R1234yf 与 R134a 空调性能实验研究对比分析

张亚国 郭艳萍 贺其富

摘  要：为了实现制冷剂环境友好性，本文基于 R1234yf 与 R134a 不同的热物性参数基础上，在整车上进行 R1234yf 与 R134a 不同制冷剂系统的制冷性能及系统差异性的对比研究。分析 R1234yf 制冷剂的可替代性，进一步采取有效措施提高其制冷性能。

关键词：R1234yf;R134a;过冷度;过热度

中图分类号：U463      文献标志码：A       文章编号：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.

制冷劑作为空调系统的工作介质，理想的制冷剂不仅要有优良的热物理性质及安全性，也要有较好的环境友好性。R134a是目前常用的汽车空调制冷剂，其GWP（Global Warming Potential）为1430，ODP（Ozone Depression Potential）为0。自2017年1月1日起，制冷剂环保法规规定：在欧洲境内生产及销售车辆禁止使用GWP>150的制冷剂。这意味着作为汽车空调系统制冷剂的大众产品R134a将逐步淡出市场。R1234yf作为R134a的替代制冷剂之一，其GWP仅为4，ODP同样为0，满足人们对制冷剂环境友好性的要求。对R1234yf制冷剂进行实验研究来获得工程应用方面替代R134a的认可，通过改进空调零部件使R1234yf系统获与R134a同样的性能表现是汽车空调行业发展趋势所在。

本文基于R1234yf与R134a不同的热物性参数基础上，选取典型的R134a汽车空调系统，将制冷剂更换为R1234yf，在实车上进行制冷性能及运行状态分析其对R134a的替代可行性分析。

1    R1234yf的基本热物性参数

制冷剂是空调系统中传递热量的工作介质，对制冷系统的设计及运行性能有着重要的影响。一种理想的制冷剂除了有良好的热物理性，还需要环境友好性，材料相容性，经济性等方面有良好特性。

R1234yf作为R134a的替代制冷剂之一，其表现出良好的物性参数及安全性。表1为R1234yf与R134a主要物性参数对比。R1234yf的安全等级为A2L，具有弱可燃性[1]。其对碳钢、不锈钢、铜等金属材料不具备活性和腐蚀性，与塑料、橡胶件等相容性均在标准范围内[2]。

由表1知，R1234yf单位容积制冷量及蒸发潜热比R134a略低，其运行压力与现有的R134a制冷剂十分接近，对目前的系统不需要做大的改动即可应用。目前R1234yf制冷剂是满足“本身物理特性与空调系统设计最佳平衡”的制冷剂。

R1234yf与R134a理论循环对比[3]如图1。通过在LogP-H图可知，R1234yf与R134a循环运行压力非常接近，蒸发压力略高及冷凝压力略低。并且R1234yf的循环压差较小，即压缩机压比会更小，对制冷性能的提高是有利的。

2    实验过程

根据某项目要求，制冷剂需满足欧盟环保标准。本次实验采用HVAC、冷凝器、电子膨胀阀、压缩机及连接管路组成的空调系统，在整车上进行R1234yf与R134a制冷剂进行制冷性能及系统差异性的对比研究，其实验方案如表2所示：

3    实验结果及对比

由于R1234yf制冷剂本身的物理性质与R134a非常接近，对现有的汽车空调系统不做大改动即可直接应用。选用目前XXX项目的成熟定排量压缩机汽车空调系统，将制冷剂更换为R1234yf进行直接替代的性能研究，并与相同条件下的R134a系统进行性能比较。本次实验在环境温度为40℃、50℃，阳光辐射为1160W/m2情况下，汽车以相同速度行驶且AC模式开启最大风量档位条件下，进行制冷性能分析其实验结果如下。

3.1   制冷效果分析

选用目前XXX项目的成熟定排量压缩机汽车空调系统，将制冷剂更换为R1234yf进行直接替代的性能研究，将R1234yf与R134a不同制冷剂系统整车，分别在40℃和50℃环境温度下，整车以同一速度40km/h行进过程中开启最大风量模式，进行出风口及车内温度采集，温度显示为制冷效果的最直接显示，进行R1234yf与R134a系统制冷效果分析对比。

根据图2实验结果分析：在40℃环境温度下， R1234yf 系统与R134a系统相比较，出风口温度影响基本一致，车内平均温度R134a优于R1234yf系统，说明R1234yf系统制冷能力还有一定提升能力。在50℃环境温度下，R134a制冷剂系统出风口温度和车内平均温度均低于R1234yf系统。说明R134a系统制冷效果略优于R1234yf系统，R1234yf系统制冷量略小，若要获得与R134a系统相当的制冷量，R1234yf系统需要更大的制冷剂体积流量，即更高的压缩机转速或者更大的壓缩机排量来实现。

