制冷剂R1234yf在空调系统中的应用

刘 河

（中国电器科学研究院股份有限公司，广东 广州 510000）

随着环境保护和能源效率意识的不断增强，汽车空调系统的制冷剂选择成为一个备受关注的议题。由于传统的R134a 制冷剂对大气臭氧层具有破坏性影响，逐渐受到限制和淘汰，因此制冷剂行业不断寻找替代品，其中R1234yf成为备受关注的选择之一。该文旨在深入探讨R1234yf 在汽车空调系统中的应用潜力，通过试验和模拟研究其性能特点，并关注不同环境条件下的性能差异，包括温度和湿度变化对系统效率的影响。此外，还考察了调整压缩机内部控制阀对系统性能的影响和可能的系统优化方法。

1 试验装置

试验装置包括4 个基本系统：1）用于蒸发器的闭式空气回路，包括离心风机、电阻加热器、加湿设备和相关控制。2）用于冷凝器的闭式空气回路，包括离心风机、冷却器、电阻加热器和相关控制。3）制冷剂回路，包括微通道蒸发器、微通道冷凝器、变容量摆板压缩机和节流阀，所有组件均来自典型欧洲紧凑型汽车的空调系统。4）仪器系统。

入口空气温度由蒸发器和冷凝器的2 个闭式空气回路控制，它们的风道配置提供了热交换器入口面的均匀温度和速度分布。体积空气流速使用ISA 1932 喷嘴，并根据ISO 5167-4：2003 的要求测量，精度为所测值的±0.8%。一个冷却器向交叉流热交换器提供调节水，以保持冷凝器入口空气温度接近所需值。然后，位于冷凝器上游的PID 控制的电阻加热器根据所需值控制入口空气温度。一个类似但独立的系统根据所需值控制蒸发器入口干球空气温度。远离蒸发器上游的工业蒸气发生器控制相对湿度，确保在蒸发器入口面上保持相同的环境条件。使用9 个均匀间隔的T 型热电偶测量，蒸发器使用6 个均匀间隔的T 型热电偶测量冷凝器的平均入口空气温度。在每个热交换器后，空气在被9 个均匀间隔的T 型热电偶单独测量前经过充分混合。对于空气回路和制冷剂系统，使用精度为±0.02℃的Pt-100 铂电阻温度计来校准温度测量系统（由热电偶、电子冰点和多用表组成），精度为±0.05℃。蒸发器空气回路的相对湿度（RH）的2 种测量方式如下：1）使用精度为±3%RH的容量传感器。2）使用负荷电池测量在指定时间内凝结的水量，精度为±0.5g。

校准的T 型热电偶测量每个主要组件前、后的制冷剂温度。隔膜式差压传感器测量蒸发器和冷凝器的压降，精度为0.1kPa。应变计压力传感器测量蒸发器中的绝对压力，精度为±0.8kPa，冷凝器中绝对压力的精度为±1.6kPa。

通过测量的温度和压力值，使用P-R EoS 的版本计算制冷剂焓，与温度为220～360K 的饱和数据相比，预测结果落在-1%～+1%。

位于液体管路中的Coriolis 流量计测量制冷剂质量流速，精度为所测值的±0.1%。

异步电动机驱动压缩机。光学系统测量压缩机速度，精度为所测值的±0.01%。位于电动机与压缩机耦合轴上的扭矩计测量扭矩，精度为所测值的±0.2N·m。对于速度为900r/min 和2500r/min 的压缩机，机械功率传递到制冷剂的扩展不确定性小于2%，压缩机速度为4000r/min 时不确定性小于3%。

空气侧传热率测量的总扩展不确定性为±1%。蒸发器和冷凝器的制冷剂侧传热率测量的总扩展不确定性分别为±4%和±3%[1]。

2 测试条件

所测试的系统是一辆典型的基于R134a的欧洲紧凑型汽车，其压缩机体积流量为7.8m3/h 时的名义制冷容量为5.8kW。共测试了4 个系统。1）基准的R134a 系统。2）与i 相同的系统，使用基准TXV 设置的R1234yf 的最佳充气。3）使用R1234yf 优化过的TXV 设置的ii 系统。4）使用变容量压缩机控制阀停用的iii 系统。虽然操作条件并没有完全复制实际的车辆条件，但它们被选择为典型的欧洲条件。特别是它们包括3 种压缩机速度、3 种环境温度（蒸发器和冷凝器的入口空气温度）和蒸发器入口空气流中的2 个相对湿度值。蒸发器和冷凝器风扇速度（空气质量流速）在整个测试中保持不变（虽然在实际车辆中并非如此，但这降低了测试矩阵的复杂性，同时仍允许比较R1234yf相对R134a 的性能潜力）[2]。

