R1234yf汽车空调性能KULI仿真分析

吴龙兵，苏 林，方奕栋，周国梁

(上海理工大学，上海 200093)

1 前言

2006年5月,欧盟出台了关于汽车空调系统排放物的法规 DIRICTIVE2006/40/EC［1］，该法规规定2011年1月1日起，新生产的车型必须使用GWP值小于150的制冷剂，到2017年1月1日，所有车型必须满足这一要求。

由美国DuPont和Honeywell联合开发的制冷剂R1234yf，其ODP值为0，GWP值仅为4，完全满足相关法规的要求，被认为是R134a的替代汽车空调制冷剂。国内外研究机构和学者对R1234yf的性能与应用做了大量研究。Honghyun Cho等对R1234yf在汽车空调中的性能进行实验研究，并与R134a的性能进行比较,结果显示直接替代的R1234yf系统性能比R134a系统性能低6%左右［2］；SAE的研究表明直接替代的R1234yf系统性能相比R134a系统性能略微下降，通过对系统的优化，可使性能与R134a持平［3］；该机构研究人员对R1234yf系统做了包括改进换热器、调整膨胀阀和压缩机等优化［4］，结果表明优化后的系统性能可与原R134a系统性能持平甚至超过原系统；Joaquín Navarro-Esbrí等用实验对比了有无中间换热器的R1234yf系统和R134a系统的性能，结果显示，直接替代的R1234yf系统性能比R134a系统性能要低6%～13%，增加中间换热器后，性能可提升 6%左右［5］；Latra Boumaraf等的研究中，将喷射器引入空调系统，分析引入喷射器后的R1234yf和R134a系统性能变化，结果显示引入喷射器后的系统性能提升约 17%［6］；赵宇对 R1234yf系统和 R134a 系统性能进行对比分析，并尝试通过膨胀阀、中间换热器等的优化来提升系统性能［7］；从上述研究中可以看出，目前对R1234yf空调系统的研究集中在通过试验手段比较R1234yf和R134a系统性能。此外，用KULI等软件对汽车空调系统进行仿真分析也是常用的研究手段之一。雷舒蓉等用KULI对某商用车空调系统性能进行仿真［8］，并验证了KULI仿真的可行性；胡兵等用KULI建立CO2汽车空调系统模型，分析了中间换热器长度和节流机构流体面积对系统性能的影响［9］。随着计算机和软件技术的发展，仿真模拟逐渐成为产品开发和性能测试过程中可靠有效的方法之一，且能在很大程度上降低研发成本、缩短开发周期［10］。本文尝试用KULI软件建立汽车空调系统仿真模型，对R1234yf系统进行仿真分析，将其与R134a系统进行比较，并在直接替代的基础上，在R1234yf系统中引入中间换热器，分析中间换热器在R1234yf系统中的作用。

2 仿真模型的建立

2.1 压缩机模型

压缩机是空调系统中最重要的部件之一，其中2个重要参数是容积效率和等熵效率。

容积效率：

式中 m——制冷剂质量流量，kg/s

ρ——压缩机入口制冷剂密度，kg/m3

n——压缩机转速，r/min

Vh——压缩机排量，m3

等熵效率：

式中 hout——压缩机出口焓值，kJ/kg

hin——压缩机进口焓值，kJ/kg

Δhi——等熵焓差，kJ/kg

本文所选压缩机排量为120 cm3定排量压缩机。

2.2 换热器模型

目前汽车空调中的换热器已越来越多采用如图1所示的微通道平行流换热器。本文所选换热器模型参数见表1。

图1 微通道平行流蒸发器结构

表1 仿真模型换热器参数

2.3 计算模型

本文利用KULI软件建立汽车空调系统仿真模型。KULI是一款系统级的热平衡匹配软件，在汽车热管理、发动机冷却以及空调系统方面有着广泛的应用，本次仿真用到的是其中的Base和HVAC模块，选用的制冷剂R134a和R1234yf参数从NIST中调用。

依据制冷剂循环建立的制冷剂侧计算模型如图2所示。根据空气的流动建立的空气侧计算模型如图3所示。

图2 制冷剂侧KULI计算模型

图3 空气测KULI计算模型

图4 为引入中间换热器后的制冷剂侧计算模型，中间换热器采用简单的管套式换热器，冷、热流体分别走管外和管内。中间换热器连接冷凝器出口和蒸发器出口，使冷凝器出口的高温制冷剂与蒸发器出口的低温制冷剂换热，提高冷凝器过冷度的同时防止压缩机发生液击。

图4 带中间换热器的制冷剂侧计算模型

2.4 仿真工况

本文选用汽车空调常用工作条件作为仿真工况，环境温度为25～45 ℃，空气相对湿度为40%～60%，压缩机转速在1000～4000 r/min之间，具体工况设置见表2。

表2 仿真工况设置

3 系统仿真分析

图5，6分别为各工况下压缩机排气温度和排气压力的对比图。

图5 压缩机排气温度对比

图6 压缩机排气压力对比

从图可以看出，无论是R1234yf系统还是R134a系统，压缩机排气温度和排气压力均随转速增大而升高，直接替代的R1234yf系统压缩机排气温度和排气压力低于对应的R134a系统，排气温度差值在15 ℃左右。直接替代的R1234yf系统中，压缩机的工作情况有所改善。而增加中间换热器后的R1234yf系统排气温度和排气压力均有所升高，在部分工况下超过原R134a系统。

