R1234yf和R134a制冷及制热性能实验研究

柴玉鹏 马国远 许树学 丁若晨 俞丽华



R1234yf和R134a制冷及制热性能实验研究

柴玉鹏1马国远1许树学1丁若晨1俞丽华2

（1.北京工业大学环境与能源工程学院 北京 100124；2.中国计量科学研究院 北京 100013）

通过搭建实验台，对R1234yf的制冷及制热性能进行测试，并与R134a进行比较。测试结果表明，相同工况下，采用同一压缩机，R1234yf的排气温度更低，能在更大的工况范围内运行；R1234yf功耗比R134a高0.76%～5.18%；R1234yf的制冷量和制冷COP与R134a相比因工况的不同而大小不同；R1234yf的制热量和制热COP与R134a相比分别小0.75%～27.08%和1.50%～29.96%。

R1234yf；R134a；制冷性能；制热性能；COP

0 引言

当前，随着环保问题的紧迫，全球范围内的HCFCs替代问题日益提上日程。《蒙特利尔议定书》缔约方第19次会议[1]提出并通过了加速淘汰HCFCs的修正案。目前天然工质、HFCs、HCs及它们的混合物是HCFCs主要使用的替代工质。HFCs的ODP为0，但大多数HFCs具有较高的GWP，并且大气寿命长，大量使用会使全球变暖。从长远来看，HFCs制冷剂也要遭到淘汰。HCs大多易燃，使用时比较危险。2006年6月14日，欧盟通过F-gas法规[2]，规定2011年开始，所有新开发平台的汽车空调系统中不能使用GWP>150的制冷剂，到2017年，所有销售的汽车空调系统中，不得使用GWP>150的制冷剂。

第四代制冷剂R1234yf作为R134a制冷剂的主要替代品引起了人们的注意。众多的研究者针对其基础物性进行了研究。王博等[3]发表了R1234yf的物理特性、环境特性、燃烧特性、毒性、材料相容性的论文。文献[4-7]研究了R1234yf在不同纯度、不同温度下的饱和蒸气压。吕萍等[8]基于前人的研究，拟合得到了一个四项Wagner型R1234yf蒸气压专用方程，适用温度范围为224.120～366.005K。姜昆等[9]基于Peng-Robinson通用状态方程，采用基团贡献原理以及多项式拟合方法，建立了符合精度要求的新型LGWP制冷剂R1234yf的热物性模型，并求解得到了较为全面的R1234yf热物性数据。新发现的环保制冷剂R1234yf性质与R134a极其相似，可以用于替代R134a在汽车空调中使用[10]。Arif Emre Ozgur等[11]运用热力学定律研究了R1234yf与R134a分别在蒸汽压缩制冷循环中的有用功损失率，结果发现R1234yf的有用功损失率低于R134a。余鹏飞等[12]建立制冷系统模型，对汽车空调新型制冷剂R1234yf替代R134a的制冷系统进行了性能分析，结果表明在冷凝温度为50℃，蒸发温度在0～18℃，R1234yf相对R134a制冷剂，COP低4.3%～6.9%；压缩机功率高4.2%～6.4%。曹霞[13]分别在汽车空调台架测试和实车性能试验结果表明，直接充注R1234yf制冷剂后，系统制冷量和COP与原R134a系统偏差均在5%左右。Jignesh Gohel等[14]在汽车空调系统中用R1234yf替代R134a进行热力循环分析，结果表明：在冷凝温度35℃或55℃时，R1234yf的制冷效果和COP在中间冷却或不进行中间冷却的系统中都低于R134a，但带有中间冷却器且冷凝温度较低时两者的差距较小。J Navarro-Esbri等[15]在中间冷却蒸汽压缩制冷系统中用R1234yf替代R134a的实验研究得到了与文献[14]相似的结论。E Navarro等[16]在活塞式制冷压缩系统中对R1234yf、R134a、R290进行实验研究，结果表明R1234yf的排气温度比其他制冷剂低10℃左右，热损失小于R134a，但高于R290。魏新利等[17]建立了以R134a为工质的两相喷射器热力学模型，结果表明：随蒸发温度的升高或冷凝温度的降低，喷射器最优混合压力的取值点越靠近引射压力，喷射系数增加，系统COP升高。王林等[18]则以R1234yf作为喷射制冷循环工质，建立了喷射制冷循环热力学数学模型，研究结果表明：相同的工况下，采用R1234yf为工质喷射制冷循环可获得最高喷射器喷射因数和最大制冷量，但R1234yf的COP较R134a低7.0%。金听祥等[19,20]首先对R1234yf在家用空调中替代R22进行理论分析，得出其替代的可行性；接着进行了试验研究，结果表明，标准工况下R1234yf制冷量比R22低28%，COP低0.25，排气温度低7℃。高温工况下R1234yf的性能比R22好，COP比R22高0.02，排气温度低12.7℃。

