improve its refrigeration performance.

制冷劑作為空調(diào)系統(tǒng)的工作介質(zhì)，理想的制冷劑不僅要有優(yōu)良的熱物理性質(zhì)及安全性，也要有較好的環(huán)境友好性。R134a是目前常用的汽車空調(diào)制冷劑，其GWP（Global Warming Potential）為1430，ODP（Ozone Depression Potential）為0。自2017年1月1日起，制冷劑環(huán)保法規(guī)規(guī)定：在歐洲境內(nèi)生產(chǎn)及銷售車輛禁止使用GWP>150的制冷劑。這意味著作為汽車空調(diào)系統(tǒng)制冷劑的大眾產(chǎn)品R134a將逐步淡出市場(chǎng)。R1234yf作為R134a的替代制冷劑之一，其GWP僅為4，ODP同樣為0，滿足人們對(duì)制冷劑環(huán)境友好性的要求。對(duì)R1234yf制冷劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究來(lái)獲得工程應(yīng)用方面替代R134a的認(rèn)可，通過(guò)改進(jìn)空調(diào)零部件使R1234yf系統(tǒng)獲與R134a同樣的性能表現(xiàn)是汽車空調(diào)行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)所在。

本文基于R1234yf與R134a不同的熱物性參數(shù)基礎(chǔ)上，選取典型的R134a汽車空調(diào)系統(tǒng)，將制冷劑更換為R1234yf，在實(shí)車上進(jìn)行制冷性能及運(yùn)行狀態(tài)分析其對(duì)R134a的替代可行性分析。

1? ? R1234yf的基本熱物性參數(shù)

制冷劑是空調(diào)系統(tǒng)中傳遞熱量的工作介質(zhì)，對(duì)制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行性能有著重要的影響。一種理想的制冷劑除了有良好的熱物理性，還需要環(huán)境友好性，材料相容性，經(jīng)濟(jì)性等方面有良好特性。

R1234yf作為R134a的替代制冷劑之一，其表現(xiàn)出良好的物性參數(shù)及安全性。表1為R1234yf與R134a主要物性參數(shù)對(duì)比。R1234yf的安全等級(jí)為A2L，具有弱可燃性[1]。其對(duì)碳鋼、不銹鋼、銅等金屬材料不具備活性和腐蝕性，與塑料、橡膠件等相容性均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)[2]。

由表1知，R1234yf單位容積制冷量及蒸發(fā)潛熱比R134a略低，其運(yùn)行壓力與現(xiàn)有的R134a制冷劑十分接近，對(duì)目前的系統(tǒng)不需要做大的改動(dòng)即可應(yīng)用。目前R1234yf制冷劑是滿足“本身物理特性與空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)最佳平衡”的制冷劑。

R1234yf與R134a理論循環(huán)對(duì)比[3]如圖1。通過(guò)在LogP-H圖可知，R1234yf與R134a循環(huán)運(yùn)行壓力非常接近，蒸發(fā)壓力略高及冷凝壓力略低。并且R1234yf的循環(huán)壓差較小，即壓縮機(jī)壓比會(huì)更小，對(duì)制冷性能的提高是有利的。

2? ? 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

根據(jù)某項(xiàng)目要求，制冷劑需滿足歐盟環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。本次實(shí)驗(yàn)采用HVAC、冷凝器、電子膨脹閥、壓縮機(jī)及連接管路組成的空調(diào)系統(tǒng)，在整車上進(jìn)行R1234yf與R134a制冷劑進(jìn)行制冷性能及系統(tǒng)差異性的對(duì)比研究，其實(shí)驗(yàn)方案如表2所示：

3? ? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及對(duì)比

由于R1234yf制冷劑本身的物理性質(zhì)與R134a非常接近，對(duì)現(xiàn)有的汽車空調(diào)系統(tǒng)不做大改動(dòng)即可直接應(yīng)用。選用目前XXX項(xiàng)目的成熟定排量壓縮機(jī)汽車空調(diào)系統(tǒng)，將制冷劑更換為R1234yf進(jìn)行直接替代的性能研究，并與相同條件下的R134a系統(tǒng)進(jìn)行性能比較。本次實(shí)驗(yàn)在環(huán)境溫度為40℃、50℃，陽(yáng)光輻射為1160W/m2情況下，汽車以相同速度行駛且AC模式開啟最大風(fēng)量檔位條件下，進(jìn)行制冷性能分析其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

