R1234yf和R134a制冷及制熱性能實(shí)驗(yàn)研究

柴玉鵬 馬國(guó)遠(yuǎn) 許樹(shù)學(xué) 丁若晨 俞麗華

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R1234yf和R134a制冷及制熱性能實(shí)驗(yàn)研究

柴玉鵬1馬國(guó)遠(yuǎn)1許樹(shù)學(xué)1丁若晨1俞麗華2

（1.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院 北京 100124；2.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院 北京 100013）

通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)R1234yf的制冷及制熱性能進(jìn)行測(cè)試，并與R134a進(jìn)行比較。測(cè)試結(jié)果表明，相同工況下，采用同一壓縮機(jī)，R1234yf的排氣溫度更低，能在更大的工況范圍內(nèi)運(yùn)行；R1234yf功耗比R134a高0.76%～5.18%；R1234yf的制冷量和制冷COP與R134a相比因工況的不同而大小不同；R1234yf的制熱量和制熱COP與R134a相比分別小0.75%～27.08%和1.50%～29.96%。

R1234yf；R134a；制冷性能；制熱性能；COP

0 引言

當(dāng)前，隨著環(huán)保問(wèn)題的緊迫，全球范圍內(nèi)的HCFCs替代問(wèn)題日益提上日程?！睹商乩麪栕h定書(shū)》締約方第19次會(huì)議[1]提出并通過(guò)了加速淘汰HCFCs的修正案。目前天然工質(zhì)、HFCs、HCs及它們的混合物是HCFCs主要使用的替代工質(zhì)。HFCs的ODP為0，但大多數(shù)HFCs具有較高的GWP，并且大氣壽命長(zhǎng)，大量使用會(huì)使全球變暖。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，HFCs制冷劑也要遭到淘汰。HCs大多易燃，使用時(shí)比較危險(xiǎn)。2006年6月14日，歐盟通過(guò)F-gas法規(guī)[2]，規(guī)定2011年開(kāi)始，所有新開(kāi)發(fā)平臺(tái)的汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)中不能使用GWP>150的制冷劑，到2017年，所有銷(xiāo)售的汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)中，不得使用GWP>150的制冷劑。

第四代制冷劑R1234yf作為R134a制冷劑的主要替代品引起了人們的注意。眾多的研究者針對(duì)其基礎(chǔ)物性進(jìn)行了研究。王博等[3]發(fā)表了R1234yf的物理特性、環(huán)境特性、燃燒特性、毒性、材料相容性的論文。文獻(xiàn)[4-7]研究了R1234yf在不同純度、不同溫度下的飽和蒸氣壓。呂萍等[8]基于前人的研究，擬合得到了一個(gè)四項(xiàng)Wagner型R1234yf蒸氣壓專(zhuān)用方程，適用溫度范圍為224.120～366.005K。姜昆等[9]基于Peng-Robinson通用狀態(tài)方程，采用基團(tuán)貢獻(xiàn)原理以及多項(xiàng)式擬合方法，建立了符合精度要求的新型LGWP制冷劑R1234yf的熱物性模型，并求解得到了較為全面的R1234yf熱物性數(shù)據(jù)。新發(fā)現(xiàn)的環(huán)保制冷劑R1234yf性質(zhì)與R134a極其相似，可以用于替代R134a在汽車(chē)空調(diào)中使用[10]。Arif Emre Ozgur等[11]運(yùn)用熱力學(xué)定律研究了R1234yf與R134a分別在蒸汽壓縮制冷循環(huán)中的有用功損失率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)R1234yf的有用功損失率低于R134a。余鵬飛等[12]建立制冷系統(tǒng)模型，對(duì)汽車(chē)空調(diào)新型制冷劑R1234yf替代R134a的制冷系統(tǒng)進(jìn)行了性能分析，結(jié)果表明在冷凝溫度為50℃，蒸發(fā)溫度在0～18℃，R1234yf相對(duì)R134a制冷劑，COP低4.3%～6.9%；壓縮機(jī)功率高4.2%～6.4%。曹霞[13]分別在汽車(chē)空調(diào)臺(tái)架測(cè)試和實(shí)車(chē)性能試驗(yàn)結(jié)果表明，直接充注R1234yf制冷劑后，系統(tǒng)制冷量和COP與原R134a系統(tǒng)偏差均在5%左右。Jignesh Gohel等[14]在汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)中用R1234yf替代R134a進(jìn)行熱力循環(huán)分析，結(jié)果表明：在冷凝溫度35℃或55℃時(shí)，R1234yf的制冷效果和COP在中間冷卻或不進(jìn)行中間冷卻的系統(tǒng)中都低于R134a，但帶有中間冷卻器且冷凝溫度較低時(shí)兩者的差距較小。J Navarro-Esbri等[15]在中間冷卻蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)中用R1234yf替代R134a的實(shí)驗(yàn)研究得到了與文獻(xiàn)[14]相似的結(jié)論。E Navarro等[16]在活塞式制冷壓縮系統(tǒng)中對(duì)R1234yf、R134a、R290進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明R1234yf的排氣溫度比其他制冷劑低10℃左右，熱損失小于R134a，但高于R290。魏新利等[17]建立了以R134a為工質(zhì)的兩相噴射器熱力學(xué)模型，結(jié)果表明：隨蒸發(fā)溫度的升高或冷凝溫度的降低，噴射器最優(yōu)混合壓力的取值點(diǎn)越靠近引射壓力，噴射系數(shù)增加，系統(tǒng)COP升高。王林等[18]則以R1234yf作為噴射制冷循環(huán)工質(zhì)，建立了噴射制冷循環(huán)熱力學(xué)數(shù)學(xué)模型，研究結(jié)果表明：相同的工況下，采用R1234yf為工質(zhì)噴射制冷循環(huán)可獲得最高噴射器噴射因數(shù)和最大制冷量，但R1234yf的COP較R134a低7.0%。金聽(tīng)祥等[19,20]首先對(duì)R1234yf在家用空調(diào)中替代R22進(jìn)行理論分析，得出其替代的可行性；接著進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)工況下R1234yf制冷量比R22低28%，COP低0.25，排氣溫度低7℃。高溫工況下R1234yf的性能比R22好，COP比R22高0.02，排氣溫度低12.7℃。

