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汽车空调制冷剂的发展应用分析

上海理工大学，上海，200093
摘 要：本文对R1234yf 、R134a及R744的热物理性及安全环保性进行了对比，分析了R1234yf 、R744在替代R134a的优劣，并对这两种制冷剂进行了展望。
关键词：汽车空调 R1234yf R134a R744

Development and application analysis of mobile air conditioning refrigerant
E Xiaoxue
Abstract: In this paper,the thermal physical and safety of R1234yf, R134a,and R744 are compared, and the advantages and disadvantages of the R1234yf and R744 in replacement of R134a are analyzed,meanwhile,the possibility of these two kinds of refrigerants in replacement of R134a are prospected.
Keywords: mobile air conditioning refrigerant R1234yf R134a R744

1. 引言
由于目前在汽车空调中使用的唯一制冷剂R134a的全球气候变暖潜能值GWP很高,达到1300,对全球气候变暖造成较大的威胁, 现在全世界汽车拥有量有 8.2亿辆，我国拥有量已达2800万辆，并在继续快速增长.因此,对新生产的汽车充灌制冷剂时排放到大气,以及正在使用的汽车更换或修理时排放到大气的制冷剂造成对大气气候变暖的影响不能低估.为此,欧盟汽车空调指令规定，从2011年1月1日起在欧洲使用的新车必须在汽车空调中使用全球变暖潜能值GWP低于150的新型制冷剂。2011 年 1 月 1 日至
2017 年为过渡期,允许在 2011年 1 月1 日前生产的汽车继续使用 R134a 制冷剂，从2018年1月1日起，无论是新车还是旧车，均不得使用 R134a 制冷剂。因此，找寻一种既经济、在商业上又可行的替代现有 R-134a 的汽车用新型制冷剂的研究工作已刻不容缓。
目前有三种制冷剂有替代R-134a的可能性。它们是：、R152a 和HFO-1234yf。
是天然制冷剂，GWP=1，在三种制冷剂中对全球气候变暖的直接影响最小，同时它的毒性小，无可燃性，安全可靠，因此在汽车空调中使用是一种较为理想的制冷剂。但是，存在一个重要的缺点，是它在制冷系统里的工作压力很高，几乎是其他两种制冷剂的10倍。因此，汽车空调制冷系统中几乎所有部件都需要重新设计和生产。生产线也需改造。这对制造商和用户都带来了较大的经济负担。另外，由于的临界温度为31℃，在汽车空调的冷却器中是超临界状态，循环的节流损失较大，使制冷循环的COP较低。
R152a 的热力性能与 R134a 接近，GWP=140，没有超过欧盟汽车空调指令的规定。但是，他的燃烧性是三种制冷剂中最高的，而其他性能也没有超过其他两种制冷剂，因此，基本上排除了它在汽车上替代 R134a 的优势。
HFO-1234yf 是美国霍尼韦尔公司和杜邦公司联合开发的制冷剂，它的GWP=4，远低于欧盟汽车空调指令的规定。它的热力性能和R134a接近，在汽车空调运行时制冷循环的效率较高，它的毒性也比较小，这些都是很理想的。唯一的缺点是它有轻度可燃性。它的可燃性比R152a低，比高。
本文就、HFO-1234yf的性能进行比较，并分析比较它们在汽车空调中应用可能性。
表1 列出了HFO-1234yf和CO2在汽车空调中应用可能性的比较。
表1 HFO-1234yf和在汽车空调中应用可能性的比较。
HFO-1234yf CO2
对环境的影响 寿命周期比CO2和R134a低 比HFO-1234yf高
在大气中的寿命 11天 >500年
与现行空调设备的适应性 适应，无重要差别 不适应，需要高压系统
制冷效率 在所有气候下与R134a相似 在最需要空调的炎热气候下效率低
容易接受程度 高，附加设计变化或延迟最小 低，需要重大的工程设计和再加工
安全 应用在汽车空调中安全 应用在汽车空调中安全

2. 热物理性质和安全环保特性
2.1 制冷剂的热物理性
HFO-1234yf的ODP=0，GWP=4，在大气中的寿命为11天。而R134a的 GWP=1430。在大气中的寿命超过500 年。HFO-1234yf 的某些热力性质和R134a相似。是自然工质，它ODP=0，GWP=1。见表 2。

表2 R1234yf，R744和R134a的热力性能比较

R1234yf
R744
R134a
消耗臭氧潜值（ODP）
0
0
0
全球变暖潜值（GWP）
4
1
1430
摩尔质量
114
44
102
临界点温度(℃)
95
31.1
101.7
临界点压力（MPa）
3.38
7.372
4.055
标准沸点（℃）
-29.4
-78.4
-26.2
0℃饱和压力（MPa）
0.295
3.49
0.293
单位容积制冷量（kJ/m3）
-
22600
2860

