制冷劑R1234yf物性及應用發展研究＊

宋明浩，張鐵臣，汪琳琳

（1.河北工業大學能源與環境工程學院，天津 300401；2.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

前言

現在絕大多數汽車空調系統使用的制冷劑是R134a，這種制冷劑屬于HFC類制冷劑，由于其高達1430的GWP值，加劇了溫室效應，在一定年限前將禁止使用。由霍尼韋爾和杜邦公司聯合推出的新型化合物制冷劑R1234yf成為替代R134a的新型制冷劑之一。R1234yf又稱四氟丙烯，其分子式為CF3CF=CH2，其OPD指數為0，GWP指數僅為4，完全符合如今制冷劑“零ODP、低GWP”的需求。美國機動車工程師學會對R1234yf作為汽車空調制冷劑進行了測試和研究[1]，確定其安全性和可靠性，可以作為下一代新型制冷劑使用，R1234yf成為替代R134a的新型制冷劑之一。

因為R1234yf屬于人工合成的制冷劑，對于其與R134a的物性方面的差異，導致其直接替換現行R134a系統的性能和運行條件上有所差異，許多學者對R1234yf與R134a在物理、熱力學性質、傳熱性質和系統實驗等方面的差異性等進行相關研究并提出改進方案。本文對R1234yf和R134a的物性參數進行了比對，并根據文獻分析了R1234yf傳熱性質，分析兩者在系統實驗中性能的差異和各自的不足，并根據文獻研究指出改進的方向與未來的發展。

1 R1234yf物性研究進展

作為R134a替代制冷劑，R1234yf首先要滿足環保無害、優良的熱力學性能、安全性等因素。下文根據文獻中的研究，分析了R1234yf的以上性質。

1.1 基本性質

R1234yf具有與R134a接近的熱力學性質。在表1[2-3]中可以看出，R1234yf的GWP和大氣壽命分別為4和11天，遠遠低于R134a；其安全等級為A2L，相較于R134a具有略微的可燃性；R1234yf氣相密度比R134a高16%，液相密度低10%，液體導熱系數和液體粘度低20%左右；R1234yf潛熱比R134a略低，這導致其換熱性能會有所減弱；而R1234yf的沸點為-29℃，比R134a更低，更加適合低溫工況下工作。

表1 R1234yf與R134a主要性質對比[2-3]

1.2 基本性質

制冷劑的安全問題一直是新型制冷劑能否被行業接受的關鍵因素。R1234yf被美國采暖、制冷和空調工程師協會（ASHRAE）評定為A2L，具有輕微的可燃性。相較于其他制冷劑來說，R1234yf具有更低的燃燒區域、燃燒速度和更高的點燃能量[4]?；裟犴f爾公司進行了明火點燃試驗，結果表明R1234yf在發動機側的可燃性風險和R134a相同。然而在更復雜的環境條件下，R1234yf的可燃極限會隨其變化。R1234yf在不同濕度下的可燃極限隨之變化，隨著濕度的增加，R1234yf的可燃極限區間在增加，這增加了燃燒的可能性。這也是現今R1234yf被部分地區限制使用的原因之一。為了減小制冷劑的可燃極限范圍，可以使用R134a作為阻燃劑，加入阻燃劑能降低R1234yf的火焰傳播速度。

除了可燃性，霍尼韋爾也對R1234yf完成了毒性檢測[4]，認為R1234yf屬于低毒類化學物質，當吸入時可引起嗜睡和注意力不集中，頭暈眼花，眼睛、皮膚和呼吸道系統不適，其毒性低于R134a。

1.3 傳熱性質

1.3.1 冷凝傳熱

對于R1234yf的傳熱系數，研究其在各種管路中的不同對改善R1234yf的傳熱過程有著重要意義。Yang[5]的實驗數據顯示兩種制冷劑的傳熱系數都隨著質量流速和蒸汽干度的增加而增加。在低質量流速下，R1234yf和R134a的結果相近；在高質量流量下，R1234yf的冷凝傳熱系數比R134a低約10%?？傮w來說，R1234yf的冷凝傳熱系數要略小于R134a。

除此之外，溫度對冷凝換熱的影響有著很大的影響。隨著飽和溫度的升高，在相同質量流速下，液體與氣體密度比和液體導熱率逐漸降低[6]；當冷凝溫度越低時，粘度越小，管壁上形成的液膜厚度更小，減少了熱阻；同時液相導熱系數越大，通過液膜的換熱量更大；以及R1234yf對應的氣液兩相飽和狀態焓差增大，即相變潛熱變大，相同的流量下釋放更多的熱量。這幾點使得制冷劑的傳熱系數隨著實驗飽和溫度的升高而降低，這一差距在高質量流速下更加明顯，其原因是高質量流速下，與壁面換熱的液膜厚度更小，加強了飽和溫度對換熱的影響。

另一方面，工質在冷凝器中的壓降大小也是衡量工質性能的重要因素。由于R1234yf的高氣體密度和低液體粘度與氣體粘度，使其具有低于R134a的壓降。較高的氣體密度導致了在相同的質量流速和蒸汽干度下，具有更低的蒸汽速度，導致壓降減??；而低液體和氣體粘度導致流動阻力減小，又會增加壓降。綜合的來看，兩者的共同作用導致R1234yf和R134a在不同的流動情況下具有較為相似的壓降梯度。R134a的冷凝壓降逐漸比R1234yf大，最大值為20%[5]，質量流速的提升會加快這一轉變，更大的壓降也會惡化制冷劑的壓力工作環境，所以相較于R134a，R1234yf具有更好的壓降性能。

