制冷劑R1234yf在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉 河

（中國電器科學(xué)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510000）

隨著環(huán)境保護(hù)和能源效率意識的不斷增強，汽車空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑選擇成為一個備受關(guān)注的議題。由于傳統(tǒng)的R134a 制冷劑對大氣臭氧層具有破壞性影響，逐漸受到限制和淘汰，因此制冷劑行業(yè)不斷尋找替代品，其中R1234yf成為備受關(guān)注的選擇之一。該文旨在深入探討R1234yf 在汽車空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力，通過試驗和模擬研究其性能特點，并關(guān)注不同環(huán)境條件下的性能差異，包括溫度和濕度變化對系統(tǒng)效率的影響。此外，還考察了調(diào)整壓縮機內(nèi)部控制閥對系統(tǒng)性能的影響和可能的系統(tǒng)優(yōu)化方法。

1 試驗裝置

試驗裝置包括4 個基本系統(tǒng)：1）用于蒸發(fā)器的閉式空氣回路，包括離心風(fēng)機、電阻加熱器、加濕設(shè)備和相關(guān)控制。2）用于冷凝器的閉式空氣回路，包括離心風(fēng)機、冷卻器、電阻加熱器和相關(guān)控制。3）制冷劑回路，包括微通道蒸發(fā)器、微通道冷凝器、變?nèi)萘繑[板壓縮機和節(jié)流閥，所有組件均來自典型歐洲緊湊型汽車的空調(diào)系統(tǒng)。4）儀器系統(tǒng)。

入口空氣溫度由蒸發(fā)器和冷凝器的2 個閉式空氣回路控制，它們的風(fēng)道配置提供了熱交換器入口面的均勻溫度和速度分布。體積空氣流速使用ISA 1932 噴嘴，并根據(jù)ISO 5167-4：2003 的要求測量，精度為所測值的±0.8%。一個冷卻器向交叉流熱交換器提供調(diào)節(jié)水，以保持冷凝器入口空氣溫度接近所需值。然后，位于冷凝器上游的PID 控制的電阻加熱器根據(jù)所需值控制入口空氣溫度。一個類似但獨立的系統(tǒng)根據(jù)所需值控制蒸發(fā)器入口干球空氣溫度。遠(yuǎn)離蒸發(fā)器上游的工業(yè)蒸氣發(fā)生器控制相對濕度，確保在蒸發(fā)器入口面上保持相同的環(huán)境條件。使用9 個均勻間隔的T 型熱電偶測量，蒸發(fā)器使用6 個均勻間隔的T 型熱電偶測量冷凝器的平均入口空氣溫度。在每個熱交換器后，空氣在被9 個均勻間隔的T 型熱電偶單獨測量前經(jīng)過充分混合。對于空氣回路和制冷劑系統(tǒng)，使用精度為±0.02℃的Pt-100 鉑電阻溫度計來校準(zhǔn)溫度測量系統(tǒng)（由熱電偶、電子冰點和多用表組成），精度為±0.05℃。蒸發(fā)器空氣回路的相對濕度（RH）的2 種測量方式如下：1）使用精度為±3%RH的容量傳感器。2）使用負(fù)荷電池測量在指定時間內(nèi)凝結(jié)的水量，精度為±0.5g。

校準(zhǔn)的T 型熱電偶測量每個主要組件前、后的制冷劑溫度。隔膜式差壓傳感器測量蒸發(fā)器和冷凝器的壓降，精度為0.1kPa。應(yīng)變計壓力傳感器測量蒸發(fā)器中的絕對壓力，精度為±0.8kPa，冷凝器中絕對壓力的精度為±1.6kPa。

通過測量的溫度和壓力值，使用P-R EoS 的版本計算制冷劑焓，與溫度為220～360K 的飽和數(shù)據(jù)相比，預(yù)測結(jié)果落在-1%～+1%。