綜上，人們對(duì)于R1234yf的研究大都停留在理論或制冷研究階段，針對(duì)R1234yf的低溫工況制熱的研究較少。實(shí)驗(yàn)室[21,22]致力于熱泵/制冷機(jī)組的研究已有多年，本文搭建了熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，基于國(guó)產(chǎn)某品牌的渦旋壓縮機(jī)對(duì)R1234yf的制冷和制熱性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并與R134a進(jìn)行比較，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)完善R1234yf系統(tǒng)提供指導(dǎo)。

1 R1234yf的基本物性

R1234yf是Honeywell和DuPont聯(lián)合開(kāi)發(fā)用于R134a替代的新型汽車(chē)制冷劑，表1所示為R134a和R1234yf的熱物理和環(huán)保特性。

表1 R1234yf與R134a的熱物理和環(huán)保特性

R1234yf的安全等級(jí)是A2L，具有弱可燃性，但在實(shí)際使用中足夠安全[23]。其次，R1234yf對(duì)碳鋼、不銹鋼、銅和黃銅等金屬材料不具有活性和腐蝕性，但與鋁、鎂、鋅反應(yīng)，與塑料、橡膠等彈性體相容性均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)[24]。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

采用第二制冷劑量熱器法對(duì)R1234yf系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，原理如圖1所示。工作過(guò)程如下：壓縮機(jī)排出的高溫、高壓制冷劑氣體，經(jīng)殼管式水冷冷凝器將熱量傳遞給水后變?yōu)橹评鋭┮后w。從冷凝器出來(lái)的高壓制冷劑，經(jīng)手動(dòng)膨脹閥節(jié)流后進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器吸收量熱罐內(nèi)第二制冷劑的熱量，蒸發(fā)變?yōu)榈蛪褐评鋭怏w，然后被壓縮機(jī)吸入，構(gòu)成了一個(gè)封閉的工作循環(huán)。

圖1 R1234yf熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

表2 主要實(shí)驗(yàn)儀器

為了更好的評(píng)價(jià)系統(tǒng)的性能，本實(shí)驗(yàn)對(duì)其主要部位的溫度傳感器、壓力傳感器及冷卻水水流量計(jì)、壓縮機(jī)功率計(jì)、量熱器功率計(jì)等儀器儀表進(jìn)行了標(biāo)定，其主要測(cè)量?jī)x器儀表見(jiàn)表2。

對(duì)機(jī)組的運(yùn)行性能進(jìn)行測(cè)試時(shí)需直接測(cè)量的參數(shù)包括：吸氣溫度及壓力、排氣溫度及壓力、冷凝器進(jìn)出口溫度及壓力、冷卻水進(jìn)出口溫度、冷卻水流量、過(guò)冷溫度及壓力、壓縮機(jī)功率、量熱器出口溫度及出口壓力、量熱器功率。通過(guò)PID控制儀表進(jìn)行控制，并保證各參數(shù)值恒定，測(cè)試數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行采集。需間接測(cè)量的量為：冷卻水進(jìn)出口溫差、制熱量Q、制熱COP、制冷COP。

