汽車空調(diào)系統(tǒng)中替代R134a的環(huán)保制冷劑的性能分析

薛相美，肖震，孫超，梁嘉杰

汽車空調(diào)系統(tǒng)中替代R134a的環(huán)保制冷劑的性能分析

薛相美，肖震，孫超，梁嘉杰

（佛山市技師學(xué)院，廣東 佛山 528237）

隨著環(huán)保要求的提升，汽車空調(diào)系統(tǒng)替代制冷劑的研究顯得尤為重要。文章選擇低GWP環(huán)保工質(zhì)R1234yf和Isobutane作為R134a的替代品和R134a進(jìn)行性能比較。與此同時，將和其他性能相近的工質(zhì)如R407C，R410A和R507A開展熱力學(xué)評估。R1234yf具有和R134a相近的單位容積制冷量，壓縮機(jī)無需做出較大改動。壓比和排氣溫度較低。R1234yf作為新一代低GWP環(huán)保類工質(zhì)，是替代R134a的較好工質(zhì)。

R1234yf；R407C；R410A；R507A；Isobutane

前言

隨著工業(yè)和社會的不斷發(fā)展和進(jìn)步，人們對環(huán)保的重視日益加強(qiáng)?；诿商乩麪栕h定書的要求，CFCs和HCFCs類制冷劑由于具有較高的臭氧消耗潛能值（ODP），將逐步被ODP為0的替代制冷劑HFCs所淘汰。R134a作為一種HFC類制冷劑，廣泛應(yīng)用在汽車空調(diào)行業(yè)中[1-2]。然而，R134a具有較高的GWP，為1300。京都議定書已經(jīng)認(rèn)定R134a是受控制的溫室氣體。歐盟F-gas法規(guī)規(guī)定也對R134a做了進(jìn)一步限制，規(guī)定從2011年起禁止在新的汽車類空調(diào)系統(tǒng)中使用GWP大于150的制冷劑[3]。由此可以看出，尋找環(huán)保類新型制冷劑迫在眉睫。

國內(nèi)外學(xué)者對車用R134a替代制冷劑展開了一系列研究。曹霞[4]在汽車性能測試中進(jìn)行了R1234yf的材料兼容和危險性方面的評估。趙宇[5]對汽車空調(diào)中R1234yf用于替代R134a進(jìn)行了全面的理論分析和實驗驗證。Sethi[6]等開展了一系列性能對比試驗，發(fā)現(xiàn)R1234yf的性能與R134a相似。Ghodbane[7]采用模擬仿真方法評估了汽車空調(diào)中R152a用于替代R134a的可行性。研究發(fā)現(xiàn)R152a的COP比R134a要提升11%。Kim 等人[8]進(jìn)行了R152a和R134a在開啟式斜盤冷媒壓縮機(jī)的性能對比。研究發(fā)現(xiàn)R152a的COP比R134a要提升20%。Sumeru等[9]開展了一系列R152a用于替代R134a的模擬仿真工作，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 rpm、2 000 rpm和3 000 rpm。研究發(fā)現(xiàn)，R152a的COP較R134a最高可提升13.5%。Steven等[10]采用半經(jīng)驗?zāi)Ｐ捅容^了R134a and CO2的整體性能。研究發(fā)現(xiàn)在環(huán)境溫度為48.9 ℃的條件下，R134a的COP要比CO2高34%以上。根據(jù)以往的研究，需要將R134a及其性能相近的工質(zhì)做個全面的比較更有意義。這里我們將選擇低GWP環(huán)保工質(zhì)R1234yf和Isobutane作為R134a的替代品和R134a進(jìn)行性能比較。與此同時，我們將和其他性能相近的工質(zhì)如R407C、R410A和R507A開展熱力學(xué)評估并進(jìn)行全面的比較，從而為R134a的替代提供一些建設(shè)性意見。

1 工質(zhì)物性和系統(tǒng)模擬

表1列舉出來了R134a、R1234yf、R407C、R507A和Isobu-tane的物性參數(shù)。R1234yf和Isobutane具有較低的GWP，是下一代環(huán)保制冷劑。R407C和R410A屬于非共沸制冷劑。R507A屬于共沸制冷劑，傳熱過程中不發(fā)生溫度滑移。

表1 R134a、R1234yf、R407C、R410A、R507A和Isobutane的物性參數(shù)