位于液體管路中的Coriolis 流量計測量制冷劑質(zhì)量流速，精度為所測值的±0.1%。

異步電動機驅(qū)動壓縮機。光學(xué)系統(tǒng)測量壓縮機速度，精度為所測值的±0.01%。位于電動機與壓縮機耦合軸上的扭矩計測量扭矩，精度為所測值的±0.2N·m。對于速度為900r/min 和2500r/min 的壓縮機，機械功率傳遞到制冷劑的擴展不確定性小于2%，壓縮機速度為4000r/min 時不確定性小于3%。

空氣側(cè)傳熱率測量的總擴展不確定性為±1%。蒸發(fā)器和冷凝器的制冷劑側(cè)傳熱率測量的總擴展不確定性分別為±4%和±3%[1]。

2 測試條件

所測試的系統(tǒng)是一輛典型的基于R134a的歐洲緊湊型汽車，其壓縮機體積流量為7.8m3/h 時的名義制冷容量為5.8kW。共測試了4 個系統(tǒng)。1）基準(zhǔn)的R134a 系統(tǒng)。2）與i 相同的系統(tǒng)，使用基準(zhǔn)TXV 設(shè)置的R1234yf 的最佳充氣。3）使用R1234yf 優(yōu)化過的TXV 設(shè)置的ii 系統(tǒng)。4）使用變?nèi)萘繅嚎s機控制閥停用的iii 系統(tǒng)。雖然操作條件并沒有完全復(fù)制實際的車輛條件，但它們被選擇為典型的歐洲條件。特別是它們包括3 種壓縮機速度、3 種環(huán)境溫度（蒸發(fā)器和冷凝器的入口空氣溫度）和蒸發(fā)器入口空氣流中的2 個相對濕度值。蒸發(fā)器和冷凝器風(fēng)扇速度（空氣質(zhì)量流速）在整個測試中保持不變（雖然在實際車輛中并非如此，但這降低了測試矩陣的復(fù)雜性，同時仍允許比較R1234yf相對R134a 的性能潛力）[2]。

3 結(jié)果與討論

該文進(jìn)行了超過140 次的穩(wěn)態(tài)測試。蒸發(fā)器和冷凝器的空氣側(cè)和制冷劑側(cè)能量平衡的最大相差不超過4%[3]。確定了每種系統(tǒng)配置的最佳制冷劑充注量。在每種情況下，冷凝器和蒸發(fā)器的空氣側(cè)條件均為35°C 和相對濕度40%。冷凝器和蒸發(fā)器的空氣體積流量分別為1600m3/h 和400m3/h。

可變?nèi)萘繅嚎s機的內(nèi)部控制閥采用工廠設(shè)置，根據(jù)R134a 來調(diào)節(jié)壓縮機的容量。具體來說，壓縮機的內(nèi)部閥控制動作根據(jù)吸氣和排氣壓力間的差值來控制排量，同時壓縮機試圖將蒸發(fā)壓力保持在恒定值。吸氣壓力只是蒸發(fā)器出口壓力減去吸氣管道的壓力降。對于固定的空氣入口條件和固定的節(jié)流閥（TXV）設(shè)置，蒸發(fā)器壓力是制冷劑的熱物性和制冷劑質(zhì)量通量的函數(shù)，二者會影響管內(nèi)傳熱系數(shù)和制冷劑側(cè)壓降（因此也影響局部飽和溫度）[4]。

BC 線的位置由控制閥設(shè)置確定。通過調(diào)整彈簧，可以將BC 線相對其基線位置向上或向下移動。無論如何，在BC 線以下的操作條件是不可能的。值得注意的是，如果不更改閥門設(shè)置，由于R1234yf 的飽和溫度與R134a 略有不同，線AB 和線CD 將導(dǎo)致出現(xiàn)不同的制冷劑溫度（壓力固定）。因此，需要要驗證的是，對于給定的制冷劑，線CD不會導(dǎo)致蒸發(fā)器出口的飽和溫度低于0℃。相同系統(tǒng)的蒸發(fā)器過熱值如圖1 所示。