冷卻水進(jìn)出口溫差為：

制熱量計(jì)算公式為：

式中，Q為單位時(shí)間制熱量，kW；為水的比熱容，kJ/(kg·℃)；為水的密度，kg/m3；為水單位時(shí)間內(nèi)的體積流量，m3/s；為冷卻水進(jìn)出口溫差，℃。

制熱COP計(jì)算公式為：

制冷COP計(jì)算公式為：

式中，Q為制冷量，即量熱器功率，kW。

采用標(biāo)準(zhǔn)不確定度的B類(lèi)評(píng)定方法[25]，經(jīng)計(jì)算可知本實(shí)驗(yàn)制熱量及性能系數(shù)的最大誤差分別約為4.5%、2.0%。實(shí)驗(yàn)工況如下：冷凝溫度45℃，蒸發(fā)溫度-25～0℃，過(guò)冷度5℃，吸氣過(guò)熱度分別為3～11℃。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2所示為排氣溫度隨過(guò)熱度的變化曲線。由圖2可知，隨著過(guò)熱度的升高，壓縮機(jī)的排氣溫度逐漸升高，在相同工況下，R1234yf的排氣溫度小于R134a的排氣溫度。R1234yf的排氣溫度均低于80℃，R134a的排氣溫度在105℃以下，兩者隨過(guò)熱度的變化趨勢(shì)相同。在蒸發(fā)溫度為-10℃時(shí)，R1234yf的排氣溫度較R134a低11.96℃～14.11℃；蒸發(fā)溫度為-20℃時(shí)，R1234yf的排氣溫度相比R134a降低20.92℃～24.57℃，平均降低22.33℃。表明同一系統(tǒng)使用R1234yf制冷劑替代R134a，可以提高壓縮機(jī)在中低溫工況下運(yùn)行的可靠性，并延長(zhǎng)壓縮機(jī)的使用壽命。

圖2 排氣溫度隨過(guò)熱度的變化

圖3所示為排氣溫度隨蒸發(fā)溫度的變化曲線。由圖3可知，隨著蒸發(fā)溫度的逐漸降低，壓縮機(jī)的排氣溫度逐漸升高，并且在相同工況下R1234yf的排氣溫度小于R134a的排氣溫度。蒸發(fā)溫度為0℃時(shí)，R1234yf的排氣溫度相比R134a降低8.72℃，隨著蒸發(fā)溫度逐漸降低，二者的排氣溫度差值逐漸增大，在-20℃蒸發(fā)溫度時(shí)，R1234yf系統(tǒng)的排氣溫度為74.91℃，R134a系統(tǒng)的排氣溫度為99.49℃，相比降低24.57℃，甚至R1234yf系統(tǒng)在蒸發(fā)溫度為-25℃時(shí)的排氣溫度都較R134a在蒸發(fā)溫度為-20℃的排氣溫度低，這進(jìn)一步說(shuō)明了在低溫工況下用R1234yf替代R134a的系統(tǒng)可以提高壓縮機(jī)的可靠性，并且比R134a具有更寬的工作范圍。

圖3 排氣溫度隨蒸發(fā)溫度的變化

圖4所示為壓縮機(jī)功耗隨蒸發(fā)溫度的變化曲線。由圖4可知，蒸發(fā)溫度較低時(shí)，兩種情況下的壓縮機(jī)消耗功率相差不大，隨著蒸發(fā)溫度逐漸升高，兩種情況下的壓縮機(jī)消耗功率差值逐漸增大。R1234yf的壓縮機(jī)消耗功率大于R134a的壓縮機(jī)的消耗功率，前者比后者大0.76%～5.18%。R1234yf系統(tǒng)壓縮機(jī)消耗功率較大的原因是由于在相同環(huán)境下R1234yf的汽化潛熱小于R134a的汽化潛熱，若在相同制冷量的條件下，R1234yf的充注量較R134a的多，導(dǎo)致壓縮機(jī)的吸、排氣量比較大，壓縮機(jī)消耗功率增大。