综上，人们对于R1234yf的研究大都停留在理论或制冷研究阶段，针对R1234yf的低温工况制热的研究较少。实验室[21,22]致力于热泵/制冷机组的研究已有多年，本文搭建了热泵系统实验台，基于国产某品牌的涡旋压缩机对R1234yf的制冷和制热性能进行实验研究，并与R134a进行比较，为进一步设计完善R1234yf系统提供指导。

1 R1234yf的基本物性

R1234yf是Honeywell和DuPont联合开发用于R134a替代的新型汽车制冷剂，表1所示为R134a和R1234yf的热物理和环保特性。

表1 R1234yf与R134a的热物理和环保特性

R1234yf的安全等级是A2L，具有弱可燃性，但在实际使用中足够安全[23]。其次，R1234yf对碳钢、不锈钢、铜和黄铜等金属材料不具有活性和腐蚀性，但与铝、镁、锌反应，与塑料、橡胶等弹性体相容性均在标准范围内[24]。

2 实验过程

采用第二制冷剂量热器法对R1234yf系统进行实验研究，原理如图1所示。工作过程如下：压缩机排出的高温、高压制冷剂气体，经壳管式水冷冷凝器将热量传递给水后变为制冷剂液体。从冷凝器出来的高压制冷剂，经手动膨胀阀节流后进入蒸发器，在蒸发器吸收量热罐内第二制冷剂的热量，蒸发变为低压制冷剂气体，然后被压缩机吸入，构成了一个封闭的工作循环。

图1 R1234yf热泵系统实验装置

表2 主要实验仪器

为了更好的评价系统的性能，本实验对其主要部位的温度传感器、压力传感器及冷却水水流量计、压缩机功率计、量热器功率计等仪器仪表进行了标定，其主要测量仪器仪表见表2。

对机组的运行性能进行测试时需直接测量的参数包括：吸气温度及压力、排气温度及压力、冷凝器进出口温度及压力、冷却水进出口温度、冷却水流量、过冷温度及压力、压缩机功率、量热器出口温度及出口压力、量热器功率。通过PID控制仪表进行控制，并保证各参数值恒定，测试数据由数据采集器进行采集。需间接测量的量为：冷却水进出口温差、制热量Q、制热COP、制冷COP。

冷却水进出口温差为：

制热量计算公式为：

式中，Q为单位时间制热量，kW；为水的比热容，kJ/(kg·℃)；为水的密度，kg/m3；为水单位时间内的体积流量，m3/s；为冷却水进出口温差，℃。

制热COP计算公式为：

制冷COP计算公式为：

式中，Q为制冷量，即量热器功率，kW。

采用标准不确定度的B类评定方法[25]，经计算可知本实验制热量及性能系数的最大误差分别约为4.5%、2.0%。实验工况如下：冷凝温度45℃，蒸发温度-25～0℃，过冷度5℃，吸气过热度分别为3～11℃。

3 实验结果与分析

图2所示为排气温度随过热度的变化曲线。由图2可知，随着过热度的升高，压缩机的排气温度逐渐升高，在相同工况下，R1234yf的排气温度小于R134a的排气温度。R1234yf的排气温度均低于80℃，R134a的排气温度在105℃以下，两者随过热度的变化趋势相同。在蒸发温度为-10℃时，R1234yf的排气温度较R134a低11.96℃～14.11℃；蒸发温度为-20℃时，R1234yf的排气温度相比R134a降低20.92℃～24.57℃，平均降低22.33℃。表明同一系统使用R1234yf制冷剂替代R134a，可以提高压缩机在中低温工况下运行的可靠性，并延长压缩机的使用寿命。

图2 排气温度随过热度的变化

图3所示为排气温度随蒸发温度的变化曲线。由图3可知，随着蒸发温度的逐渐降低，压缩机的排气温度逐渐升高，并且在相同工况下R1234yf的排气温度小于R134a的排气温度。蒸发温度为0℃时，R1234yf的排气温度相比R134a降低8.72℃，随着蒸发温度逐渐降低，二者的排气温度差值逐渐增大，在-20℃蒸发温度时，R1234yf系统的排气温度为74.91℃，R134a系统的排气温度为99.49℃，相比降低24.57℃，甚至R1234yf系统在蒸发温度为-25℃时的排气温度都较R134a在蒸发温度为-20℃的排气温度低，这进一步说明了在低温工况下用R1234yf替代R134a的系统可以提高压缩机的可靠性，并且比R134a具有更宽的工作范围。

