R1234yf和R134a的通用性研究及对冰箱压缩机性能的影响

赵 洋，蔡 宁，李志强，刘祥雨

(中家院(北京)检测认证有限公司，北京 100176)

1 引言

制冷剂是制冷系统循环工作工程中的传热工质，不同制冷剂的选择对制冷循环中压缩机的设计、换热器及阀门的选型起着决定性的影响。传统的氟氯烃类(CFCs、HCFCs)制冷剂由于其优异的物理特性于2000年以前被广泛的应用于各类制冷系统中，但是，随着中国加入《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》(以下简称《蒙特利尔议定书》)以及近年来《蒙特利尔议定书》不断调整制冷剂的淘汰方案，氟氯烃类制冷剂逐步被ODP、GWP值更低的制冷工质所取代[1-4]。当前，R1234yf制冷剂已成为替代R134a的主要方案之一，该制冷剂的ODP指数为0，GWP指数仅为4，作为人工合成的产品其物性参数及使用条件与R134a略有差异[5]，针对替代方案国内外学者也已有一定研究。张亚国等针对R1234yf和R134a的物性差异，在汽车空调系统中进行试验对比，结果显示R134a系统制冷效果略优于R1234yf系统[6]；柴玉鹏等对R1234yf和R134a制冷及制热性能进行试验分析，得出采用同一台压缩机，相同工况下R1234yf压缩机功耗比R134a 高约0.76%～5.18%的结论[7]；F.Illán-Gómez等针对空气-水制冷系统使用R1234yf代替R134a发现R1234yf系统在试验中表现出来的制冷量和功耗均比R134a系统差，并且整体效率约降低25%左右[8]；J.M.Mendoza-Miranda等对R1234yf变频制冷机进行能耗模拟，结果显示R1234yf系统的性能系数(COP)比R134a降低了2%～11.3%[9]。然而从以往学者的研究方向看，大多均基于制冷循环尤其是车载系统的本身来分析R1234yf、R134a相互替换后带来的系统性能、效率之间的差异，所使用的试验方法并不具备统一化、标准化的特点，同时对于压缩机本身或冰箱系统性能差异的研究较少，本次考虑到这一研究盲点，以GB∕T 5773-2016《容积式制冷剂压缩机性能试验方法》规定的标准试验方法为基础，深入探究R1234yf、R134a对于冰箱压缩机本身的通用性和性能影响，该研究将对冰箱压缩机企业的技术发展和制冷剂选型有着一定推动作用。

2 R1234yf与R134a的物性差异

2.1 基本物性

R1234yf作为R134a的替代制冷剂二者有较为相近的基本物理性质，二者部分物性对比如表1所示[7][1]。

从表1中数据可以看出，R1234yf对比R134a优势在于GWP值较低，在环境保护方面具有显著替代意义，其他各主要参数偏差在6.2%～21.7%之间，二者物性较为相近，也因此奠定了R134a可以被R1234yf替代的理论基础。

表1 R1234yf与R134a物性对比

2.2 特殊热物性

针对GB∕T 5773-2016《容积式制冷剂压缩机性能试验方法》中的计算方法对R1234yf和R134a的一些特殊热物理性质进行进一步讨论，根据标准中对于压缩机制冷量的计算方法[10]

(1)

式中Φ0a——压缩机实测制冷量，W

qmf——质量流量，kg/s

vga——基本试验工况下，进入压缩机的制冷剂蒸气实测比容，m3/kg

vg1——基本试验工况下，进入压缩机的制冷剂蒸气理论比容，m3/kg

hg1——基本试验工况下，进入压缩机的制冷剂理论比焓，m3/kg

hf1——基本试验工况下，蒸发器膨胀前制冷剂理论比焓，m3/kg

由以上公式(1)看出，对于压缩机制冷量的影响因素较大的是制冷剂在不同温度下的比容、比焓以及流量。由于流量及各类实测数值在按照标准试验过程中存在一定的不可控性，因此理论比容和比焓的数值大小在压缩机制冷量测定时起到了较大影响作用。针对这一方面，本次研究查阅了相关资料，对R1234yf和R134a在不同温度下的气体比容、比焓数值进行对比，结果如图1、2所示。

