制冷剂R1234yf物性及应用发展研究＊

宋明浩，张铁臣，汪琳琳

（1.河北工业大学能源与环境工程学院，天津 300401；2.中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300）

前言

现在绝大多数汽车空调系统使用的制冷剂是R134a，这种制冷剂属于HFC类制冷剂，由于其高达1430的GWP值，加剧了温室效应，在一定年限前将禁止使用。由霍尼韦尔和杜邦公司联合推出的新型化合物制冷剂R1234yf成为替代R134a的新型制冷剂之一。R1234yf又称四氟丙烯，其分子式为CF3CF=CH2，其OPD指数为0，GWP指数仅为4，完全符合如今制冷剂“零ODP、低GWP”的需求。美国机动车工程师学会对R1234yf作为汽车空调制冷剂进行了测试和研究[1]，确定其安全性和可靠性，可以作为下一代新型制冷剂使用，R1234yf成为替代R134a的新型制冷剂之一。

因为R1234yf属于人工合成的制冷剂，对于其与R134a的物性方面的差异，导致其直接替换现行R134a系统的性能和运行条件上有所差异，许多学者对R1234yf与R134a在物理、热力学性质、传热性质和系统实验等方面的差异性等进行相关研究并提出改进方案。本文对R1234yf和R134a的物性参数进行了比对，并根据文献分析了R1234yf传热性质，分析两者在系统实验中性能的差异和各自的不足，并根据文献研究指出改进的方向与未来的发展。

1 R1234yf物性研究进展

作为R134a替代制冷剂，R1234yf首先要满足环保无害、优良的热力学性能、安全性等因素。下文根据文献中的研究，分析了R1234yf的以上性质。

1.1 基本性质

R1234yf具有与R134a接近的热力学性质。在表1[2-3]中可以看出，R1234yf的GWP和大气寿命分别为4和11天，远远低于R134a；其安全等级为A2L，相较于R134a具有略微的可燃性；R1234yf气相密度比R134a高16%，液相密度低10%，液体导热系数和液体粘度低20%左右；R1234yf潜热比R134a略低，这导致其换热性能会有所减弱；而R1234yf的沸点为-29℃，比R134a更低，更加适合低温工况下工作。

表1 R1234yf与R134a主要性质对比[2-3]

1.2 基本性质

制冷剂的安全问题一直是新型制冷剂能否被行业接受的关键因素。R1234yf被美国采暖、制冷和空调工程师协会（ASHRAE）评定为A2L，具有轻微的可燃性。相较于其他制冷剂来说，R1234yf具有更低的燃烧区域、燃烧速度和更高的点燃能量[4]。霍尼韦尔公司进行了明火点燃试验，结果表明R1234yf在发动机侧的可燃性风险和R134a相同。然而在更复杂的环境条件下，R1234yf的可燃极限会随其变化。R1234yf在不同湿度下的可燃极限随之变化，随着湿度的增加，R1234yf的可燃极限区间在增加，这增加了燃烧的可能性。这也是现今R1234yf被部分地区限制使用的原因之一。为了减小制冷剂的可燃极限范围，可以使用R134a作为阻燃剂，加入阻燃剂能降低R1234yf的火焰传播速度。

除了可燃性，霍尼韦尔也对R1234yf完成了毒性检测[4]，认为R1234yf属于低毒类化学物质，当吸入时可引起嗜睡和注意力不集中，头晕眼花，眼睛、皮肤和呼吸道系统不适，其毒性低于R134a。

1.3 传热性质

1.3.1 冷凝传热

对于R1234yf的传热系数，研究其在各种管路中的不同对改善R1234yf的传热过程有着重要意义。Yang[5]的实验数据显示两种制冷剂的传热系数都随着质量流速和蒸汽干度的增加而增加。在低质量流速下，R1234yf和R134a的结果相近；在高质量流量下，R1234yf的冷凝传热系数比R134a低约10%。总体来说，R1234yf的冷凝传热系数要略小于R134a。

除此之外，温度对冷凝换热的影响有着很大的影响。随着饱和温度的升高，在相同质量流速下，液体与气体密度比和液体导热率逐渐降低[6]；当冷凝温度越低时，粘度越小，管壁上形成的液膜厚度更小，减少了热阻；同时液相导热系数越大，通过液膜的换热量更大；以及R1234yf对应的气液两相饱和状态焓差增大，即相变潜热变大，相同的流量下释放更多的热量。这几点使得制冷剂的传热系数随着实验饱和温度的升高而降低，这一差距在高质量流速下更加明显，其原因是高质量流速下，与壁面换热的液膜厚度更小，加强了饱和温度对换热的影响。

另一方面，工质在冷凝器中的压降大小也是衡量工质性能的重要因素。由于R1234yf的高气体密度和低液体粘度与气体粘度，使其具有低于R134a的压降。较高的气体密度导致了在相同的质量流速和蒸汽干度下，具有更低的蒸汽速度，导致压降减小；而低液体和气体粘度导致流动阻力减小，又会增加压降。综合的来看，两者的共同作用导致R1234yf和R134a在不同的流动情况下具有较为相似的压降梯度。R134a的冷凝压降逐渐比R1234yf大，最大值为20%[5]，质量流速的提升会加快这一转变，更大的压降也会恶化制冷剂的压力工作环境，所以相较于R134a，R1234yf具有更好的压降性能。

