王樂樂，戴源德，姜 毅,方名利

（1.南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院能源與動(dòng)力工程研究所，南昌 330031；2.南昌工學(xué)院 新能源車輛學(xué)院，南昌 330108）

0 引言

當(dāng)前國內(nèi)外生產(chǎn)的汽車空調(diào)系統(tǒng)大規(guī)模使用臭氧破壞指數(shù)ODP為0的R134a作為冷媒［1］，但R134a存在溫室效應(yīng)指數(shù)（GWP）高達(dá)1 300，加劇溫室效應(yīng)，能耗大，不溶于礦物油，與PAG油互溶性也不是很好的缺點(diǎn)［2］。

此外，根據(jù)歐盟的制冷工質(zhì)替代法規(guī)（F-GAS）以及2016年的《蒙特利爾議定書》基加利修正案，車用制冷裝置中GWP大于150的制冷工質(zhì)將被逐漸禁用［3-5］。因此，R134a也被認(rèn)為只是一種過渡型的替代物［6-8］，尋找環(huán)保性能優(yōu)良的R134a替代工質(zhì)一直是國內(nèi)外制冷行業(yè)的迫切任務(wù)。

研究發(fā)現(xiàn)［9-10］，二甲醚（工質(zhì)代號(hào) RE170）標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)-24.8 ℃，臨界溫度127.2 ℃，ODP和GWP均為0，環(huán)境性能十分優(yōu)秀，單位容積制冷量與R134a接近，單位質(zhì)量制冷量及能效指標(biāo)COP均優(yōu)于R134a，與傳統(tǒng)礦物油互溶性很好［11-12］，回油性能好，而且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無腐蝕性、無致癌性、無毒，是一種潛在的環(huán)保工質(zhì)，具備替代R134a的潛力；但是RE170存在較強(qiáng)的可燃性限制了其在制冷空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用。為此，國內(nèi)外學(xué)者將其用于替代制冷工質(zhì)時(shí)往往會(huì)添加阻燃劑組成混合工質(zhì)來開展研究；例如，Koyama等［13］、畢勝山等［14］和范曉偉等［15］將 CO2與 RE170 混合，分別用于跨臨界制冷系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)或循環(huán)性能分析，得出了最優(yōu)壓力和最佳質(zhì)量配比；Jung等［16］將 R1270與 RE170混合組成 R432A（質(zhì)量比80/20），得出其COP為R22的1.085倍，GWP小于5，滑移溫度也非常小，但具有一定的可燃性；馮永斌等［17］在RE1270/RE170中添加阻燃劑R13I1，研究得出RE1270/RE170/R13I1混合工質(zhì)COP與單位容積制冷量與R22相當(dāng)，滑移溫度小，排氣溫度和壓比低于R22和R407C；Lee等［18］探討了 R435a（RE170/R152a，質(zhì)量比 80/20）替代R134a用于小型制冷裝置的可行性，得出充注量減少約50%、能耗降低11.8%的結(jié)論；田田等［19］研究了RE170/R227ea與礦物油的互溶性。由于R134a具有優(yōu)秀的熱力性能和阻燃性，選擇將RE170和R134a組成混合工質(zhì)以降低RE170可燃性，達(dá)到安全使用的目的。通過文獻(xiàn)檢索，尚未發(fā)現(xiàn)將RE170與R134a混合用于汽車空調(diào)系統(tǒng)的相關(guān)研究報(bào)道。

1 RE170/R134a的混合質(zhì)量比

基于環(huán)境保護(hù)需要，作為汽車空調(diào)系統(tǒng)的新工質(zhì)必須滿足ODP為0，GWP盡可能小的要求；同時(shí)由于汽車空調(diào)工作條件的特殊性，規(guī)定采用混合工質(zhì)時(shí)溫度滑移不宜超過2.7 ℃，即必須為共沸混合工質(zhì)或近共沸混合工質(zhì)（溫度滑移小于3 ℃的混合工質(zhì)）。將RE170和R134a組成混合工質(zhì)時(shí)，其組分混合質(zhì)量比直接影響到該混合工質(zhì)的環(huán)境性能和溫度滑移特性，因此有必要探討確定RE170/R134a混合工質(zhì)合適的混合質(zhì)量比。

