趙 洋，蔡 寧，李志強(qiáng)，劉祥雨

(中家院(北京)檢測認(rèn)證有限公司，北京 100176)

1 引言

制冷劑是制冷系統(tǒng)循環(huán)工作工程中的傳熱工質(zhì)，不同制冷劑的選擇對制冷循環(huán)中壓縮機(jī)的設(shè)計、換熱器及閥門的選型起著決定性的影響。傳統(tǒng)的氟氯烴類(CFCs、HCFCs)制冷劑由于其優(yōu)異的物理特性于2000年以前被廣泛的應(yīng)用于各類制冷系統(tǒng)中，但是，隨著中國加入《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》(以下簡稱《蒙特利爾議定書》)以及近年來《蒙特利爾議定書》不斷調(diào)整制冷劑的淘汰方案，氟氯烴類制冷劑逐步被ODP、GWP值更低的制冷工質(zhì)所取代[1-4]。當(dāng)前，R1234yf制冷劑已成為替代R134a的主要方案之一，該制冷劑的ODP指數(shù)為0，GWP指數(shù)僅為4，作為人工合成的產(chǎn)品其物性參數(shù)及使用條件與R134a略有差異[5]，針對替代方案國內(nèi)外學(xué)者也已有一定研究。張亞國等針對R1234yf和R134a的物性差異，在汽車空調(diào)系統(tǒng)中進(jìn)行試驗對比，結(jié)果顯示R134a系統(tǒng)制冷效果略優(yōu)于R1234yf系統(tǒng)[6]；柴玉鵬等對R1234yf和R134a制冷及制熱性能進(jìn)行試驗分析，得出采用同一臺壓縮機(jī)，相同工況下R1234yf壓縮機(jī)功耗比R134a 高約0.76%～5.18%的結(jié)論[7]；F.Illán-Gómez等針對空氣-水制冷系統(tǒng)使用R1234yf代替R134a發(fā)現(xiàn)R1234yf系統(tǒng)在試驗中表現(xiàn)出來的制冷量和功耗均比R134a系統(tǒng)差，并且整體效率約降低25%左右[8]；J.M.Mendoza-Miranda等對R1234yf變頻制冷機(jī)進(jìn)行能耗模擬，結(jié)果顯示R1234yf系統(tǒng)的性能系數(shù)(COP)比R134a降低了2%～11.3%[9]。然而從以往學(xué)者的研究方向看，大多均基于制冷循環(huán)尤其是車載系統(tǒng)的本身來分析R1234yf、R134a相互替換后帶來的系統(tǒng)性能、效率之間的差異，所使用的試驗方法并不具備統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化的特點，同時對于壓縮機(jī)本身或冰箱系統(tǒng)性能差異的研究較少，本次考慮到這一研究盲點，以GB∕T 5773-2016《容積式制冷劑壓縮機(jī)性能試驗方法》規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法為基礎(chǔ)，深入探究R1234yf、R134a對于冰箱壓縮機(jī)本身的通用性和性能影響，該研究將對冰箱壓縮機(jī)企業(yè)的技術(shù)發(fā)展和制冷劑選型有著一定推動作用。

2 R1234yf與R134a的物性差異

2.1 基本物性

R1234yf作為R134a的替代制冷劑二者有較為相近的基本物理性質(zhì)，二者部分物性對比如表1所示[7][1]。

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，R1234yf對比R134a優(yōu)勢在于GWP值較低，在環(huán)境保護(hù)方面具有顯著替代意義，其他各主要參數(shù)偏差在6.2%～21.7%之間，二者物性較為相近，也因此奠定了R134a可以被R1234yf替代的理論基礎(chǔ)。

表1 R1234yf與R134a物性對比

2.2 特殊熱物性

針對GB∕T 5773-2016《容積式制冷劑壓縮機(jī)性能試驗方法》中的計算方法對R1234yf和R134a的一些特殊熱物理性質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步討論，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中對于壓縮機(jī)制冷量的計算方法[10]

(1)