圖1 蒸發(fā)器制冷劑過熱值

在圖1 中，“插入”系統(tǒng)的過熱值明顯高于R134a 系統(tǒng)。為了獲得更合理的R1234yf 系統(tǒng)的過熱值，該文對節(jié)流閥進(jìn)行了修改（系統(tǒng)iii 在圖1 中稱為“TXV 調(diào)諧”），從其原始設(shè)置的0℃時0.20 兆帕表升至0℃時0.29 兆帕表。與蒸發(fā)器類似，相同系統(tǒng)的試驗壓縮機排氣壓力如圖2 所示。

圖2 壓縮機制冷劑排放壓力

關(guān)于轉(zhuǎn)向制冷量和COP，系統(tǒng)i 和ii 相對R134a 基線系統(tǒng)的制冷量偏差如圖3 所示，相同系統(tǒng)的COP偏差如圖4 所示。

圖3 相對冷卻能力

在圖3、圖4 中，偏差定義如公式（1）所示。

式中：y為制冷量；ε為COP偏差。

如圖3 所示，即使經(jīng)過調(diào)諧的TXV，R1234yf系統(tǒng)的制冷量仍然嚴(yán)重不足。因此，調(diào)整R1234yf閥門控制的一種方法是修改口特性（即流量系數(shù)和口截面）。第二種可能性是簡單地改變閥門彈簧的預(yù)緊力。

對于往復(fù)式正位移壓縮機，排量體積如公式（2）所示。

式中：DISP*是幾何排量；N是轉(zhuǎn)速（以r/min 為單位）；ηvDISP是體積效率；ρSUC是吸氣密度；m是制冷劑質(zhì)量流量。

轉(zhuǎn)速為900r/min 時，新的閥門設(shè)置可以實現(xiàn)最大排量（接近100%的值。DISP*會受體積效率的影響而變小）。盡管進(jìn)行了這種修改，但系統(tǒng)仍然無法在35℃的環(huán)境溫度下提供與R134a 相同的冷卻量。在25℃的環(huán)境溫度、2500r/min 條件下可以實現(xiàn)與R134a 系統(tǒng)相同的冷卻量，但在其他壓縮機轉(zhuǎn)速下則不行。最后，在15℃的環(huán)境溫度下，系統(tǒng)在所有壓縮機轉(zhuǎn)速下均實現(xiàn)了比R134a 基線系統(tǒng)更大的冷卻量。

在15℃的環(huán)境溫度下，R1234yf 具有更大的冷卻能力，導(dǎo)致R1234yf 的蒸發(fā)器入口溫度較低。隨著環(huán)境溫度的升高，不匹配程度會降低。因此，在15℃的環(huán)境溫度下，R1234yf 的蒸發(fā)器出口壓力和溫度低于R134a。

值得注意的是，在壓縮機內(nèi)部控制閥的調(diào)節(jié)作用下，即使在15℃的環(huán)境溫度下，壓縮機也不會循環(huán)，原因是空氣出口溫度始終高于3℃。

盡管R1234yf 的排氣壓力始終高于R134a（唯一的例外是35℃的環(huán)境溫度、2500r/min 的條件），但鑒于R1234yf 的熱力學(xué)性質(zhì)，R1234yf 的排氣溫度始終低于R134a 是可以預(yù)期的。

4 結(jié)語

通過該文的試驗和模擬結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：制冷劑R1234yf 在汽車空調(diào)系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。盡管在某些條件下可能存在性能挑戰(zhàn)，但通過優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)整壓縮機控制，這些問題可以得到有效解決。此外，該文通過引入“增強型”系統(tǒng)的概念，進(jìn)一步提高了R1234yf 系統(tǒng)性能。在應(yīng)對氣候變化和環(huán)境保護(hù)方面，R1234yf 的應(yīng)用提升了汽車制冷系統(tǒng)的可持續(xù)性和環(huán)保性能，并將在未來的汽車工業(yè)中起到重要作用。