3.1? ?制冷效果分析

選用目前XXX項(xiàng)目的成熟定排量壓縮機(jī)汽車空調(diào)系統(tǒng)，將制冷劑更換為R1234yf進(jìn)行直接替代的性能研究，將R1234yf與R134a不同制冷劑系統(tǒng)整車，分別在40℃和50℃環(huán)境溫度下，整車以同一速度40km/h行進(jìn)過(guò)程中開啟最大風(fēng)量模式，進(jìn)行出風(fēng)口及車內(nèi)溫度采集，溫度顯示為制冷效果的最直接顯示，進(jìn)行R1234yf與R134a系統(tǒng)制冷效果分析對(duì)比。

根據(jù)圖2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：在40℃環(huán)境溫度下， R1234yf 系統(tǒng)與R134a系統(tǒng)相比較，出風(fēng)口溫度影響基本一致，車內(nèi)平均溫度R134a優(yōu)于R1234yf系統(tǒng)，說(shuō)明R1234yf系統(tǒng)制冷能力還有一定提升能力。在50℃環(huán)境溫度下，R134a制冷劑系統(tǒng)出風(fēng)口溫度和車內(nèi)平均溫度均低于R1234yf系統(tǒng)。說(shuō)明R134a系統(tǒng)制冷效果略優(yōu)于R1234yf系統(tǒng)，R1234yf系統(tǒng)制冷量略小，若要獲得與R134a系統(tǒng)相當(dāng)?shù)闹评淞浚琑1234yf系統(tǒng)需要更大的制冷劑體積流量，即更高的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速或者更大的壓縮機(jī)排量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.2? ?過(guò)冷度影響

在實(shí)際制冷循環(huán)中，制冷劑液體離開冷凝器進(jìn)入膨脹閥之前具有一定過(guò)冷度，單位制冷量增加，循環(huán)壓縮比功沒(méi)有發(fā)生變化，這對(duì)增大制冷循環(huán)的制冷量是有利的。而過(guò)冷度大小取決于冷凝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與冷卻介質(zhì)的溫差。通常情況下，假定冷凝器出水溫度比冷凝溫度低3～5K，冷卻水在冷凝器中的溫升則為3～8K，因而冷卻水的進(jìn)口溫度比冷凝溫度低6～13K，這就足以使冷凝器出口溫度能夠保證一定過(guò)冷度[4]。

由圖3可知，在其他參數(shù)不變、在40km/h行駛速度下、環(huán)境溫度為40℃和50℃條件下比較R1234yf和R134a制冷劑系統(tǒng)過(guò)冷度變化。可知R134a制冷劑系統(tǒng)過(guò)冷度優(yōu)于同工況下R1234yf制冷劑系統(tǒng)。通過(guò)計(jì)算可以得到，在其他參數(shù)不變情況下，R134a過(guò)冷度每增加1℃，系統(tǒng)COP平均增大1.1%。對(duì)于R1234yf系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，過(guò)冷度每增加1℃，系統(tǒng)COP平均增大1.4%。結(jié)合圖4說(shuō)明，增大系統(tǒng)過(guò)冷度對(duì)于R1234yf制冷性能提升更為明顯。可采用同軸管增加二次換熱，提高制冷效率。

3.3? ?過(guò)熱度影響

在實(shí)際循環(huán)過(guò)程中，為了避免液態(tài)制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)造成“液擊”，對(duì)帶有熱力膨脹閥的系統(tǒng)，要求蒸發(fā)器出口要有一定過(guò)熱度（3～5℃），為工作過(guò)熱度是蒸發(fā)器制冷量的一部分該過(guò)熱度的增大可以使膨脹閥開啟變大，制冷劑流量按比例增大，但同時(shí)吸入蒸氣的比容也隨之增大，因此單位容積制冷量可能增大也可能減小。對(duì)于定排量壓縮機(jī)而言，也就導(dǎo)致COP可能增大也可能減小，由制冷劑本身決定[4]。