1.3.2 沸騰傳熱

對于R1234yf與R134a的沸騰傳熱系數，在圓形微通道和圓管中兩者的傳熱系數大小相似。而Yang[7]在內徑4mm的圓管內中的實驗中顯示R1234yf的沸騰傳熱系數小于R134a，并認為蒸汽干度和質量通量對換熱的影響顯著。數據顯示在整個實驗范圍內，蒸汽干度和質量流速較小時R1234yf的沸騰傳熱系數和R134a的相似，在其他情況下，R1234yf的傳熱系數均小于R134a；Anwar[8]探究了干燥現象出現的規律，R1234yf在更低的熱通量下出現了干燥現象，這一現象與其汽化潛熱值較小有關，和R134的汽化潛熱的差異成正比。

對于現在常用的蒸發器微通道管路，部分為矩形，在矩形管中的傳熱特性不同于在圓管[9]。相較于圓管，矩形管道的表面應力對流動傳熱的影響更大尤其是在低質量流速下。矩形管路中在低質量流速下的表面張力將液體拉到流動通道的角落，大部分冷凝液體仍然聚集在流道的拐角處。這在管壁上形成了一層非常薄的液膜，其性能類似于環形流，這一現象在高質量流速下更加明顯，而R1234yf的表面張力相較于R134a來說更小，形成的液膜厚度更大，同時液體導熱系數更小，兩者同時作用，使得矩形微通道管路中R1234yf的傳熱性能小于R134a。

2 R1234yf發展方向研究

2.1 熱泵系統研究

對于在空調系統中的性能研究顯示，R1234yf相較于R134a具有更低的排氣溫度，更高的壓縮機功耗和較低的能力，其中更低的排氣溫度使得R1234yf具有更穩定的壓縮機運行狀況。而從系統能力來看，兩者在制冷和熱泵工況下差距不大，R1234yf制冷量/制熱量比R134a低，但在制熱情況下，隨著蒸發溫度的降低，兩者的差距逐漸縮小，R1234yf在-20℃的蒸發溫度下其制熱量與R134a相當，隨著室外溫度的降低，R134a和R1234yf的換熱能力差距逐漸減小。R1234yf系統的壓縮機功耗高0.76%～5.18%[10]。R1234yf由于其物性的影響，更適合在低溫熱泵下工作，盡管R1234yf 的換熱能力較小，但由于 R1234yf具有更高的氣相密度，帶來更高的質量流量，這一優勢彌補了部分換熱不足的影響，使得兩者之間差距較小。

2.2 系統優化改善研究

針對R1234yf在傳熱系數及潛熱較小帶來的不利影響，對其從結構上進行優化是許多學者研究的內容。其一是增設回熱器提高系統的熱量利用，進而增加冷凝器出口的過冷度和壓縮機進口的溫度，既改善了系統的換熱效率，也有利于系統的穩定。張耘[11]使用KULI對中間回熱器設計進行優化，在驗證了模型的準確性后，采用管長600mm，肋片數6，液外氣內的結構的同軸管。使用這種回熱器的R1234yf系統制冷量提升了15.7%，COP提升了10%；與原R134a系統相比的制冷量提高3.2%，COP提高2.7%。

另一種方法是使用強化補氣技術（EVI），這種方法相較于R134a系統來說，對R1234yf系統的增益更加明顯。劉雨聲[12]在采用EVI的熱泵系統進行試驗，制熱量與COP相比不使用強化補氣技術的R1234yf系統提升30%和14%。采用R1234yf制冷劑的EVI熱泵系統制熱量與COP分別比采用R134a制冷劑的EVI熱泵系統低6.7%和4.5%；Li[13]對R1234yf針對低溫工況在熱泵臺架中使用了EVI技術，并與同樣工況下的R134a熱泵實驗進行了比對，在10℃和20℃時，采用EVI的R1234yf熱泵系統能力提升很大，分別為27.4%和19.9%；與之相比，R134a熱泵系統提升為27.1%和17.1%。

2.3 混合工質研究

另一種解決R1234yf換熱不足問題的方法是使用混合工質，即將R1234yf與其他工質以一定比例混合，許多學者通過研究混合工質中R1234yf的質量比重來改善其換熱能力不足和易燃的缺點。楊夢[14]等人對R134a/R1234yf（56：54）制成的混合工質R513A進行了研究，R513A不可燃，無毒，具有較R134a更為出色的制冷性能。但由于R513A的GWP值為570，遠大于R1234yf，其在汽車空調的應用前景并不明朗。隨后孟照峰等[15]在使用微通道換熱器的汽車空調系統中，使用R1234yf/R134a（質量分數比為89∶11）替代R134a實驗，測得混合制冷劑 R1234yf/R134a和R134a的制冷量接近，COP 相較于R134a低4%～9%，其GWP值低于150，符合F-gas 法規。可見在混合工質中R134a所占的比重越多，其汽化潛熱值越高，換熱性能越好，但同時，GWP也會有所增長，不利于環保于推廣；而隨著R1234yf比重的增加，其換熱性能會有所下降，但混合后的工質氣體密度增加，有利于產生更大的質量流量，同時也繼承了R1234yf壓降小，排氣溫度較低等優點。綜合來看，R1234yf與R134a混合工質中的比重分配需要衡量更多的因素。

3 結論

對于制冷劑 R1234yf，其物性與 R134a 相近且更為環保。從安全性來看，R1234yf 具有較低的可燃性與毒性。R1234yf 在換熱方面較 R134a 略有下降，但其具有壓降小，質量流量高，排氣溫度低和在優良的低溫制熱性能等優點。此外，R1234yf系統可以通過增加回熱器、 強化補氣技術或使用其與R134a 混合組成的制冷劑來增強其換熱能力。綜上所述，R1234yf作為新型環保制冷劑之一，具有一定的應用前景。