3 结果与讨论

该文进行了超过140 次的稳态测试。蒸发器和冷凝器的空气侧和制冷剂侧能量平衡的最大相差不超过4%[3]。确定了每种系统配置的最佳制冷剂充注量。在每种情况下，冷凝器和蒸发器的空气侧条件均为35°C 和相对湿度40%。冷凝器和蒸发器的空气体积流量分别为1600m3/h 和400m3/h。

可变容量压缩机的内部控制阀采用工厂设置，根据R134a 来调节压缩机的容量。具体来说，压缩机的内部阀控制动作根据吸气和排气压力间的差值来控制排量，同时压缩机试图将蒸发压力保持在恒定值。吸气压力只是蒸发器出口压力减去吸气管道的压力降。对于固定的空气入口条件和固定的节流阀（TXV）设置，蒸发器压力是制冷剂的热物性和制冷剂质量通量的函数，二者会影响管内传热系数和制冷剂侧压降（因此也影响局部饱和温度）[4]。

BC 线的位置由控制阀设置确定。通过调整弹簧，可以将BC 线相对其基线位置向上或向下移动。无论如何，在BC 线以下的操作条件是不可能的。值得注意的是，如果不更改阀门设置，由于R1234yf 的饱和温度与R134a 略有不同，线AB 和线CD 将导致出现不同的制冷剂温度（压力固定）。因此，需要要验证的是，对于给定的制冷剂，线CD不会导致蒸发器出口的饱和温度低于0℃。相同系统的蒸发器过热值如图1 所示。

图1 蒸发器制冷剂过热值

在图1 中，“插入”系统的过热值明显高于R134a 系统。为了获得更合理的R1234yf 系统的过热值，该文对节流阀进行了修改（系统iii 在图1 中称为“TXV 调谐”），从其原始设置的0℃时0.20 兆帕表升至0℃时0.29 兆帕表。与蒸发器类似，相同系统的试验压缩机排气压力如图2 所示。

图2 压缩机制冷剂排放压力

关于转向制冷量和COP，系统i 和ii 相对R134a 基线系统的制冷量偏差如图3 所示，相同系统的COP偏差如图4 所示。

图3 相对冷却能力

在图3、图4 中，偏差定义如公式（1）所示。

式中：y为制冷量；ε为COP偏差。

如图3 所示，即使经过调谐的TXV，R1234yf系统的制冷量仍然严重不足。因此，调整R1234yf阀门控制的一种方法是修改口特性（即流量系数和口截面）。第二种可能性是简单地改变阀门弹簧的预紧力。

对于往复式正位移压缩机，排量体积如公式（2）所示。

式中：DISP*是几何排量；N是转速（以r/min 为单位）；ηvDISP是体积效率；ρSUC是吸气密度；m是制冷剂质量流量。

转速为900r/min 时，新的阀门设置可以实现最大排量（接近100%的值。DISP*会受体积效率的影响而变小）。尽管进行了这种修改，但系统仍然无法在35℃的环境温度下提供与R134a 相同的冷却量。在25℃的环境温度、2500r/min 条件下可以实现与R134a 系统相同的冷却量，但在其他压缩机转速下则不行。最后，在15℃的环境温度下，系统在所有压缩机转速下均实现了比R134a 基线系统更大的冷却量。

在15℃的环境温度下，R1234yf 具有更大的冷却能力，导致R1234yf 的蒸发器入口温度较低。随着环境温度的升高，不匹配程度会降低。因此，在15℃的环境温度下，R1234yf 的蒸发器出口压力和温度低于R134a。

值得注意的是，在压缩机内部控制阀的调节作用下，即使在15℃的环境温度下，压缩机也不会循环，原因是空气出口温度始终高于3℃。

尽管R1234yf 的排气压力始终高于R134a（唯一的例外是35℃的环境温度、2500r/min 的条件），但鉴于R1234yf 的热力学性质，R1234yf 的排气温度始终低于R134a 是可以预期的。

4 结语

通过该文的试验和模拟结果，可以得出如下结论：制冷剂R1234yf 在汽车空调系统中具有广阔的应用前景。尽管在某些条件下可能存在性能挑战，但通过优化系统设计和调整压缩机控制，这些问题可以得到有效解决。此外，该文通过引入“增强型”系统的概念，进一步提高了R1234yf 系统性能。在应对气候变化和环境保护方面，R1234yf 的应用提升了汽车制冷系统的可持续性和环保性能，并将在未来的汽车工业中起到重要作用。