式中Φ0a——壓縮機(jī)實測制冷量，W

qmf——質(zhì)量流量，kg/s

vga——基本試驗工況下，進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑蒸氣實測比容，m3/kg

vg1——基本試驗工況下，進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑蒸氣理論比容，m3/kg

hg1——基本試驗工況下，進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑理論比焓，m3/kg

hf1——基本試驗工況下，蒸發(fā)器膨脹前制冷劑理論比焓，m3/kg

由以上公式(1)看出，對于壓縮機(jī)制冷量的影響因素較大的是制冷劑在不同溫度下的比容、比焓以及流量。由于流量及各類實測數(shù)值在按照標(biāo)準(zhǔn)試驗過程中存在一定的不可控性，因此理論比容和比焓的數(shù)值大小在壓縮機(jī)制冷量測定時起到了較大影響作用。針對這一方面，本次研究查閱了相關(guān)資料，對R1234yf和R134a在不同溫度下的氣體比容、比焓數(shù)值進(jìn)行對比，結(jié)果如圖1、2所示。

圖1 R1234yf和R134a比焓對比

圖2 R1234yf和R134a比容對比

從上圖中可以看出在-25 ℃到75 ℃之間時R1234yf和R134a的制冷劑氣體比焓隨溫度緩慢增加，R134a與R1234yf比焓偏差在7.0%～9.6%之間且R134a的比焓值更高。在比容方面，2種制冷劑均是雖溫度遞增呈現(xiàn)急速下降趨勢，二者的偏差在12.4%～23.2%之間，同樣R134a的比容值更高。

假定在理論試驗工況下，即進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑蒸氣實測比容與理論比容一致，由于隨溫度上升R1234yf的比焓增加比R134a略大，則在相同流量下，按GB/T 5773—2016《容積式制冷劑壓縮機(jī)性能試驗方法》方法計算所得R1234yf機(jī)型的制冷量具有小幅優(yōu)勢。另一方面，由于液體粘度的差異使在相同測試條件下冷凝后的R1234yf的流動阻力更小，通常也會導(dǎo)致R1234yf質(zhì)量流量偏大，進(jìn)而使得壓縮機(jī)制冷量更大，但較大的質(zhì)量流量也會引起功耗的增加。

3 試驗系統(tǒng)搭建及工況設(shè)計

3.1 試驗系統(tǒng)搭建

按GB/T 5773—2016《容積式制冷劑壓縮機(jī)性能試驗方法》中的規(guī)定，對于壓縮機(jī)性能測試按照第二制冷劑量熱器法及制冷劑流量法進(jìn)行綜合測定，試驗系統(tǒng)的原理如圖3所示。

針對標(biāo)準(zhǔn)要求的方法，可以通過壓力傳感器、溫度傳感器對循環(huán)中各點的溫度壓力進(jìn)行采集，進(jìn)而實現(xiàn)確定系統(tǒng)各點的制冷劑比容和比焓，結(jié)合所采集的制冷劑質(zhì)量流量，可通過公式(1)所示的焓差法對壓縮機(jī)制冷量進(jìn)行計算。另一方面，第二制冷劑量熱器在系統(tǒng)中作為蒸發(fā)器使用，同時按標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)有加熱裝置，通過直接讀取加熱輸入功率，結(jié)合質(zhì)量流量獲取壓縮機(jī)制冷量，此方法即為第二制冷劑量熱法。按圖3系統(tǒng)原理組建試驗裝置。

圖3 試驗系統(tǒng)原理

3.2 工況設(shè)計

為直觀考察R1234yf和R134a相互替換后對壓縮機(jī)性能的影響，本次試驗設(shè)計選擇標(biāo)稱使用R1234yf、R134a的冰箱壓縮機(jī)各一臺，使用完全相同的試驗裝置和工況對二者進(jìn)行測試，測試轉(zhuǎn)速均為3000 r/min，測試結(jié)束后在不進(jìn)行任何材料替換的情況下，僅僅將R1234yf和R134a制冷劑對調(diào)進(jìn)行二次測試，所用工況為2組，即標(biāo)準(zhǔn)工況和極端工況，具體測試條件如表2所示。