圖1示出RE170/R134a混合工質(zhì)在不同壓力下溫度滑移隨R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化情況，可發(fā)現(xiàn)以任意質(zhì)量比例混合的二元混合工質(zhì)RE170/R134a的溫度滑移遠(yuǎn)小于2.7 ℃；當(dāng)R134a的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于60%時(shí)，溫度滑移急劇增大，但最大仍未超過0.5 ℃，當(dāng)R134a的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于60%時(shí)，溫度滑移小于0.1 ℃，在工作壓力達(dá)到1MPa時(shí)，溫度滑移幾乎為0，可當(dāng)作純工質(zhì)一樣方便使用。從溫度滑移的角度考慮，混合工質(zhì)中的R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)宜小于60%。

圖1 不同壓力下RE170/R134a混合物溫度滑移隨R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

為符合2016年通過的《蒙特利爾議定書》基加利修正案和歐盟制定的制冷工質(zhì)替代法規(guī)的要求，根據(jù)質(zhì)量比加權(quán)準(zhǔn)則［20］，可推算出RE170/R134a混合工質(zhì)中R134a的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到11.5%時(shí)，該混合工質(zhì)的GWP為150，故RE170/R134a中R134a的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)小于11.5%。綜合考慮混合工質(zhì)的物性參數(shù)和性能指標(biāo)，選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%RE170和10%R134a組成新型混合工質(zhì)，取代號(hào)為 NCUR02（霍二光等［21］提出了 NCUR01，主要用于替代當(dāng)前房間空調(diào)器制冷工質(zhì)R22），其ODP為0，GWP為130，對(duì)臭氧層不具破壞性，溫室效應(yīng)指數(shù)也很小，替代R134a用于汽車空調(diào)系統(tǒng)具有較好的環(huán)境性能；且該混合工質(zhì)的溫度滑移只有0.06 ℃，為典型的近共沸混合工質(zhì)。

2 NCUR02的熱力性質(zhì)

將NCUR02替代R134a用于汽車空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，對(duì)這兩種工質(zhì)的熱力性質(zhì)進(jìn)行比較與分析是十分必要的，表1列出了相對(duì)分子質(zhì)量M，標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)ts，臨界溫度tc，臨界壓力Pc，臨界密度Dc和溫度滑移Δt（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）等參數(shù)的對(duì)比結(jié)果。圖2直觀地表示了R134a和NCUR02的飽和壓力曲線對(duì)比情況。

表1 制冷工質(zhì)R134a和NCUR02的基本物性參數(shù)

由表1可知，新型制冷工質(zhì)NCUR02具有以下優(yōu)點(diǎn)：溫度滑移極小，可當(dāng)作純制冷工質(zhì)使用，在替代R134a時(shí)無需重新設(shè)計(jì)換熱器，與原系統(tǒng)所用POE油具有良好的互溶性［22］，有利于實(shí)現(xiàn)“灌注式”替代；標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)與R134a相近，臨界溫度高于R134a，因此適用的溫度范圍更廣；從熱力學(xué)的角度看，替代制冷工質(zhì)最好與原制冷工質(zhì)具有相似的飽和壓力［23］，由圖2可發(fā)現(xiàn)，NCUR02的飽和壓力線與R134a的飽和壓力線吻合度較好且略低于R134a，在替代R134a時(shí)無需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行額外的耐壓處理。

圖2 NCUR02和R134a飽和壓力線對(duì)比

3 理論循環(huán)性能分析

制冷工質(zhì)的循環(huán)性能是工質(zhì)替代中應(yīng)考慮的重要因素，主要參數(shù)包括蒸發(fā)壓力、冷凝壓力、壓力比、排氣溫度、單位質(zhì)量制冷量、單位容積制冷量，以及循環(huán)性能系數(shù)COP。下面對(duì)NCUR02和R134a在標(biāo)準(zhǔn)工況以及變工況下的循環(huán)性能進(jìn)行理論計(jì)算，分析它們的優(yōu)劣。