图3 排气温度随蒸发温度的变化

图4所示为压缩机功耗随蒸发温度的变化曲线。由图4可知，蒸发温度较低时，两种情况下的压缩机消耗功率相差不大，随着蒸发温度逐渐升高，两种情况下的压缩机消耗功率差值逐渐增大。R1234yf的压缩机消耗功率大于R134a的压缩机的消耗功率，前者比后者大0.76%～5.18%。R1234yf系统压缩机消耗功率较大的原因是由于在相同环境下R1234yf的汽化潜热小于R134a的汽化潜热，若在相同制冷量的条件下，R1234yf的充注量较R134a的多，导致压缩机的吸、排气量比较大，压缩机消耗功率增大。

图4 压缩机功率随蒸发温度的变化

图5-图6所示为制冷量和制冷COP随蒸发温度的变化曲线。由图5-图6可知，随着蒸发温度的逐渐升高，制冷/热泵系统的制冷量和制冷COP逐渐增大。在相同测试工况下，蒸发温度较低时，R1234yf的制冷量和制冷COP均大于R134a的制冷量和制冷COP；蒸发温度较高时，则反之。蒸发温度为-20℃时，前者的制冷量、制冷COP分别比后者大5.44%、4.65%；蒸发温度为0℃时，前者的制冷量、制冷COP分别比后者小7.34%、11.90%；而蒸发温度为-16℃左右时，二者的制冷量、制冷COP基本相当。R1234yf系统的制冷量增加的变化率小于其对应的压缩机消耗功率增加变化率，从而导致R1234yf系统制冷COP的效果相比于R134a的较低或相当或较高。

图5 制冷量随蒸发温度的变化

图6 制冷COPc随蒸发温度的变化

图7-图8所示为制热量和制热COP随蒸发温度的变化曲线。由图7-图8可知，随着蒸发温度的逐渐升高，系统的制热量和制热COP逐渐增大。R1234yf的制热量和制热COP均小于R134a系统的制热量和制热COP，蒸发温度越低，两者的制热量和制热COP相差越小，蒸发温度为-20℃左右时，二者的制热量和制热COP基本相当，但总体来看前者的制热量比后者小0.75%～27.08%，前者的制热COP比后者小1.50%～29.96%。R1234yf系统制热量较小的原因是由于虽然R1234yf的充注量较大，但R1234yf的汽化潜热较低，导致R1234yf系统的制热量低于R134a。由图4、图7可以看出R124yf系统的制热量增加的变化率小于与其对应的压缩机消耗功率增加的变化率，导致其产生制热COP的效果不佳，低于R134a。

图7 制热量随蒸发温度的变化

图8 制热COPh随蒸发温度的变化

4 结论

本文搭建了热泵系统实验台，对R1234yf的性能进行实测并与R134a对比，得出的结论如下：

（1）蒸发温度为-10℃时，R1234yf的排气温度比R134a平均降低12.91℃；蒸发温度为-20℃时，R1234yf的排气温度相比R134a平均降低22.33℃。

（2）采用同一台压缩机，相同工况下R1234yf压缩机功耗比R134a高约0.76%～5.18%。

（3）以蒸发温度-16℃为界，低于此温度时，R1234yf的制冷量和制冷COP均大于R134a；高于此温度时，R134a的制冷量和制冷COP高于R1234yf。

（4）蒸发温度-20℃以上，R1234yf的制热量比R134a系统的制热量小0.75%～27.08%，制热COP小1.50%～29.96%。

[1] UNEP Ozone Secretariat. Report of the Nineteenth Meeting of the Parties to the Montreal Protocol on substances that deplete the ozone layer [R/OL]. 2007.

[2] Regulation (EC) No. 842/2006 of the European parliament and of the council of 17 May 2006 [R/OL]. 2006.

[3] 王博,张伟,马洋博,等.第四代制冷剂HFO-1234yf[J].化工新材料,2010,38(8):30-32,40.

[4] K Tanaka, Y Higashi. Thermodynamic Properties of HFO-1234yf (2,3,3,3-tetrafluoroprop-1-ene)[J]. Interna- tional Journal of Refrigeration, 2010,33(3):474-479.

[5] GD Nicola, F Polonara, G Santori. Saturated Pressure Measurements of 2,3,3,3-Tetrafluoroprop-1-ene(HFO- 1234yf)[J]. Journal of Chemical & Engineering Data, 2010,55(1):201-204.

[6] L Fedele, S Bobbo, F Groppo, et al. Saturated Pressure Measurements of 2,3,3,3-Tetrafluoroprop-1-ene(R1234yf) for Reduced Temperatures Ranging from 0.67 to 0.93[J]. Journal of Chemical & Engineering Data, 2011,351 (5):2608-2612.