對(duì)于R1234yf和R134a系統(tǒng)而言，理論循環(huán)的COP隨蒸發(fā)器出口過(guò)熱度的增大有所上升，但并非蒸發(fā)器出口過(guò)熱度越大越好。理論循環(huán)壓縮過(guò)程為等熵壓縮，而在實(shí)際壓縮過(guò)程中，吸氣過(guò)熱度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)排氣溫度上升，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)不利影響。此外，吸氣過(guò)熱度過(guò)大也意味著蒸發(fā)器有較大的換熱面積處于過(guò)熱區(qū)，與兩相區(qū)沸騰換熱相比，換熱系數(shù)要小很多即過(guò)大的過(guò)熱度會(huì)造成蒸發(fā)器傳熱面積的浪費(fèi)，引起壓縮機(jī)運(yùn)行工況惡化壽命減弱。

R1234yf系統(tǒng)是在原R134a系統(tǒng)進(jìn)行直接替換進(jìn)行，通過(guò)對(duì)運(yùn)行狀態(tài)分析可知，R1234yf系統(tǒng)比R134a系統(tǒng)相比，其不足之處在于蒸發(fā)器出口過(guò)熱度偏大，造成蒸發(fā)器傳熱面積浪費(fèi)，不利于壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。如圖4（a）所示，在環(huán)境溫度40℃的條件下，制冷劑R1234yf系統(tǒng)比R134a系統(tǒng)的吸氣過(guò)熱度偏高，蒸發(fā)器出口溫度明顯高于R134a系統(tǒng)。其原因在于，R1234yf其本身的熱力學(xué)特性和系統(tǒng)中采用的熱力膨脹閥為沿用R134a系統(tǒng)系統(tǒng)的初始設(shè)定值，對(duì)于R1234yf系統(tǒng)并不適用。可通過(guò)優(yōu)化熱力膨脹閥，設(shè)定膨脹閥開度，減小吸氣過(guò)熱度，改善制冷性能。在環(huán)境溫度50℃下，兩者過(guò)熱度差別不大[5]。說(shuō)明在環(huán)境溫度50℃下，R1234yf與R134a制冷量相當(dāng)，在高于50℃環(huán)境溫度下進(jìn)行兩者系統(tǒng)制冷性能比較沒(méi)有實(shí)際意義。

在壓縮機(jī)到冷凝器之間保證一定的排氣過(guò)熱度，可有效防止制冷劑管道內(nèi)回流。如圖4（b）所示，在環(huán)境溫度40℃和50℃下，制冷劑R134a系統(tǒng)的排氣過(guò)熱度比R1234yf系統(tǒng)略高。R134a系統(tǒng)的排氣溫度較高，有利于冷凝換熱。可提高壓縮機(jī)在中低溫工況下運(yùn)行的可靠性，防止系統(tǒng)出現(xiàn)回液，并延長(zhǎng)壓縮機(jī)的使用壽命。

4? ? 結(jié)論

本文通過(guò)選用目前某項(xiàng)目的成熟定排量壓縮機(jī)汽車空調(diào)系統(tǒng)，將制冷劑更換為R1234yf進(jìn)行直接替代的性能研究，并與相同條件下的R134a系統(tǒng)進(jìn)行性能比較，得到如下結(jié)論：

1、相同的環(huán)境條件下，R134a系統(tǒng)制冷效果略優(yōu)于R1234yf系統(tǒng)。R1234yf系統(tǒng)若要獲得與R134a系統(tǒng)相當(dāng)?shù)闹评淞浚瑒t需要更大的制冷劑體積流量，即更高的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速或者更大的壓縮機(jī)排量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2、在實(shí)際制冷循環(huán)中，保持一定的冷凝過(guò)冷度，對(duì)增大制冷循環(huán)的制冷量是有利的。由于R1234yf系統(tǒng)過(guò)冷度低于R134a系統(tǒng)。為了提高R1234yf制冷性能，可采用同軸管進(jìn)行二次換熱，增大系統(tǒng)制冷效率。

3、由于R1234yf本身熱力學(xué)特性和其實(shí)在原R134a系統(tǒng)進(jìn)行直接替換進(jìn)行，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)R1234yf系統(tǒng)比R134a系統(tǒng)相比，其不足之處在于蒸發(fā)器出口過(guò)熱度偏大，造成蒸發(fā)器傳熱面積浪費(fèi)，不利于壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。可通過(guò)優(yōu)化熱力膨脹閥，設(shè)定膨脹閥開度，減小吸氣過(guò)熱度，改善制冷性能。

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