制冷劑R1234yf物性及應(yīng)用發(fā)展研究＊

宋明浩，張鐵臣，汪琳琳

（1.河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401；2.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

前言

現(xiàn)在絕大多數(shù)汽車空調(diào)系統(tǒng)使用的制冷劑是R134a，這種制冷劑屬于HFC類制冷劑，由于其高達(dá)1430的GWP值，加劇了溫室效應(yīng)，在一定年限前將禁止使用。由霍尼韋爾和杜邦公司聯(lián)合推出的新型化合物制冷劑R1234yf成為替代R134a的新型制冷劑之一。R1234yf又稱四氟丙烯，其分子式為CF3CF=CH2，其OPD指數(shù)為0，GWP指數(shù)僅為4，完全符合如今制冷劑“零ODP、低GWP”的需求。美國機(jī)動(dòng)車工程師學(xué)會(huì)對R1234yf作為汽車空調(diào)制冷劑進(jìn)行了測試和研究[1]，確定其安全性和可靠性，可以作為下一代新型制冷劑使用，R1234yf成為替代R134a的新型制冷劑之一。

因?yàn)镽1234yf屬于人工合成的制冷劑，對于其與R134a的物性方面的差異，導(dǎo)致其直接替換現(xiàn)行R134a系統(tǒng)的性能和運(yùn)行條件上有所差異，許多學(xué)者對R1234yf與R134a在物理、熱力學(xué)性質(zhì)、傳熱性質(zhì)和系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)等方面的差異性等進(jìn)行相關(guān)研究并提出改進(jìn)方案。本文對R1234yf和R134a的物性參數(shù)進(jìn)行了比對，并根據(jù)文獻(xiàn)分析了R1234yf傳熱性質(zhì)，分析兩者在系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中性能的差異和各自的不足，并根據(jù)文獻(xiàn)研究指出改進(jìn)的方向與未來的發(fā)展。

1 R1234yf物性研究進(jìn)展

作為R134a替代制冷劑，R1234yf首先要滿足環(huán)保無害、優(yōu)良的熱力學(xué)性能、安全性等因素。下文根據(jù)文獻(xiàn)中的研究，分析了R1234yf的以上性質(zhì)。

1.1 基本性質(zhì)

R1234yf具有與R134a接近的熱力學(xué)性質(zhì)。在表1[2-3]中可以看出，R1234yf的GWP和大氣壽命分別為4和11天，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于R134a；其安全等級為A2L，相較于R134a具有略微的可燃性；R1234yf氣相密度比R134a高16%，液相密度低10%，液體導(dǎo)熱系數(shù)和液體粘度低20%左右；R1234yf潛熱比R134a略低，這導(dǎo)致其換熱性能會(huì)有所減弱；而R1234yf的沸點(diǎn)為-29℃，比R134a更低，更加適合低溫工況下工作。

表1 R1234yf與R134a主要性質(zhì)對比[2-3]

1.2 基本性質(zhì)

制冷劑的安全問題一直是新型制冷劑能否被行業(yè)接受的關(guān)鍵因素。R1234yf被美國采暖、制冷和空調(diào)工程師協(xié)會(huì)（ASHRAE）評定為A2L，具有輕微的可燃性。相較于其他制冷劑來說，R1234yf具有更低的燃燒區(qū)域、燃燒速度和更高的點(diǎn)燃能量[4]。霍尼韋爾公司進(jìn)行了明火點(diǎn)燃試驗(yàn)，結(jié)果表明R1234yf在發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)的可燃性風(fēng)險(xiǎn)和R134a相同。然而在更復(fù)雜的環(huán)境條件下，R1234yf的可燃極限會(huì)隨其變化。R1234yf在不同濕度下的可燃極限隨之變化，隨著濕度的增加，R1234yf的可燃極限區(qū)間在增加，這增加了燃燒的可能性。這也是現(xiàn)今R1234yf被部分地區(qū)限制使用的原因之一。為了減小制冷劑的可燃極限范圍，可以使用R134a作為阻燃劑，加入阻燃劑能降低R1234yf的火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

除了可燃性，霍尼韋爾也對R1234yf完成了毒性檢測[4]，認(rèn)為R1234yf屬于低毒類化學(xué)物質(zhì)，當(dāng)吸入時(shí)可引起嗜睡和注意力不集中，頭暈眼花，眼睛、皮膚和呼吸道系統(tǒng)不適，其毒性低于R134a。

1.3 傳熱性質(zhì)

1.3.1 冷凝傳熱

對于R1234yf的傳熱系數(shù)，研究其在各種管路中的不同對改善R1234yf的傳熱過程有著重要意義。Yang[5]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示兩種制冷劑的傳熱系數(shù)都隨著質(zhì)量流速和蒸汽干度的增加而增加。在低質(zhì)量流速下，R1234yf和R134a的結(jié)果相近；在高質(zhì)量流量下，R1234yf的冷凝傳熱系數(shù)比R134a低約10%?？傮w來說，R1234yf的冷凝傳熱系數(shù)要略小于R134a。

