汽车空调系统中替代R134a的环保制冷剂的性能分析

薛相美，肖震，孙超，梁嘉杰

汽车空调系统中替代R134a的环保制冷剂的性能分析

薛相美，肖震，孙超，梁嘉杰

（佛山市技师学院，广东 佛山 528237）

随着环保要求的提升，汽车空调系统替代制冷剂的研究显得尤为重要。文章选择低GWP环保工质R1234yf和Isobutane作为R134a的替代品和R134a进行性能比较。与此同时，将和其他性能相近的工质如R407C，R410A和R507A开展热力学评估。R1234yf具有和R134a相近的单位容积制冷量，压缩机无需做出较大改动。压比和排气温度较低。R1234yf作为新一代低GWP环保类工质，是替代R134a的较好工质。

R1234yf；R407C；R410A；R507A；Isobutane

前言

随着工业和社会的不断发展和进步，人们对环保的重视日益加强。基于蒙特利尔议定书的要求，CFCs和HCFCs类制冷剂由于具有较高的臭氧消耗潜能值（ODP），将逐步被ODP为0的替代制冷剂HFCs所淘汰。R134a作为一种HFC类制冷剂，广泛应用在汽车空调行业中[1-2]。然而，R134a具有较高的GWP，为1300。京都议定书已经认定R134a是受控制的温室气体。欧盟F-gas法规规定也对R134a做了进一步限制，规定从2011年起禁止在新的汽车类空调系统中使用GWP大于150的制冷剂[3]。由此可以看出，寻找环保类新型制冷剂迫在眉睫。

国内外学者对车用R134a替代制冷剂展开了一系列研究。曹霞[4]在汽车性能测试中进行了R1234yf的材料兼容和危险性方面的评估。赵宇[5]对汽车空调中R1234yf用于替代R134a进行了全面的理论分析和实验验证。Sethi[6]等开展了一系列性能对比试验，发现R1234yf的性能与R134a相似。Ghodbane[7]采用模拟仿真方法评估了汽车空调中R152a用于替代R134a的可行性。研究发现R152a的COP比R134a要提升11%。Kim 等人[8]进行了R152a和R134a在开启式斜盘冷媒压缩机的性能对比。研究发现R152a的COP比R134a要提升20%。Sumeru等[9]开展了一系列R152a用于替代R134a的模拟仿真工作，压缩机转速为1 000 rpm、2 000 rpm和3 000 rpm。研究发现，R152a的COP较R134a最高可提升13.5%。Steven等[10]采用半经验模型比较了R134a and CO2的整体性能。研究发现在环境温度为48.9 ℃的条件下，R134a的COP要比CO2高34%以上。根据以往的研究，需要将R134a及其性能相近的工质做个全面的比较更有意义。这里我们将选择低GWP环保工质R1234yf和Isobutane作为R134a的替代品和R134a进行性能比较。与此同时，我们将和其他性能相近的工质如R407C、R410A和R507A开展热力学评估并进行全面的比较，从而为R134a的替代提供一些建设性意见。

1 工质物性和系统模拟

表1列举出来了R134a、R1234yf、R407C、R507A和Isobu-tane的物性参数。R1234yf和Isobutane具有较低的GWP，是下一代环保制冷剂。R407C和R410A属于非共沸制冷剂。R507A属于共沸制冷剂，传热过程中不发生温度滑移。

表1 R134a、R1234yf、R407C、R410A、R507A和Isobutane的物性参数

制冷剂R134aR1234yfR407CR410AR507AIsobutane 组成纯工质纯工质非共沸工质非共沸工质共沸工质纯工质 标准沸点温度/℃−26−29−43.6−48.5−46.7−11.73 GWP143011530172539853 ODP000000 临界温度/℃101.19586.171.3470.61134.69 临界压力/MPa4.0593.3824.624.903.703.65