1.3.2 沸腾传热

对于R1234yf与R134a的沸腾传热系数，在圆形微通道和圆管中两者的传热系数大小相似。而Yang[7]在内径4mm的圆管内中的实验中显示R1234yf的沸腾传热系数小于R134a，并认为蒸汽干度和质量通量对换热的影响显著。数据显示在整个实验范围内，蒸汽干度和质量流速较小时R1234yf的沸腾传热系数和R134a的相似，在其他情况下，R1234yf的传热系数均小于R134a；Anwar[8]探究了干燥现象出现的规律，R1234yf在更低的热通量下出现了干燥现象，这一现象与其汽化潜热值较小有关，和R134的汽化潜热的差异成正比。

对于现在常用的蒸发器微通道管路，部分为矩形，在矩形管中的传热特性不同于在圆管[9]。相较于圆管，矩形管道的表面应力对流动传热的影响更大尤其是在低质量流速下。矩形管路中在低质量流速下的表面张力将液体拉到流动通道的角落，大部分冷凝液体仍然聚集在流道的拐角处。这在管壁上形成了一层非常薄的液膜，其性能类似于环形流，这一现象在高质量流速下更加明显，而R1234yf的表面张力相较于R134a来说更小，形成的液膜厚度更大，同时液体导热系数更小，两者同时作用，使得矩形微通道管路中R1234yf的传热性能小于R134a。

2 R1234yf发展方向研究

2.1 热泵系统研究

对于在空调系统中的性能研究显示，R1234yf相较于R134a具有更低的排气温度，更高的压缩机功耗和较低的能力，其中更低的排气温度使得R1234yf具有更稳定的压缩机运行状况。而从系统能力来看，两者在制冷和热泵工况下差距不大，R1234yf制冷量/制热量比R134a低，但在制热情况下，随着蒸发温度的降低，两者的差距逐渐缩小，R1234yf在-20℃的蒸发温度下其制热量与R134a相当，随着室外温度的降低，R134a和R1234yf的换热能力差距逐渐减小。R1234yf系统的压缩机功耗高0.76%～5.18%[10]。R1234yf由于其物性的影响，更适合在低温热泵下工作，尽管R1234yf 的换热能力较小，但由于 R1234yf具有更高的气相密度，带来更高的质量流量，这一优势弥补了部分换热不足的影响，使得两者之间差距较小。

2.2 系统优化改善研究

针对R1234yf在传热系数及潜热较小带来的不利影响，对其从结构上进行优化是许多学者研究的内容。其一是增设回热器提高系统的热量利用，进而增加冷凝器出口的过冷度和压缩机进口的温度，既改善了系统的换热效率，也有利于系统的稳定。张耘[11]使用KULI对中间回热器设计进行优化，在验证了模型的准确性后，采用管长600mm，肋片数6，液外气内的结构的同轴管。使用这种回热器的R1234yf系统制冷量提升了15.7%，COP提升了10%；与原R134a系统相比的制冷量提高3.2%，COP提高2.7%。

另一种方法是使用强化补气技术（EVI），这种方法相较于R134a系统来说，对R1234yf系统的增益更加明显。刘雨声[12]在采用EVI的热泵系统进行试验，制热量与COP相比不使用强化补气技术的R1234yf系统提升30%和14%。采用R1234yf制冷剂的EVI热泵系统制热量与COP分别比采用R134a制冷剂的EVI热泵系统低6.7%和4.5%；Li[13]对R1234yf针对低温工况在热泵台架中使用了EVI技术，并与同样工况下的R134a热泵实验进行了比对，在10℃和20℃时，采用EVI的R1234yf热泵系统能力提升很大，分别为27.4%和19.9%；与之相比，R134a热泵系统提升为27.1%和17.1%。

2.3 混合工质研究

另一种解决R1234yf换热不足问题的方法是使用混合工质，即将R1234yf与其他工质以一定比例混合，许多学者通过研究混合工质中R1234yf的质量比重来改善其换热能力不足和易燃的缺点。杨梦[14]等人对R134a/R1234yf（56：54）制成的混合工质R513A进行了研究，R513A不可燃，无毒，具有较R134a更为出色的制冷性能。但由于R513A的GWP值为570，远大于R1234yf，其在汽车空调的应用前景并不明朗。随后孟照峰等[15]在使用微通道换热器的汽车空调系统中，使用R1234yf/R134a（质量分数比为89∶11）替代R134a实验，测得混合制冷剂 R1234yf/R134a和R134a的制冷量接近，COP 相较于R134a低4%～9%，其GWP值低于150，符合F-gas 法规。可见在混合工质中R134a所占的比重越多，其汽化潜热值越高，换热性能越好，但同时，GWP也会有所增长，不利于环保于推广；而随着R1234yf比重的增加，其换热性能会有所下降，但混合后的工质气体密度增加，有利于产生更大的质量流量，同时也继承了R1234yf压降小，排气温度较低等优点。综合来看，R1234yf与R134a混合工质中的比重分配需要衡量更多的因素。

3 结论

对于制冷剂 R1234yf，其物性与 R134a 相近且更为环保。从安全性来看，R1234yf 具有较低的可燃性与毒性。R1234yf 在换热方面较 R134a 略有下降，但其具有压降小，质量流量高，排气温度低和在优良的低温制热性能等优点。此外，R1234yf系统可以通过增加回热器、 强化补气技术或使用其与R134a 混合组成的制冷剂来增强其换热能力。综上所述，R1234yf作为新型环保制冷剂之一，具有一定的应用前景。