图1表示了在-30℃～90℃范围内HFO1234yf和 R134a 饱和蒸气压力的比较，可以看出，它们十分接近。

图2表示了 HFO-1234yf 和 R134a 在汽车空调系统中循环的压焓图比较。可以看出，它们的冷凝压力和蒸发压力基本相同。

因此推广新型制冷剂 R1234yf作
为R134a 的替代工质，在环保性能上有很大的优势。
而作为汽车空调的替代制冷剂，天然制冷剂：有着不可比拟的优势，主要概括如下：(1)与目前使用的HFCl34a相比，温室效应小，GWP值仅为l；(2)化学稳定性好，不可燃；(3)低温下的制冷剂密度大，供暖效果好；(4)有利于减小装置体积。高的工作压力使得压缩机吸气比容较小，使得容积制冷量较大。
2.2 制冷剂的安全性
制冷剂安全性评估主要包括2个方面：一是制冷剂本身的毒性；二是制冷剂的可燃性。因此应尽量选取无毒、不燃的制冷剂，但是通常情况下，难以寻找到一种十全十美的制冷剂，须权衡利弊合理选择。
一般，有毒的制冷剂首先应排除掉，故从安全性角度看，主要还是考核制冷剂在大气中存留的时间。在下表3中列出了R1234yf 、R134a及R744的安全等级、在大气中存留时间。
表3
制冷剂
安全等级
大气中存留时间
R1234yf
A2
11d
R134a
A1
14d
R744
A1
-
R1234yf无闪点、自燃点405℃，它属于ASHRAE毒性分类中的A级为低毒类化学物质，但当吸入时可引起嗜睡和注意力不集中、头晕眼花以及眼睛、皮肤和呼吸道系统不适。
无毒，自身费用低，无需回收或再生，操作与运行的费用也较低。
3. 使用性能
3.1 HFO-1234yf在汽车空调应用中的优缺点
1）由于 HFO-1234yf 是含氟的碳氢制冷剂，泄漏时很容易检测，可使用 HFC-134a相同的检测仪。而平常在大气中就含有 CO2，因此检测微量泄漏的技术和仪器较复杂；
2）由于 HFO-1234yf 和 HFC-134a 性能相似，它们的维修设备和维修操作也很相似；
3）由于 HFO-1234yf 在汽车空调系统中的压力较低，泄漏的可能性较小，泄漏量也较小。系统内的充灌量也较小；
4）现行的连结软管适用于 HFO-1234yf 和HFC-134a 的低压系统，CO2 需要笨重的联结软管。在紧凑的发动机附近连接困难；
5）HFO-1234yf 系统零部件和 HFC-134a 相似或相同，制造商已大批量生产，市场供应充足，价格较低；
6）HFO-1234yf 有轻度可燃性，因此也需要加强对维修人员培训；
7）和 HFC-134a 及 CO2 相比较，HFO-1234yf在大气中的寿命周期最短。不会像 HFCs 和 CFCs那样在大气中分解；
8）由于 CO2 制冷循环的效率较低，工作时使汽车发动机多消耗燃料，使它的间接温室效应比HFO-1234yf 高；
9）目前的使用的汽车空调系统的压力比较低。HFO-1234yf 和它相接近，基本上可直接替换使用。
10）HFO-1234yf 和 HFC-134a 一样，在中等和高的环境气温下具有较高的制冷效率。
HFO-1234yf的缺点就是COP比R134a低，且有微弱可燃性。
3.2 在汽车空调应用中的优缺点
(1)良好的安全性和化学稳定性，不可燃，即便在高温下也不分解产生有害气体，可适应各种润滑油和常用机械零部件材料；
(2)单位容积制冷量相当高,可减小制冷系统与热泵设备尺寸；
(3)优良的流动特性，动力粘度低，设备压降损失较小；
(4)优良的传热特性,导热系数较大，换热效果好；
(5)CO2 制冷循环的压缩比要比常规工质制冷循环低，压缩机的容积效率可维持在较高的水平。
CO2 汽车空调系统的压力高，系统需要重新设计和制造；维修设备需要专门设计，维修操作也需要特别重视，以保证高压下的安全；更需要加强对高压法规的培训，以防止发生伤害事故。
4.结论
1）HFO-1234yf 是一种ODP=0，GWP=4的制冷剂，它的热力性能与 R134a 相似，在现有的汽车空调系统中，可以直接替代 R134a使用。
2）作为天然工质的CO2，以其独特的热物特性，在未来汽车空调的应用中，有很好的前景。
3）在近期，HFO-1234yf 与 CO2 可能同时成为汽车空调系统中替代 R134a 的两种制冷剂。
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