3.1 計(jì)算模型

制冷工質(zhì)R134a在單級(jí)蒸氣壓縮式制冷空調(diào)系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)，工作原理如圖3所示［24］。工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)吸收駕駛室內(nèi)熱量后汽化，產(chǎn)生的低壓蒸氣被壓縮機(jī)壓縮為高溫高壓氣體，之后在冷凝器內(nèi)被空氣冷卻，凝結(jié)為高壓液體，經(jīng)膨脹閥節(jié)流降壓變?yōu)榈蜏氐蛪簹庖夯旌衔锊⒃俅瘟魅胝舭l(fā)器，進(jìn)行下一次循環(huán)。

圖3 汽車空調(diào)系統(tǒng)原理

熱力計(jì)算模型進(jìn)行了以下基本假設(shè)［25］：（1）制冷工質(zhì)在制冷系統(tǒng)中流動(dòng)無壓力損失（在壓縮機(jī)和膨脹閥內(nèi)除外）；（2）制冷工質(zhì)僅在蒸發(fā)器和冷凝器內(nèi)與外界進(jìn)行熱量交換；（3）制冷工質(zhì)在膨脹閥內(nèi)發(fā)生的節(jié)流降壓過程為等焓過程。循環(huán)的P-h如圖4所示。

圖4 單級(jí)蒸汽壓縮式制冷循環(huán)P-h圖

3.2 標(biāo)準(zhǔn)工況下的循環(huán)性能

按上述熱力計(jì)算模型，使用MATLAB軟件編程并調(diào)用制冷工質(zhì)物性軟件REFPROP 9.0數(shù)據(jù)庫計(jì)算NCUR02和R134a在標(biāo)準(zhǔn)工況（蒸發(fā)溫度-1.1 ℃，過熱度6 ℃，冷凝溫度62.8 ℃，過冷度5 ℃）的循環(huán)性能參數(shù)，壓縮機(jī)等熵效率取0.8，結(jié)果如表2所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)工況下NCUR02和R134a的理論循環(huán)特性參數(shù)

由表2可知，NCUR02的壓力比相比R134a約低5%，有助于降低壓縮機(jī)功耗；壓縮機(jī)排氣溫度相比R134a略有升高；NCUR02的蒸發(fā)壓力和冷凝壓力分別比R134a低9.6%和14.4%左右，對(duì)制冷系統(tǒng)的耐壓性要求不高；從制冷能力考慮，NCUR02的單位質(zhì)量制冷量是R134a的236%，可以有效減少系統(tǒng)的制冷工質(zhì)充灌量，盡管NCUR02的吸氣比容比R134a大，但單位容積制冷量與R134a相當(dāng)，所需壓縮機(jī)容量大小相同；NCUR02的COP相比R134a明顯增大，提高了10%，在循環(huán)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性上有明顯優(yōu)勢(shì)。

3.3 變工況下的循環(huán)性能

汽車空調(diào)工質(zhì)的蒸發(fā)溫度一般為-5～10 ℃，冷凝溫度為50～65 ℃。為進(jìn)一步比較NCUR02和R134a的循環(huán)性能，對(duì)它們?cè)谧児r下的循環(huán)性能進(jìn)行模擬計(jì)算，具體工況為：（1）定冷凝溫度tco為 60 ℃，蒸發(fā)溫度tev在 -5～10 ℃變化；（2）定蒸發(fā)溫度tev為0 ℃，冷凝溫度tco在50～65 ℃變化。壓縮機(jī)等熵效率取0.8，過冷度和過熱度均取 5 ℃。圖 5（a）～（d）分別示出了 NCUR02和R134a的單位容積制冷量qv、COP、壓力比π以及排氣溫度t2隨蒸發(fā)溫度tev的變化情況。由圖可以看出，隨著蒸發(fā)溫度的變化，NCUR02的性能變化與R134a是一致的。由圖5（a）可知，NCUR02和R134a的單位容積制冷量均隨著蒸發(fā)溫度的升高而增大，而且最大相差不超過0.1 kJ/m3，在制冷量相同的情況下所需壓縮機(jī)容量相同。由圖5（b）可知，NCUR02和 R134a的COP隨蒸發(fā)溫度的升高而增大，NCUR02的COP平均比R134a高0.2左右，說明汽車空調(diào)系統(tǒng)采用NCUR02為制冷工質(zhì)具有更高的能效比。由圖5（c）可以看出，NCUR02的壓比稍低于R134a，對(duì)改善壓縮機(jī)的工作條件是有利的。圖5（d）表明NCUR02和R134a的排氣溫度均隨著蒸發(fā)溫度的升高而降低，雖然NCUR02的排氣溫度相比R134a高8 ℃左右，但還遠(yuǎn)低于汽車空調(diào)壓縮機(jī)的排氣溫度上限。