除此之外，溫度對冷凝換熱的影響有著很大的影響。隨著飽和溫度的升高，在相同質(zhì)量流速下，液體與氣體密度比和液體導(dǎo)熱率逐漸降低[6]；當(dāng)冷凝溫度越低時(shí)，粘度越小，管壁上形成的液膜厚度更小，減少了熱阻；同時(shí)液相導(dǎo)熱系數(shù)越大，通過液膜的換熱量更大；以及R1234yf對應(yīng)的氣液兩相飽和狀態(tài)焓差增大，即相變潛熱變大，相同的流量下釋放更多的熱量。這幾點(diǎn)使得制冷劑的傳熱系數(shù)隨著實(shí)驗(yàn)飽和溫度的升高而降低，這一差距在高質(zhì)量流速下更加明顯，其原因是高質(zhì)量流速下，與壁面換熱的液膜厚度更小，加強(qiáng)了飽和溫度對換熱的影響。

另一方面，工質(zhì)在冷凝器中的壓降大小也是衡量工質(zhì)性能的重要因素。由于R1234yf的高氣體密度和低液體粘度與氣體粘度，使其具有低于R134a的壓降。較高的氣體密度導(dǎo)致了在相同的質(zhì)量流速和蒸汽干度下，具有更低的蒸汽速度，導(dǎo)致壓降減小；而低液體和氣體粘度導(dǎo)致流動(dòng)阻力減小，又會(huì)增加壓降。綜合的來看，兩者的共同作用導(dǎo)致R1234yf和R134a在不同的流動(dòng)情況下具有較為相似的壓降梯度。R134a的冷凝壓降逐漸比R1234yf大，最大值為20%[5]，質(zhì)量流速的提升會(huì)加快這一轉(zhuǎn)變，更大的壓降也會(huì)惡化制冷劑的壓力工作環(huán)境，所以相較于R134a，R1234yf具有更好的壓降性能。

1.3.2 沸騰傳熱

對于R1234yf與R134a的沸騰傳熱系數(shù)，在圓形微通道和圓管中兩者的傳熱系數(shù)大小相似。而Yang[7]在內(nèi)徑4mm的圓管內(nèi)中的實(shí)驗(yàn)中顯示R1234yf的沸騰傳熱系數(shù)小于R134a，并認(rèn)為蒸汽干度和質(zhì)量通量對換熱的影響顯著。數(shù)據(jù)顯示在整個(gè)實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，蒸汽干度和質(zhì)量流速較小時(shí)R1234yf的沸騰傳熱系數(shù)和R134a的相似，在其他情況下，R1234yf的傳熱系數(shù)均小于R134a；Anwar[8]探究了干燥現(xiàn)象出現(xiàn)的規(guī)律，R1234yf在更低的熱通量下出現(xiàn)了干燥現(xiàn)象，這一現(xiàn)象與其汽化潛熱值較小有關(guān)，和R134的汽化潛熱的差異成正比。

對于現(xiàn)在常用的蒸發(fā)器微通道管路，部分為矩形，在矩形管中的傳熱特性不同于在圓管[9]。相較于圓管，矩形管道的表面應(yīng)力對流動(dòng)傳熱的影響更大尤其是在低質(zhì)量流速下。矩形管路中在低質(zhì)量流速下的表面張力將液體拉到流動(dòng)通道的角落，大部分冷凝液體仍然聚集在流道的拐角處。這在管壁上形成了一層非常薄的液膜，其性能類似于環(huán)形流，這一現(xiàn)象在高質(zhì)量流速下更加明顯，而R1234yf的表面張力相較于R134a來說更小，形成的液膜厚度更大，同時(shí)液體導(dǎo)熱系數(shù)更小，兩者同時(shí)作用，使得矩形微通道管路中R1234yf的傳熱性能小于R134a。

2 R1234yf發(fā)展方向研究

2.1 熱泵系統(tǒng)研究

對于在空調(diào)系統(tǒng)中的性能研究顯示，R1234yf相較于R134a具有更低的排氣溫度，更高的壓縮機(jī)功耗和較低的能力，其中更低的排氣溫度使得R1234yf具有更穩(wěn)定的壓縮機(jī)運(yùn)行狀況。而從系統(tǒng)能力來看，兩者在制冷和熱泵工況下差距不大，R1234yf制冷量/制熱量比R134a低，但在制熱情況下，隨著蒸發(fā)溫度的降低，兩者的差距逐漸縮小，R1234yf在-20℃的蒸發(fā)溫度下其制熱量與R134a相當(dāng)，隨著室外溫度的降低，R134a和R1234yf的換熱能力差距逐漸減小。R1234yf系統(tǒng)的壓縮機(jī)功耗高0.76%～5.18%[10]。R1234yf由于其物性的影響，更適合在低溫?zé)岜孟鹿ぷ?，盡管R1234yf 的換熱能力較小，但由于 R1234yf具有更高的氣相密度，帶來更高的質(zhì)量流量，這一優(yōu)勢彌補(bǔ)了部分換熱不足的影響，使得兩者之間差距較小。