图1 R1234yf和R134a比焓对比

图2 R1234yf和R134a比容对比

从上图中可以看出在-25 ℃到75 ℃之间时R1234yf和R134a的制冷剂气体比焓随温度缓慢增加，R134a与R1234yf比焓偏差在7.0%～9.6%之间且R134a的比焓值更高。在比容方面，2种制冷剂均是虽温度递增呈现急速下降趋势，二者的偏差在12.4%～23.2%之间，同样R134a的比容值更高。

假定在理论试验工况下，即进入压缩机的制冷剂蒸气实测比容与理论比容一致，由于随温度上升R1234yf的比焓增加比R134a略大，则在相同流量下，按GB/T 5773—2016《容积式制冷剂压缩机性能试验方法》方法计算所得R1234yf机型的制冷量具有小幅优势。另一方面，由于液体粘度的差异使在相同测试条件下冷凝后的R1234yf的流动阻力更小，通常也会导致R1234yf质量流量偏大，进而使得压缩机制冷量更大，但较大的质量流量也会引起功耗的增加。

3 试验系统搭建及工况设计

3.1 试验系统搭建

按GB/T 5773—2016《容积式制冷剂压缩机性能试验方法》中的规定，对于压缩机性能测试按照第二制冷剂量热器法及制冷剂流量法进行综合测定，试验系统的原理如图3所示。

针对标准要求的方法，可以通过压力传感器、温度传感器对循环中各点的温度压力进行采集，进而实现确定系统各点的制冷剂比容和比焓，结合所采集的制冷剂质量流量，可通过公式(1)所示的焓差法对压缩机制冷量进行计算。另一方面，第二制冷剂量热器在系统中作为蒸发器使用，同时按标准要求设有加热装置，通过直接读取加热输入功率，结合质量流量获取压缩机制冷量，此方法即为第二制冷剂量热法。按图3系统原理组建试验装置。

图3 试验系统原理

3.2 工况设计

为直观考察R1234yf和R134a相互替换后对压缩机性能的影响，本次试验设计选择标称使用R1234yf、R134a的冰箱压缩机各一台，使用完全相同的试验装置和工况对二者进行测试，测试转速均为3000 r/min，测试结束后在不进行任何材料替换的情况下，仅仅将R1234yf和R134a制冷剂对调进行二次测试，所用工况为2组，即标准工况和极端工况，具体测试条件如表2所示。

表2 试验工况设计

值得注意的是，由于试验设计存在极端条件的工况，因此在4组试验进行时均对压缩机采用风冷的方式冷却，试验结束时，对压缩机的制冷量、COP、质量流量、排气温度、壳体温度等参数进行采集计算并以此为基础进行分析。

4 试验结果及分析

4.1 制冷量、耗电量及COP对比

根据第2章的试验设备、方法与工况对2台被测压缩机进行检测，其制冷量、耗电量测试结果如图4所示。首先对相同条件下极端工况和标准工况试验数据结果进行对比发现，试验组1和2、3和4、5和6、7和8测的制冷量差异分别为：43%、44.8%、47.0%和47.0%；耗电量差异分别为：33.2%、38.2%、33.6%和39.2%，结果显示在极端工况下无论用何种压缩机配何种制冷剂，都比同样条件下的标准工况的制冷量、耗电量要高且各工况下的偏差差异不大，这也说明了对于压缩机性能检测结果的最主要影响因素仍然在于测试工况本身。其次，对比相同工况下2种压缩机使用不同制冷剂的结果发现，试验组1和5、2和6、3和7、4和8的制冷量差异为：8.0%、12.4%、8.9%和12.4%；对应耗电量的差异为：8.7%、9.3%、9.0%和10.6%，结果显示无论对于标称使用R1234yf的压缩机还是标称使用R134a的压缩机，其结果均为在使用R1234yf制冷剂时测得制冷量和耗电量较大，该实验结果证明了以GB/T 5773—2016《容积式制冷剂压缩机性能试验方法》的条件为试验基础进行测试，则使用R1234yf制冷剂有利于提升压缩机的制冷能力，但其前提条件是牺牲更多的电能耗。

图4 试验系统原理

另一方面，通过公式计算各试验组的COP情况，如表3所示。

表3 试验工况设计

从COP的测试结果来看，对于压缩机本身的性能检测而言，采用R1234yf或R134a的差别不大，对比组1和5、2和6、3和7、4和8，其COP的差异分别为：3.1%、3.4%、0.2%和2.0%，该数据也从侧面证明两类制冷剂具有相当高的通用性。