制冷劑R134aR1234yfR407CR410AR507AIsobutane 組成純工質(zhì)純工質(zhì)非共沸工質(zhì)非共沸工質(zhì)共沸工質(zhì)純工質(zhì) 標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)溫度/℃?26?29?43.6?48.5?46.7?11.73 GWP143011530172539853 ODP000000 臨界溫度/℃101.19586.171.3470.61134.69 臨界壓力/MPa4.0593.3824.624.903.703.65

圖1 工質(zhì)壓焓圖

工質(zhì)壓焓圖如圖1所示，對于R134a制冷系統(tǒng)，相變過程無溫度滑移。而對于多元非共沸工質(zhì)，如R407C，兩相區(qū)換熱過程存在溫度滑移。

對于制冷循環(huán)系統(tǒng)，制冷量由進(jìn)出蒸發(fā)器的焓差和制冷劑流量確定，如下：

evap=ref(evap,out?evap,in) （1）

ref為制冷劑的流量，kg/s。evap,out和evap,in分別是進(jìn)出蒸發(fā)器的焓值。在制冷量為定值的情況下，制冷劑的流量可以反推出來。

壓縮機(jī)的功率計算如下：

evap=ref(coper,out?compr,in) （2）

制冷系統(tǒng)的COP計算如/下：

evap/evap（3）

本文中制冷劑制冷量一定，為1.75 kW。制冷系統(tǒng)的過冷度和過熱度均為3 K，壓縮機(jī)的壓比為：

=cond/evap（4）

cond和evap分別為制冷系統(tǒng)的冷凝壓力和蒸發(fā)壓力，MPa。本文壓縮機(jī)效率65%。制冷劑的相關(guān)物性可以從軟件 Engineering Equation Solver[11]獲取。

2 結(jié)果和討論

本部分對不同制冷劑的性能評估做了對比。工質(zhì)單位質(zhì)量制冷量對比如圖2所示。Isobutane作為碳?xì)漕愔评鋭?，其單位質(zhì)量制冷量比R134a高81%。R407C和R410A比R134a高約10%。R1234yf和 R507A只有R134a單位質(zhì)量制冷量的80%。制冷系統(tǒng)的COP如圖3所示。R407C和Isobutane比R134a高2%，R1234yf比R134a下降了3%，其余制冷劑均下降在6%以上。

圖2 工質(zhì)單位質(zhì)量制冷量對比

圖3 工質(zhì)COP對比

各工質(zhì)的質(zhì)量流量對比如圖4所示。R407C和R410A具有和R134a相近的質(zhì)量流量，R1234yf和R507A具有較高的質(zhì)量流量，比R134a高約30%。Isobutane具有最低的質(zhì)量流量。單位體積流量如圖5所示。R1234yf和R134a相近，非共沸制冷劑和共沸制冷劑具有較低的體積流量，碳?xì)漕愔评鋭㊣sobu- tane由于其具有較高的密度，其體積流量最高。

圖4 工質(zhì)質(zhì)量流量對比

圖5 工質(zhì)體積流量對比

工質(zhì)單位體積制冷量對比如圖6所示。R1234yf具有和R134a相當(dāng)?shù)膯挝惑w積制冷量，意味著R1234yf可以直接替代R134a充注到已有系統(tǒng)中，壓縮機(jī)無需改換。而其他制冷劑需要更換壓縮機(jī)。工質(zhì)的壓比對比如圖7所示，基本上所有的工質(zhì)壓比都比R134a低，共沸和非共沸工質(zhì)顯得尤為明顯。

圖6 工質(zhì)單位體積制冷量對比

圖7 工質(zhì)壓縮機(jī)壓比對比

圖8 工質(zhì)壓縮機(jī)排氣溫度對比

工質(zhì)壓縮機(jī)的排氣溫度如圖8所示。R1234yf和碳?xì)漕愔评鋭㊣sobutane具有較低的壓縮機(jī)排氣溫度，壓縮機(jī)運(yùn)行的安全性相對可控。非共沸制冷劑R407C和R410A相對排氣溫度較高，應(yīng)做好壓縮機(jī)的排氣安全性問題。