2.2 系統(tǒng)優(yōu)化改善研究

針對R1234yf在傳熱系數(shù)及潛熱較小帶來的不利影響，對其從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化是許多學(xué)者研究的內(nèi)容。其一是增設(shè)回?zé)崞魈岣呦到y(tǒng)的熱量利用，進(jìn)而增加冷凝器出口的過冷度和壓縮機(jī)進(jìn)口的溫度，既改善了系統(tǒng)的換熱效率，也有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。張?jiān)臶11]使用KULI對中間回?zé)崞髟O(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，在驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性后，采用管長600mm，肋片數(shù)6，液外氣內(nèi)的結(jié)構(gòu)的同軸管。使用這種回?zé)崞鞯腞1234yf系統(tǒng)制冷量提升了15.7%，COP提升了10%；與原R134a系統(tǒng)相比的制冷量提高3.2%，COP提高2.7%。

另一種方法是使用強(qiáng)化補(bǔ)氣技術(shù)（EVI），這種方法相較于R134a系統(tǒng)來說，對R1234yf系統(tǒng)的增益更加明顯。劉雨聲[12]在采用EVI的熱泵系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，制熱量與COP相比不使用強(qiáng)化補(bǔ)氣技術(shù)的R1234yf系統(tǒng)提升30%和14%。采用R1234yf制冷劑的EVI熱泵系統(tǒng)制熱量與COP分別比采用R134a制冷劑的EVI熱泵系統(tǒng)低6.7%和4.5%；Li[13]對R1234yf針對低溫工況在熱泵臺(tái)架中使用了EVI技術(shù)，并與同樣工況下的R134a熱泵實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了比對，在10℃和20℃時(shí)，采用EVI的R1234yf熱泵系統(tǒng)能力提升很大，分別為27.4%和19.9%；與之相比，R134a熱泵系統(tǒng)提升為27.1%和17.1%。

2.3 混合工質(zhì)研究

另一種解決R1234yf換熱不足問題的方法是使用混合工質(zhì)，即將R1234yf與其他工質(zhì)以一定比例混合，許多學(xué)者通過研究混合工質(zhì)中R1234yf的質(zhì)量比重來改善其換熱能力不足和易燃的缺點(diǎn)。楊夢[14]等人對R134a/R1234yf（56：54）制成的混合工質(zhì)R513A進(jìn)行了研究，R513A不可燃，無毒，具有較R134a更為出色的制冷性能。但由于R513A的GWP值為570，遠(yuǎn)大于R1234yf，其在汽車空調(diào)的應(yīng)用前景并不明朗。隨后孟照峰等[15]在使用微通道換熱器的汽車空調(diào)系統(tǒng)中，使用R1234yf/R134a（質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為89∶11）替代R134a實(shí)驗(yàn)，測得混合制冷劑 R1234yf/R134a和R134a的制冷量接近，COP 相較于R134a低4%～9%，其GWP值低于150，符合F-gas 法規(guī)?？梢娫诨旌瞎べ|(zhì)中R134a所占的比重越多，其汽化潛熱值越高，換熱性能越好，但同時(shí)，GWP也會(huì)有所增長，不利于環(huán)保于推廣；而隨著R1234yf比重的增加，其換熱性能會(huì)有所下降，但混合后的工質(zhì)氣體密度增加，有利于產(chǎn)生更大的質(zhì)量流量，同時(shí)也繼承了R1234yf壓降小，排氣溫度較低等優(yōu)點(diǎn)。綜合來看，R1234yf與R134a混合工質(zhì)中的比重分配需要衡量更多的因素。

3 結(jié)論

對于制冷劑 R1234yf，其物性與 R134a 相近且更為環(huán)保。從安全性來看，R1234yf 具有較低的可燃性與毒性。R1234yf 在換熱方面較 R134a 略有下降，但其具有壓降小，質(zhì)量流量高，排氣溫度低和在優(yōu)良的低溫制熱性能等優(yōu)點(diǎn)。此外，R1234yf系統(tǒng)可以通過增加回?zé)崞鳌?強(qiáng)化補(bǔ)氣技術(shù)或使用其與R134a 混合組成的制冷劑來增強(qiáng)其換熱能力。綜上所述，R1234yf作為新型環(huán)保制冷劑之一，具有一定的應(yīng)用前景。