图1 工质压焓图

工质压焓图如图1所示，对于R134a制冷系统，相变过程无温度滑移。而对于多元非共沸工质，如R407C，两相区换热过程存在温度滑移。

对于制冷循环系统，制冷量由进出蒸发器的焓差和制冷剂流量确定，如下：

evap=ref(evap,out−evap,in) （1）

ref为制冷剂的流量，kg/s。evap,out和evap,in分别是进出蒸发器的焓值。在制冷量为定值的情况下，制冷剂的流量可以反推出来。

压缩机的功率计算如下：

evap=ref(coper,out−compr,in) （2）

制冷系统的COP计算如/下：

evap/evap（3）

本文中制冷剂制冷量一定，为1.75 kW。制冷系统的过冷度和过热度均为3 K，压缩机的压比为：

=cond/evap（4）

cond和evap分别为制冷系统的冷凝压力和蒸发压力，MPa。本文压缩机效率65%。制冷剂的相关物性可以从软件 Engineering Equation Solver[11]获取。

2 结果和讨论

本部分对不同制冷剂的性能评估做了对比。工质单位质量制冷量对比如图2所示。Isobutane作为碳氢类制冷剂，其单位质量制冷量比R134a高81%。R407C和R410A比R134a高约10%。R1234yf和 R507A只有R134a单位质量制冷量的80%。制冷系统的COP如图3所示。R407C和Isobutane比R134a高2%，R1234yf比R134a下降了3%，其余制冷剂均下降在6%以上。

图2 工质单位质量制冷量对比

图3 工质COP对比

各工质的质量流量对比如图4所示。R407C和R410A具有和R134a相近的质量流量，R1234yf和R507A具有较高的质量流量，比R134a高约30%。Isobutane具有最低的质量流量。单位体积流量如图5所示。R1234yf和R134a相近，非共沸制冷剂和共沸制冷剂具有较低的体积流量，碳氢类制冷剂Isobu- tane由于其具有较高的密度，其体积流量最高。

图4 工质质量流量对比

图5 工质体积流量对比

工质单位体积制冷量对比如图6所示。R1234yf具有和R134a相当的单位体积制冷量，意味着R1234yf可以直接替代R134a充注到已有系统中，压缩机无需改换。而其他制冷剂需要更换压缩机。工质的压比对比如图7所示，基本上所有的工质压比都比R134a低，共沸和非共沸工质显得尤为明显。

图6 工质单位体积制冷量对比

图7 工质压缩机压比对比

图8 工质压缩机排气温度对比

工质压缩机的排气温度如图8所示。R1234yf和碳氢类制冷剂Isobutane具有较低的压缩机排气温度，压缩机运行的安全性相对可控。非共沸制冷剂R407C和R410A相对排气温度较高，应做好压缩机的排气安全性问题。

3 结论

这里选择低GWP环保工质R1234yf和Isobutane作为R134a的替代品和R134a进行性能比较。与此同时，和其他性能相近的工质如R407C，R410A和R507A开展热力学评估并进行全面的比较，可以得到以下结论：

（1）R1234yf具有和R134a相近的单位容积制冷量，压缩机无需做出较大改动。压比和排气温度较低。COP比R134a下降3%，R1234yf作为新一代低GWP环保类工质，是替代R134a的较好工质。

（2）Isobutane作为碳氢类工质，虽然GWP较低，但是可燃性问题值得关注，冲注量不宜太多。Isobutane具有较高的单位容积制冷量，要达到和R134a相同的制冷量，压缩机需要改造。

（3）非共沸工质R407C、R410A具有和R134a相近的质量流量，单位体积制冷量也较高。但是考虑到它们较高的压缩机排气温度和较大的GWP，不建议用在汽车空调系统中。共沸工质R507A具有较低的单位质量制冷量和COP，同时GWP较高，不是理想的车用空调制冷剂。

[1] 孙西峰.汽车制造企业选择汽车空调制冷剂的原则[J].制冷与空调, 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——新一代汽车空调制冷剂[J].制冷与空调, 2008,8(6):55-61.

[5] 赵宇.R1234yf 汽车空调系统性能研究[D].上海:上海交通大学,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，就职于佛山市技师学院。