[7] M Richter, MO Mclinden, EW Lemmon. Thermody- namic Properties of 2,3,3,3-Tetrafluoroprop-1-ene (R1234yf):Vapor Pressure and p-ρ-T Measurements and An Equation of State[J]. Journal of Chemical& Engineering Data, 2011,56:3254-3264.

[8] 吕萍,张康.低GWP制冷工质HFO-1234yf蒸气压方程[J].河南科技大学学报(自然科学版),2014,35(6):30-33.

[9] 姜昆,刘颖,姜莎.新一代制冷剂HFO-1234yf的热物性模型[J].制冷学报,2012,33(5):37-42.

[10] 周子成.一种在汽车空调系统中使用的新制冷剂—HFO-1234yf [J].制冷,2010,29(4):30-40.

[11] AE Özgür, A Kabul, Önder Kizilkan. Exergy analysis of refrigeration systems using an alternative refrigerant (hfo-1234yf) to R-134a[J]. International Journal of Low-Carbon Technologies, 2012,9(1):56-62.

[12] 余鹏飞,李冀静.基于新型制冷剂R1234yf的汽车空调制冷系统的性能分析[J].南京工程学院学报(自然科学版),2015,13(1):16-19.

[13] 曹霞.HFO-1234yf——新一代汽车空调制冷剂[J].制冷与空调,2008,8(6):55-61.

[14] JV Gohel, R Kapadia. Thermodynamic cycle analysis of Mobile Air Conditioning system using HFO-1234yf as an alternative replacement of HFC-134a[J]. International Journal of Science, Engineering and Technology Research, 2016,5(1):234-247.

[15] JNavarro-Esbrí, JMMendoza-Miranda, AMota-Babiloni, et al. Experimental analysis of R1234yf as a drop-in replacement for R134a in a vapor compression system[J]. International Journal of Refrigeration, 2013,36(3): 870-880.

[16] E Navarro, IO Martínez-Galvan, J Nohales, et al. Comparative experimental study of an open piston compressor working withR-1234yf,R-134aandR-290[J]. International Journal of Refrigeration, 2013,36(3): 768-775.

[17] 魏新利,汤本凯,马新灵,等.两相喷射器对压缩-喷射制冷系统性能的影响研究[J].制冷与空调,2014,28(1):1-8.

[18] 王林,白得坡,付文轩.以R1234yf为替代工质的喷射制冷循环特性[J].河南科技大学学报(自然科学版), 2016,37(1):20-25.

[19] 金听祥,徐冉,李改莲,等.HFO-1234yf在家用空调中替代R22的理论分析[J].制冷技术,2014,42(8):55-58.

[20] 金听祥,徐冉,李改莲,等.HFO-1234yf在房间空调器中替代R22的试验研究[J].制冷技术,2014,42(9):44-48.

[21] 俞丽华,许树学,马国远.中间补气对罗茨式水蒸气制冷压缩机工作性能的影响[J].制冷与空调,2016,30(4): 502-507.

[22] 上官继峰,马国远,许树学.R32和R123非共沸混合制冷剂最佳组分比的理论研究[J].制冷与空调,2015,29(3): 330-336.

[23] BH Minor, D Herrmann, R Gravell. Flammability characteristics of HFO-1234yf[J]. Process Safety Progr- ess, 2010,29(2):150-154.

[24] 刘圣春,饶志明,杨旭凯,等.新型制冷剂R1234yf的性能分析[J].制冷技术,2013,33(1):56-59,75.

[25] 费业泰.误差理论与数据处理[M].北京:机械工业出版社,2010:82-86.

Experimental Research on Cooling/Heating Performance Using R1234yf and R134a

Chai Yupeng1Ma Guoyuan1Xu Shuxue1Ding Ruochen1Yu Lihua2

( 1.College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing, 100124;2.National Institute of Metrology, Beijing, 100013 )

The experiment platform was built and tested the cooling and heating performance of R1234yf, and compared with R134a. The results show that, in the same operating conditions and using the same compressor, the discharge temperature of R1234yf was lower, and stable operating conditions was broader; the power consumption of R1234yf was 0.76%～5.18% higher than R134a; the cooling capacity andCOPof R1234yf produced different results with different operating conditions compared with R134a; the heating capacity andCOPof R1234yf were 0.75%～27.08%, 1.50%～29.96% lower than R134a, respectively.

R1234yf; R134a; cooling performance; heating performance; COP

1671-6612（2017）04-435-06

TB61

A

北京市自然科学基金资助项目（3154032）

柴玉鹏（1990.10-），男，在读硕士研究生，E-mail：1205967341@qq.com

许树学（1981.08-），男，工学博士，硕士生导师，E-mail：xsx@bjut.edu.cn

2016-09-09