圖4 壓縮機(jī)功率隨蒸發(fā)溫度的變化

圖5-圖6所示為制冷量和制冷COP隨蒸發(fā)溫度的變化曲線。由圖5-圖6可知，隨著蒸發(fā)溫度的逐漸升高，制冷/熱泵系統(tǒng)的制冷量和制冷COP逐漸增大。在相同測(cè)試工況下，蒸發(fā)溫度較低時(shí)，R1234yf的制冷量和制冷COP均大于R134a的制冷量和制冷COP；蒸發(fā)溫度較高時(shí)，則反之。蒸發(fā)溫度為-20℃時(shí)，前者的制冷量、制冷COP分別比后者大5.44%、4.65%；蒸發(fā)溫度為0℃時(shí)，前者的制冷量、制冷COP分別比后者小7.34%、11.90%；而蒸發(fā)溫度為-16℃左右時(shí)，二者的制冷量、制冷COP基本相當(dāng)。R1234yf系統(tǒng)的制冷量增加的變化率小于其對(duì)應(yīng)的壓縮機(jī)消耗功率增加變化率，從而導(dǎo)致R1234yf系統(tǒng)制冷COP的效果相比于R134a的較低或相當(dāng)或較高。

圖5 制冷量隨蒸發(fā)溫度的變化

圖6 制冷COPc隨蒸發(fā)溫度的變化

圖7-圖8所示為制熱量和制熱COP隨蒸發(fā)溫度的變化曲線。由圖7-圖8可知，隨著蒸發(fā)溫度的逐漸升高，系統(tǒng)的制熱量和制熱COP逐漸增大。R1234yf的制熱量和制熱COP均小于R134a系統(tǒng)的制熱量和制熱COP，蒸發(fā)溫度越低，兩者的制熱量和制熱COP相差越小，蒸發(fā)溫度為-20℃左右時(shí)，二者的制熱量和制熱COP基本相當(dāng)，但總體來(lái)看前者的制熱量比后者小0.75%～27.08%，前者的制熱COP比后者小1.50%～29.96%。R1234yf系統(tǒng)制熱量較小的原因是由于雖然R1234yf的充注量較大，但R1234yf的汽化潛熱較低，導(dǎo)致R1234yf系統(tǒng)的制熱量低于R134a。由圖4、圖7可以看出R124yf系統(tǒng)的制熱量增加的變化率小于與其對(duì)應(yīng)的壓縮機(jī)消耗功率增加的變化率，導(dǎo)致其產(chǎn)生制熱COP的效果不佳，低于R134a。

圖7 制熱量隨蒸發(fā)溫度的變化

圖8 制熱COPh隨蒸發(fā)溫度的變化

4 結(jié)論

本文搭建了熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)R1234yf的性能進(jìn)行實(shí)測(cè)并與R134a對(duì)比，得出的結(jié)論如下：

（1）蒸發(fā)溫度為-10℃時(shí)，R1234yf的排氣溫度比R134a平均降低12.91℃；蒸發(fā)溫度為-20℃時(shí)，R1234yf的排氣溫度相比R134a平均降低22.33℃。

（2）采用同一臺(tái)壓縮機(jī)，相同工況下R1234yf壓縮機(jī)功耗比R134a高約0.76%～5.18%。

（3）以蒸發(fā)溫度-16℃為界，低于此溫度時(shí)，R1234yf的制冷量和制冷COP均大于R134a；高于此溫度時(shí)，R134a的制冷量和制冷COP高于R1234yf。

（4）蒸發(fā)溫度-20℃以上，R1234yf的制熱量比R134a系統(tǒng)的制熱量小0.75%～27.08%，制熱COP小1.50%～29.96%。

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Experimental Research on Cooling/Heating Performance Using R1234yf and R134a

Chai Yupeng1Ma Guoyuan1Xu Shuxue1Ding Ruochen1Yu Lihua2

( 1.College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing, 100124;2.National Institute of Metrology, Beijing, 100013 )

The experiment platform was built and tested the cooling and heating performance of R1234yf, and compared with R134a. The results show that, in the same operating conditions and using the same compressor, the discharge temperature of R1234yf was lower, and stable operating conditions was broader; the power consumption of R1234yf was 0.76%～5.18% higher than R134a; the cooling capacity andCOPof R1234yf produced different results with different operating conditions compared with R134a; the heating capacity andCOPof R1234yf were 0.75%～27.08%, 1.50%～29.96% lower than R134a, respectively.

R1234yf; R134a; cooling performance; heating performance; COP

1671-6612（2017）04-435-06

TB61

A

北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（3154032）

柴玉鵬（1990.10-），男，在讀碩士研究生，E-mail：1205967341@qq.com

許樹(shù)學(xué)（1981.08-），男，工學(xué)博士，碩士生導(dǎo)師，E-mail：xsx@bjut.edu.cn

2016-09-09