图7，8分别为系统质量流量和压缩机耗功的对比图。

图7 质量流量对比

图8 压缩机耗功对比

由图7可见，直接替代的R1234yf系统质量流量大于原R134a系统，而增加中间换热器后的质量流量有所降低，但高于原R134a系统；从图8可以看出，直接替代的R1234yf压缩机耗功略高于原R134a系统，将中间换热器引入R1234yf系统后，压缩机耗功有着明显增加，转速较高时这一现象尤为明显。

图9所示为R134a系统、直接替代的R1234yf系统以及引入中间换热器的系统制冷量的对比。从图可以看出，直接替代的R1234yf系统制冷量低于R134a系统，两者差值并不大，但在压缩机转速较高和环境温度较高时表现更为明显；但增加中间换热器的R1234yf系统制冷量有较大提升，在部分工况下甚至与替代前的R134a系统持平。

图9 系统制冷量对比

图10 为直接替代和增加中间换热器的R1234yf系统制冷量与原R134a系统制冷量的相对差值，相对差值ΔW的定义为：

图10 系统制冷量相对差之百分比

从图10可以看出，直接替代的R1234yf系统制冷量比替代前的制冷量最大约降低6%，在环境温度较高和压缩机转速较高时制冷量降低较大；大部分工况下，增加中间换热器后的系统制冷量提升约4%，同时与原R134a系统制冷量差值小于1%，部分工况甚至略微超过替代前的系统。

图11 系统COP对比

图11 所示为进行仿真分析的三种系统的COP对比，从图可看出，系统COP始终随压缩机转速提高而降低，R1234yf系统COP低于原R134a系统，根据前面的分析，压缩机耗功并不比原R134a系统低，而系统制冷量低于R134a系统，按照COP的计算方法，COP的比较关系显而易见。增加中间换热器的R1234yf系统制冷量有所提升，甚至可与替代前的R134a系统持平。图12所示为不同系统COP与原R134a系统COP的相对差值，其定义为：

图12 系统相对COP差值百分比对比

从图可以看出，直接替代的系统COP比替代前的系统COP略低，差值在7%以内；大部分工况下，增加中间换热器后的R1234yf系统COP得到有效提升，提高约4%左右，部分工况下COP甚至超过替代前的R134a系统，然而在某些工况下COP提升并不明显，甚至提升不到1%。

4 结论

（1）直接替代的R1234yf系统性能略低于R134a系统，制冷量和COP分别比替代前的R134a系统最大降低约6%和7%；压缩机排气温度和压力比R134a系统稍低，能对压缩机起到保护作用。

（2）大部分工况下，引入中间换热器后的R1234yf系统性能得到有效提升，COP和制冷量提升4%左右，某些工况下甚至超过R134a系统。

（3）增加中间换热器的系统并非在所有情况下都有较大性能提升，部分工况下的性能提升极为有限，因此引入中间换热器来提升系统性能还需要根据运行工况和系统匹配等方面加以考虑。

［1］ European Parliament. Directive 2006/40/EC of the european parliament and of the council of 17 May 2006 relating to emissions from air-conditioning system in motor vehicles and amending Council Directive 70/156/EC［J］.Official Journal of the European Union,2006,49(L161):12-18.

［2］ Honghyun Cho, Chasik Park.Experimental investigation of performance and exergy analysis of automotive air conditioning systems using refrigerant R1234yf at various compressor speeds［J］.Applied Thermal Engineering,2016,101:30-37.

［3］ Meyer J. R1234yf system enhancements and comparison to R134a［C］. Proceedings of the SAE alternative refrigerant systems symposium. 2008.PhoenixAZ, USA.

［4］ Petijean S, Benouali J. R-1234yf validation & A/C system energy efficiency improvements［C］. SAE Alternate Refrigerant Symposium. Scottsdale.(AZ):AARS.2010. July 13-15.

［5］ Joaquín Navarro-Esbrí, Francisco Molés, A ngel Barragán-Cervera. Experimental analysis of the internal heat exchanger influence on a vapour compression system performance working with R1234yf as a drop-in replacement for R134a［J］.Applied Thermal Engineering, 2013,59:153-161.

［6］ Latra Boumaraf, Philippe Haberschill, Andre Lalle mand. Investigation of a novel ejector expansion refrigeration system using the working fluid R134a and its potential substitute R1234yf［J］.International Journal of Refrigeration，2014,45:148-159.

［7］ 赵宇.R1234yf 汽车空调系统性能研究［D］.上海：上海交通大学,2012.

［8］ 雷舒蓉，费洪庆，陈永哲，等.基于KULI的某商用车空调系统性能仿真及优化分析［J］.内燃机与动力装置，2014，31（6）：31-35.

［9］ 胡兵，赵宇，徐博，等.CO2汽车空调系统匹配分析与试验研究［J］.流体机械，2011，39（4）：54-57.

［10］ 郑国胜,葛如炜.热力膨胀阀参数对定排量汽车空调系统影响的研究［J］.流体机械，2015,43（2）：80-84.