表2 試驗工況設(shè)計

值得注意的是，由于試驗設(shè)計存在極端條件的工況，因此在4組試驗進(jìn)行時均對壓縮機(jī)采用風(fēng)冷的方式冷卻，試驗結(jié)束時，對壓縮機(jī)的制冷量、COP、質(zhì)量流量、排氣溫度、殼體溫度等參數(shù)進(jìn)行采集計算并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行分析。

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 制冷量、耗電量及COP對比

根據(jù)第2章的試驗設(shè)備、方法與工況對2臺被測壓縮機(jī)進(jìn)行檢測，其制冷量、耗電量測試結(jié)果如圖4所示。首先對相同條件下極端工況和標(biāo)準(zhǔn)工況試驗數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，試驗組1和2、3和4、5和6、7和8測的制冷量差異分別為：43%、44.8%、47.0%和47.0%；耗電量差異分別為：33.2%、38.2%、33.6%和39.2%，結(jié)果顯示在極端工況下無論用何種壓縮機(jī)配何種制冷劑，都比同樣條件下的標(biāo)準(zhǔn)工況的制冷量、耗電量要高且各工況下的偏差差異不大，這也說明了對于壓縮機(jī)性能檢測結(jié)果的最主要影響因素仍然在于測試工況本身。其次，對比相同工況下2種壓縮機(jī)使用不同制冷劑的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，試驗組1和5、2和6、3和7、4和8的制冷量差異為：8.0%、12.4%、8.9%和12.4%；對應(yīng)耗電量的差異為：8.7%、9.3%、9.0%和10.6%，結(jié)果顯示無論對于標(biāo)稱使用R1234yf的壓縮機(jī)還是標(biāo)稱使用R134a的壓縮機(jī)，其結(jié)果均為在使用R1234yf制冷劑時測得制冷量和耗電量較大，該實驗結(jié)果證明了以GB/T 5773—2016《容積式制冷劑壓縮機(jī)性能試驗方法》的條件為試驗基礎(chǔ)進(jìn)行測試，則使用R1234yf制冷劑有利于提升壓縮機(jī)的制冷能力，但其前提條件是犧牲更多的電能耗。

圖4 試驗系統(tǒng)原理

另一方面，通過公式計算各試驗組的COP情況，如表3所示。

表3 試驗工況設(shè)計

從COP的測試結(jié)果來看，對于壓縮機(jī)本身的性能檢測而言，采用R1234yf或R134a的差別不大，對比組1和5、2和6、3和7、4和8，其COP的差異分別為：3.1%、3.4%、0.2%和2.0%，該數(shù)據(jù)也從側(cè)面證明兩類制冷劑具有相當(dāng)高的通用性。

另外，數(shù)據(jù)還顯示，在極端工況時無論是標(biāo)稱R1234yf的壓縮機(jī)還是標(biāo)稱R134a的壓縮機(jī)均是在使用R134a制冷劑時測得的性能系數(shù)略高，而在標(biāo)準(zhǔn)工況下，其結(jié)果相反。進(jìn)一步考察其他學(xué)者的類似研究發(fā)現(xiàn)，對于整體系統(tǒng)的而言，相同條件下應(yīng)用R1234yf制冷劑比應(yīng)用R134a制冷劑的制冷量和COP低6%～8%[11-13]，然而以壓縮機(jī)性能國標(biāo)針對壓縮機(jī)進(jìn)行檢測的結(jié)果與之不盡相同，由此可進(jìn)行推斷，若想進(jìn)一步提升R1234yf替代R134a之后整機(jī)性能，可著手針對系統(tǒng)的換熱端、控制方式等方面進(jìn)行改進(jìn)，從本研究可看出，R1234yf和R134a制冷劑選擇，對冰箱壓縮機(jī)本身的性能系數(shù)影響比整機(jī)系統(tǒng)小的多。

4.2 質(zhì)量流量對比

測試過程中的制冷劑質(zhì)量流量對最終制冷量的結(jié)果起著決定性的意義，也是反映制冷劑本身屬性一個重要因素，本次試驗按表2試驗組工況測試，顯示各試驗組制冷劑質(zhì)量流量如圖6、7所示。