另外，数据还显示，在极端工况时无论是标称R1234yf的压缩机还是标称R134a的压缩机均是在使用R134a制冷剂时测得的性能系数略高，而在标准工况下，其结果相反。进一步考察其他学者的类似研究发现，对于整体系统的而言，相同条件下应用R1234yf制冷剂比应用R134a制冷剂的制冷量和COP低6%～8%[11-13]，然而以压缩机性能国标针对压缩机进行检测的结果与之不尽相同，由此可进行推断，若想进一步提升R1234yf替代R134a之后整机性能，可着手针对系统的换热端、控制方式等方面进行改进，从本研究可看出，R1234yf和R134a制冷剂选择，对冰箱压缩机本身的性能系数影响比整机系统小的多。

4.2 质量流量对比

测试过程中的制冷剂质量流量对最终制冷量的结果起着决定性的意义，也是反映制冷剂本身属性一个重要因素，本次试验按表2试验组工况测试，显示各试验组制冷剂质量流量如图6、7所示。

图6所示为标称R1234yf的冰箱压缩机分别在极端工况和标准工况使用R1234yf制冷剂和R134a制冷剂的质量流量测试结果。首先，与制冷量测试结果相对应的是在极端工况下使用两种制冷剂的质量流量均远高于在标准工况下的测试结果；第二，使用R1234yf制冷剂在极端工况和标准工况下的测试测试结果分别比使用R134a制冷剂高5.5%和10.9%。图7所示标称R134a的冰箱压缩机各试验组测试结果与图6结果相似，使用R1234yf制冷剂在极端工况和标准工况下的测试结果分别比使用R134a制冷剂高6.3%和11.1%。根据伯努利原理可以获知在相同管径下流体的流速与粘度成反比，参考表1中粘度的对比可以获知，在相同的条件下，R1234yf的流速即质量流量对比R134a有一定优势，对于冰箱压缩机而言亦可以证明使用R1234yf制冷剂在容积效率方面有一定优势。

图6 质量流量测试结果(1)

图7 质量流量测试结果(2)

4.3 排气温度及壳体温度对比

排气温度和壳体温度一方面可以反映压缩机适应工况的能力；另一方面也可以通过温度高低来判断压缩机是否可以持续稳定运行，基于这一方面，对8个试验组的排气温度以及壳体温度进行采集，结果图8、9所示。

图8所示为标称R1234yf的冰箱压缩机分别在极端工况和标准工况使用R1234yf制冷剂和R134a制冷剂的排气温度与壳体温度的测试结果。从排气温度来看，标称使用R1234yf的压缩机更换制冷剂后，对比试验组1和试验组5、试验组2和试验组6其差异分别是1.7%以及0%，同样用以上组别对比壳体温度，其差异为3.9%和5.4%。图9所示出的结果与图8情况类似，不同制冷剂的在2个工况下的排气温度差异分别为0.3%和1.4%、壳体温度差异为8.6%和7.3%。以上结果均表明标称2种不同制冷剂的冰箱压缩机在更替制冷剂后，按国标方法测试所得排气温度差异很小，这在很大程度上取决于2种制冷剂的物性参数很接近，同时也证明二者对于压缩机本身而言有很高的通用性。另一方面，应用R134a制冷剂的试验组5～8压缩机壳体温度较应用R1234yf制冷剂的试验组1～4有明显降低，同时各试验组均是在风冷的环境下进行测试，这在一定程度上证明R134a更有利于避免压缩机由于温度过高而产生相应的安全问题。

图8 排气温度与壳体温度(1)

图9 排气温度与壳体温度(2)

5 结论

通过本次对标称使用2种制冷剂的冰箱压缩机进行理论研究和试验对比，可以得出以下结论：

(1)按国标对压缩机性能进行检测发现使用R1234yf制冷剂有利于提升压缩机本身的制冷量，但也会引起耗电量的增加，最终COP结果与使用R134a相差不大。

(2)引起压缩机本身制冷能力增加的原因在于使用R1234yf制冷剂更有利于增加系统的质量流量。

(3)从排气温度、工况稳定性方面看，R1234yf和R134a对于压缩机本身而言有很强的通用性和可替代性。

(4)使用R134a制冷剂更有利于降低压缩机本体的温度。