3.2   过冷度影响

在实际制冷循环中，制冷剂液体离开冷凝器进入膨胀阀之前具有一定过冷度，单位制冷量增加，循环压缩比功没有发生变化，这对增大制冷循环的制冷量是有利的。而过冷度大小取决于冷凝系统的设计与冷却介质的温差。通常情况下，假定冷凝器出水温度比冷凝温度低3～5K，冷却水在冷凝器中的温升则为3～8K，因而冷却水的进口温度比冷凝温度低6～13K，这就足以使冷凝器出口温度能够保证一定过冷度[4]。

由图3可知，在其他参数不变、在40km/h行驶速度下、环境温度为40℃和50℃条件下比较R1234yf和R134a制冷剂系统过冷度变化。可知R134a制冷剂系统过冷度优于同工况下R1234yf制冷剂系统。通过计算可以得到，在其他参数不变情况下，R134a过冷度每增加1℃，系统COP平均增大1.1%。对于R1234yf系统来说，过冷度每增加1℃，系统COP平均增大1.4%。结合图4说明，增大系统过冷度对于R1234yf制冷性能提升更为明显。可采用同轴管增加二次换热，提高制冷效率。

3.3   过热度影响

在实际循环过程中，为了避免液态制冷剂进入压缩机造成“液击”，对带有热力膨胀阀的系统，要求蒸发器出口要有一定过热度（3～5℃），为工作过热度是蒸发器制冷量的一部分该过热度的增大可以使膨胀阀开启变大，制冷剂流量按比例增大，但同时吸入蒸气的比容也随之增大，因此单位容积制冷量可能增大也可能减小。对于定排量压缩机而言，也就导致COP可能增大也可能减小，由制冷剂本身决定[4]。

对于R1234yf和R134a系统而言，理论循环的COP随蒸发器出口过热度的增大有所上升，但并非蒸发器出口过热度越大越好。理论循环压缩过程为等熵压缩，而在实际压缩过程中，吸气过热度过大会导致压缩机排气温度上升，对系统运行带来不利影响。此外，吸气过热度过大也意味着蒸发器有较大的换热面积处于过热区，与两相区沸腾换热相比，换热系数要小很多即过大的过热度会造成蒸发器传热面积的浪费，引起压缩机运行工况恶化寿命减弱。

R1234yf系统是在原R134a系统进行直接替换进行，通过对运行状态分析可知，R1234yf系统比R134a系统相比，其不足之处在于蒸发器出口过热度偏大，造成蒸发器传热面积浪费，不利于压缩机稳定运行。如图4（a）所示，在环境温度40℃的条件下，制冷剂R1234yf系统比R134a系统的吸气过热度偏高，蒸发器出口温度明显高于R134a系统。其原因在于，R1234yf其本身的热力学特性和系统中采用的热力膨胀阀为沿用R134a系统系统的初始设定值，对于R1234yf系统并不适用。可通过优化热力膨胀阀，设定膨胀阀开度，减小吸气过热度，改善制冷性能。在环境温度50℃下，两者过热度差别不大[5]。说明在环境温度50℃下，R1234yf与R134a制冷量相当，在高于50℃环境温度下进行两者系统制冷性能比较没有实际意义。

在压缩机到冷凝器之间保证一定的排气过热度，可有效防止制冷剂管道内回流。如图4（b）所示，在环境温度40℃和50℃下，制冷剂R134a系统的排气过热度比R1234yf系统略高。R134a系统的排气温度较高，有利于冷凝换热。可提高压缩机在中低温工况下运行的可靠性，防止系统出现回液，并延长压缩机的使用寿命。

4    结论

本文通过选用目前某项目的成熟定排量压缩机汽车空调系统，将制冷剂更换为R1234yf进行直接替代的性能研究，并与相同条件下的R134a系统进行性能比较，得到如下结论：

1、相同的环境条件下，R134a系统制冷效果略优于R1234yf系统。R1234yf系统若要获得与R134a系统相当的制冷量，则需要更大的制冷剂体积流量，即更高的压缩机转速或者更大的压缩机排量来实现。

2、在实际制冷循环中，保持一定的冷凝过冷度，对增大制冷循环的制冷量是有利的。由于R1234yf系统过冷度低于R134a系统。为了提高R1234yf制冷性能，可采用同轴管进行二次换热，增大系统制冷效率。

3、由于R1234yf本身热力学特性和其实在原R134a系统进行直接替换进行，经过试验发现R1234yf系统比R134a系统相比，其不足之处在于蒸发器出口过热度偏大，造成蒸发器传热面积浪费，不利于压缩机稳定运行。可通过优化热力膨胀阀，设定膨胀阀开度，减小吸气过热度，改善制冷性能。

参考文献：

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

[2]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.

[3]赵宇. R1234yf汽车空调系统性能研究[D]. 上海交通大学，2013.

[4]王若平.汽车空调[M].北京.机械工业出版社.2007.

[5]Yu Zhao， Jiangping Chen， Et Al. （in Press）， “performance Of R 1234yf In Mobile Air Conditioning System Under Different Heat Load Conditions”， International Journal Of Air Conditioning And Refrigeration. （ei）.