3 結(jié)論

這里選擇低GWP環(huán)保工質(zhì)R1234yf和Isobutane作為R134a的替代品和R134a進(jìn)行性能比較。與此同時，和其他性能相近的工質(zhì)如R407C，R410A和R507A開展熱力學(xué)評估并進(jìn)行全面的比較，可以得到以下結(jié)論：

（1）R1234yf具有和R134a相近的單位容積制冷量，壓縮機(jī)無需做出較大改動。壓比和排氣溫度較低。COP比R134a下降3%，R1234yf作為新一代低GWP環(huán)保類工質(zhì)，是替代R134a的較好工質(zhì)。

（2）Isobutane作為碳?xì)漕惞べ|(zhì)，雖然GWP較低，但是可燃性問題值得關(guān)注，沖注量不宜太多。Isobutane具有較高的單位容積制冷量，要達(dá)到和R134a相同的制冷量，壓縮機(jī)需要改造。

（3）非共沸工質(zhì)R407C、R410A具有和R134a相近的質(zhì)量流量，單位體積制冷量也較高。但是考慮到它們較高的壓縮機(jī)排氣溫度和較大的GWP，不建議用在汽車空調(diào)系統(tǒng)中。共沸工質(zhì)R507A具有較低的單位質(zhì)量制冷量和COP，同時GWP較高，不是理想的車用空調(diào)制冷劑。

[1] 孫西峰.汽車制造企業(yè)選擇汽車空調(diào)制冷劑的原則[J].制冷與空調(diào), 2014,14(01):38-41.

[2] Cabello R,Sánchez D,Llopis R,et al.Experimental comparison between R152a and R134a working in a refrigeration facility equipped with a hermetic compressor[J].international journal of refrigeration,2015,60:92-105.

[3] Official J.Eur.Union.Directive 2006/40/EC of the European par- liament and of the council of 17 May 2006 relating to emissions from air conditioning systems in motor vehicles and amending council directive 70/156/EEC[EB/OL].(2016-06-14) https://eur- lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2006:161:0012: 0018:en:PDF.

[4] 曹霞.HFO-1234YF——新一代汽車空調(diào)制冷劑[J].制冷與空調(diào), 2008,8(6):55-61.

[5] 趙宇.R1234yf 汽車空調(diào)系統(tǒng)性能研究[D].上海:上海交通大學(xué),2013.

[6] SETHI A,BECERRA EV,MOTTA S F.Low GWP R134a replace- ments for small refrigeration (plug-in) applications[J].Int. J.Refrig., 2016,66:64-72.

[7] Ghodbane M.An investigation of R152a and hydrocarbon refrige- rants in mobile air conditioning[J].SAE transactions,1999:1658- 1673.

[8] Kim M H, Shin J S, Park W G, et al.The test results of refrigerant R152a in an automotive air-conditioning system[C]//SAE 9th Alternative Refrigerant Systems Symposium.2008,10:12.

[9] Sumeru K,Sunardi C,Aziz A A,et al.Comparative performance bet-ween R134a and R152a in an air conditioning system of a passenger car[J].Jurnal Teknologi,2016,78(10-2).

[10] Brown J S,Yana-Motta S F,Domanski P A.Comparitive analysis of an automotive air conditioning systems operating with CO2 and R134a[J].International Journal of refrigeration,2002,25(1): 19-32.

[11] F-Chart.Engineering Equation Solver (2020) F-Chart Software, Academic Processional Version,V10.990[Z].2020.

Performance Analysis of Environmentally Friendly Refrigerant Replacing R134a in Automobile Air-conditioning System

XUE Xiangmei, XIAO Zhen, SUN Chao, LIANG Jiajie

( Foshan Technician College, Guangdong Foshan 528237 )

With more strict regulations for environmental concerns, the next generation refrigerant study for automobile air conditioning system is necessary. In current study, the low GWP refrigerants R1234yf and Isobutane have been evaluated for performance comparison with R134a. Other refrigerants, R407C, R410A and R507A are also investigated for performance evaluation. It can be found that R1234yf has close unit volume cooling capacity to R134a and there is no need for modification for compressor. It is highly recommended R1234yf as a good R134a alternative among the refrigerants investigated in this paper.

R1234yf;R407C; R410A; R507A;Isobutane

U463.85+1

A

1671-7988(2021)24-101-04

U463.85+1

A

1671-7988(2021)24-101-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.024.023

薛相美，就職于佛山市技師學(xué)院。