圖6所示為標(biāo)稱R1234yf的冰箱壓縮機(jī)分別在極端工況和標(biāo)準(zhǔn)工況使用R1234yf制冷劑和R134a制冷劑的質(zhì)量流量測試結(jié)果。首先，與制冷量測試結(jié)果相對應(yīng)的是在極端工況下使用兩種制冷劑的質(zhì)量流量均遠(yuǎn)高于在標(biāo)準(zhǔn)工況下的測試結(jié)果；第二，使用R1234yf制冷劑在極端工況和標(biāo)準(zhǔn)工況下的測試測試結(jié)果分別比使用R134a制冷劑高5.5%和10.9%。圖7所示標(biāo)稱R134a的冰箱壓縮機(jī)各試驗組測試結(jié)果與圖6結(jié)果相似，使用R1234yf制冷劑在極端工況和標(biāo)準(zhǔn)工況下的測試結(jié)果分別比使用R134a制冷劑高6.3%和11.1%。根據(jù)伯努利原理可以獲知在相同管徑下流體的流速與粘度成反比，參考表1中粘度的對比可以獲知，在相同的條件下，R1234yf的流速即質(zhì)量流量對比R134a有一定優(yōu)勢，對于冰箱壓縮機(jī)而言亦可以證明使用R1234yf制冷劑在容積效率方面有一定優(yōu)勢。

圖6 質(zhì)量流量測試結(jié)果(1)

圖7 質(zhì)量流量測試結(jié)果(2)

4.3 排氣溫度及殼體溫度對比

排氣溫度和殼體溫度一方面可以反映壓縮機(jī)適應(yīng)工況的能力；另一方面也可以通過溫度高低來判斷壓縮機(jī)是否可以持續(xù)穩(wěn)定運行，基于這一方面，對8個試驗組的排氣溫度以及殼體溫度進(jìn)行采集，結(jié)果圖8、9所示。

圖8所示為標(biāo)稱R1234yf的冰箱壓縮機(jī)分別在極端工況和標(biāo)準(zhǔn)工況使用R1234yf制冷劑和R134a制冷劑的排氣溫度與殼體溫度的測試結(jié)果。從排氣溫度來看，標(biāo)稱使用R1234yf的壓縮機(jī)更換制冷劑后，對比試驗組1和試驗組5、試驗組2和試驗組6其差異分別是1.7%以及0%，同樣用以上組別對比殼體溫度，其差異為3.9%和5.4%。圖9所示出的結(jié)果與圖8情況類似，不同制冷劑的在2個工況下的排氣溫度差異分別為0.3%和1.4%、殼體溫度差異為8.6%和7.3%。以上結(jié)果均表明標(biāo)稱2種不同制冷劑的冰箱壓縮機(jī)在更替制冷劑后，按國標(biāo)方法測試所得排氣溫度差異很小，這在很大程度上取決于2種制冷劑的物性參數(shù)很接近，同時也證明二者對于壓縮機(jī)本身而言有很高的通用性。另一方面，應(yīng)用R134a制冷劑的試驗組5～8壓縮機(jī)殼體溫度較應(yīng)用R1234yf制冷劑的試驗組1～4有明顯降低，同時各試驗組均是在風(fēng)冷的環(huán)境下進(jìn)行測試，這在一定程度上證明R134a更有利于避免壓縮機(jī)由于溫度過高而產(chǎn)生相應(yīng)的安全問題。

圖8 排氣溫度與殼體溫度(1)

圖9 排氣溫度與殼體溫度(2)

5 結(jié)論

通過本次對標(biāo)稱使用2種制冷劑的冰箱壓縮機(jī)進(jìn)行理論研究和試驗對比，可以得出以下結(jié)論：

(1)按國標(biāo)對壓縮機(jī)性能進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)使用R1234yf制冷劑有利于提升壓縮機(jī)本身的制冷量，但也會引起耗電量的增加，最終COP結(jié)果與使用R134a相差不大。

(2)引起壓縮機(jī)本身制冷能力增加的原因在于使用R1234yf制冷劑更有利于增加系統(tǒng)的質(zhì)量流量。

(3)從排氣溫度、工況穩(wěn)定性方面看，R1234yf和R134a對于壓縮機(jī)本身而言有很強(qiáng)的通用性和可替代性。

(4)使用R134a制冷劑更有利于降低壓縮機(jī)本體的溫度。