圖5 NCUR02和R134a的單位容積制冷量qv、COP、壓力比π以及排氣溫度t2隨蒸發(fā)溫度tev的變化情況

圖6示出了NCUR02和R134a的單位容積制冷量qv、COP、壓力比π以及排氣溫度t2隨冷凝溫度tco的變化情況。圖6（a）表明，隨著冷凝溫度的升高，NCUR02和R134a的單位容積制冷量均減小，R134a減小的速度明顯比NCUR02快，但它們的單位容積制冷量十分相近，最大差值不超過0.1 kJ/m3。由圖6（b）可看出，新型制冷工質(zhì)NCUR02的循環(huán)性能系數(shù)COP明顯高于R134a，均隨著冷凝溫度的升高而降低。由圖6（c）（d）可見，NCUR02和R134a的壓力比和排氣溫度均隨冷凝溫度的升高而升高，NCUR02的壓力比明顯小于R134a，但排氣溫度相比R134a略有升高，但未超過壓縮機(jī)排氣溫度上限。

綜合NCUR02和R134a在標(biāo)準(zhǔn)工況以及變工況條件下的循環(huán)性能分析可知，NCUR02的工作壓力略低于R134a，但明顯高于大氣壓，防止系統(tǒng)在“負(fù)壓”下運(yùn)行的同時(shí)降低了制冷系統(tǒng)的循環(huán)壓力，減少制冷工質(zhì)泄漏的可能性。NCUR02的單位質(zhì)量制冷量大約是R134a的兩倍，可有效減少制冷工質(zhì)充灌量，而且NCUR02的單位容積制冷量與R134a相當(dāng)，所需壓縮機(jī)容量相同。NCUR02的COP明顯高于R134a，壓力比小于R134a，有利于減小壓縮機(jī)的能耗，系統(tǒng)更加節(jié)能。雖然NCUR02的排氣溫度相比R134a提高了8 ℃左右，但仍在汽車空調(diào)壓縮機(jī)允許的溫度范圍。因此，用新型制冷工質(zhì)NCUR02替代R134a，系統(tǒng)部件不需要進(jìn)行特殊的耐高壓處理，壓縮機(jī)不需要做任何的改動(dòng)，在維持同等制冷量的前提下減小制冷工質(zhì)充灌量，減小壓縮機(jī)功耗，提高循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性，可實(shí)現(xiàn)“灌注式”替代。

圖6 NCUR02和R134a的單位容積制冷量qv、COP、壓力比π以及排氣溫度t2隨蒸發(fā)溫度tev的變化情況

4 試驗(yàn)研究

4.1 試驗(yàn)原理和設(shè)備

利用焓差試驗(yàn)室，對(duì)NCUR02和R134a的實(shí)際循環(huán)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，測(cè)試試驗(yàn)原理如圖7所示。焓差試驗(yàn)室由保溫隔層、空氣調(diào)節(jié)裝置、風(fēng)量測(cè)量設(shè)備、溫濕度采樣設(shè)備、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。調(diào)節(jié)冷凝器室和蒸發(fā)器室的空氣狀態(tài)至規(guī)定工況，內(nèi)機(jī)出風(fēng)的干、濕球溫度t1，t2由風(fēng)洞內(nèi)的2個(gè)鉑電阻溫度傳感器分別測(cè)得，得到內(nèi)機(jī)出風(fēng)空氣焓值為h0；內(nèi)機(jī)回風(fēng)的干、濕球溫度t3，t4由溫濕度采樣設(shè)備測(cè)得，并得到室內(nèi)回風(fēng)的空氣焓值hi，循環(huán)風(fēng)量qm由風(fēng)量測(cè)量設(shè)備測(cè)得，制冷量由qm與回風(fēng)出風(fēng)的焓差相乘得到；壓縮機(jī)軸功通過扭矩儀測(cè)得，通過計(jì)算軸功得到壓縮機(jī)的輸入功率；進(jìn)而通過制冷量和輸入功率獲得系統(tǒng)能效比；制冷工質(zhì)溫度和壓力由鉑電阻溫度傳感器和壓阻式壓力傳感器測(cè)得。試驗(yàn)數(shù)據(jù)由電腦采集，測(cè)量參數(shù)精度見表3。

圖7 焓差試驗(yàn)室原理

表3 測(cè)量參數(shù)精度

該系統(tǒng)采用定排量壓縮機(jī)，排量170 mL/r；冷凝器（550 mm×500 mm×16 mm，36根扁管）和蒸發(fā)器（350 mm×280 mm×38 mm，雙排扁管，每排32根）；測(cè)試4種工況下系統(tǒng)充灌R134a、NCUR02的循環(huán)性能，測(cè)試工況由GB/T21361-2008《汽車用空調(diào)器》規(guī)定，工況參數(shù)見表4。按照SAE規(guī)定的制冷工質(zhì)充注量的測(cè)試工況［26］，往系統(tǒng)中充入制冷工質(zhì)，在測(cè)試工況下穩(wěn)定運(yùn)行后，若冷凝器出口過冷度達(dá)5 ℃，排氣壓力不超過1.8 MPa，說明充灌量合適，否則繼續(xù)充灌至達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)為止；試驗(yàn)中，依次將表4的工況設(shè)置為試驗(yàn)工況，機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行后開始記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，每隔5 min采集一次數(shù)據(jù)，各工況采集5組，取均值為測(cè)量值。

表4 汽車空調(diào)測(cè)試工況

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

NCUR02和R134a的測(cè)試結(jié)果見表5。由表5可知，在一樣的測(cè)試工況下，使用相同的壓縮機(jī)和潤滑油，NCUR02充灌量是R134a的57.0%，主要是因?yàn)镹CUR02液體密度更??；NCUR02制冷量約為R134a的98.4%，壓縮機(jī)耗功相比R134a降低8.7%，COP相比R134a提高了7.7%；系統(tǒng)充灌NCUR02后，排氣溫度平均提高了9 ℃，在最大負(fù)荷工況時(shí)排氣溫度最高，達(dá)到102.3 ℃，仍比常用汽車空調(diào)壓縮機(jī)排氣溫度上限低30 ℃左右；NCUR02排氣壓力約比R134a低0.174 MPa。綜上可得，試驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果基本一致。

表5 NCUR02、R134a試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

如果系統(tǒng)大小改變，可以適當(dāng)調(diào)節(jié)制冷工質(zhì)充灌量來完成試驗(yàn)測(cè)量?？紤]到焓差試驗(yàn)室系統(tǒng)的制冷工質(zhì)管路與車用空調(diào)制冷工質(zhì)管路有較大差別，可以在汽車空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)一步測(cè)試更大工況范圍的系統(tǒng)性能。

5 結(jié)論

（1）NCUR02的ODP值為零，GWP值為130，僅為R134a的10%，環(huán)保性能優(yōu)秀，完全符合新型制冷工質(zhì)選用原則中的環(huán)保要求。

（2）在熱力性質(zhì)方面，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下NCUR02的溫度滑移小于0.1 ℃，是近共沸混合工質(zhì)，飽和壓力線與R134a相似，有利于實(shí)現(xiàn)“灌注式”替代，降低替代成本。

（3）系統(tǒng)運(yùn)行壓力略低于R134a，對(duì)系統(tǒng)部件和管路的耐壓性無特殊要求，單位容積制冷量與R134a相近，且與POE油互溶性好，替代R134a時(shí)無需更換壓縮機(jī)。

（4）NCUR02的單位質(zhì)量制冷量大約是R134a的2倍，可有效減少制冷工質(zhì)充灌量。

（5）理論計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試均表明，在汽車空調(diào)工況下，NCUR02的性能系數(shù)相比R134a提高了10%左右。