低GWP混合工质RE170/R134a用于汽车空调的性能分析

2021年4月16日
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摘要

当前汽车空调工质R134a存在温室效应指数太高(GWP=1 300)的缺点,亟需寻找环保型工质进行替代。通过前期研究,筛选出混合工质RE170/R134a(90/10)(NCUR02)其ODP为0,GWP为130,环境性能较好。分析比较了NCUR02和R134a的热力性质,并建立汽车空调系统模型分别得到NCUR02和R134a在标准工况和变工况下的循环性能参数,同时利用焓差试验室,试验研究了NCUR02和R134a在4种国标规定测试工况条件下的循环性能。结果表明:NCUR02的温度滑移较小,标准大气压下小于0.1 ℃,且饱和压力线与R134a相近,属于近共沸混合工质;单位质量制冷量约为R134a的2倍,单位容积制冷量与R134a相当,循环性能系数COP比R134a提高了10%左右,工作压力略低于R134a,用于汽车空调系统性能表现更优。

引言

当前国内外生产的汽车空调系统大规模使用臭氧破坏指数ODP为0的R134a作为冷媒[1],但R134a存在温室效应指数(GWP)高达1 300,加剧温室效应,能耗大,不溶于矿物油,与PAG油互溶性也不是很好的缺点。
此外,根据欧盟的制冷工质替代法规(F-GAS)以及2016年的《蒙特利尔议定书》基加利修正案,车用制冷装置中GWP大于150的制冷工质将被逐渐禁用[3-5]。因此,R134a也被认为只是一种过渡型的替代物[6-8],寻找环保性能优良的R134a替代工质一直是国内外制冷行业的迫切任务。
研究发现[9-10],二甲醚(工质代号 RE170)标准沸点-24.8 ℃,临界温度127.2 ℃,ODPGWP均为0,环境性能十分优秀,单位容积制冷量与R134a接近,单位质量制冷量及能效指标COP均优于R134a,与传统矿物油互溶性很好[11-12],回油性能好,而且化学性质稳定、无腐蚀性、无致癌性、无毒,是一种潜在的环保工质,具备替代R134a的潜力;但是RE170存在较强的可燃性限制了其在制冷空调系统中的应用。为此,国内外学者将其用于替代制冷工质时往往会添加阻燃剂组成混合工质来开展研究;例如,Koyama等[13]、毕胜山等[14]和范晓伟等[15]将 CO2与 RE170 混合,分别用于跨临界制冷系统和热泵系统进行了试验或循环性能分析,得出了最优压力和最佳质量配比;Jung等[16]将 R1270与 RE170混合组成 R432A(质量比80/20),得出其COP为R22的1.085倍,GWP小于5,滑移温度也非常小,但具有一定的可燃性;冯永斌等[17]在RE1270/RE170中添加阻燃剂R13I1,研究得出RE1270/RE170/R13I1混合工质COP与单位容积制冷量与R22相当,滑移温度小,排气温度和压比低于R22和R407C;Lee等[18]探讨了 R435a(RE170/R152a,质量比 80/20)替代R134a用于小型制冷装置的可行性,得出充注量减少约50%、能耗降低11.8%的结论;田田等[19]研究了RE170/R227ea与矿物油的互溶性。由于R134a具有优秀的热力性能和阻燃性,选择将RE170和R134a组成混合工质以降低RE170可燃性,达到安全使用的目的。通过文献检索,尚未发现将RE170与R134a混合用于汽车空调系统的相关研究报道。

1 RE170/R134a的混合质量比

基于环境保护需要,作为汽车空调系统的新工质必须满足ODP为0,GWP尽可能小的要求;同时由于汽车空调工作条件的特殊性,规定采用混合工质时温度滑移不宜超过2.7 ℃,即必须为共沸混合工质或近共沸混合工质(温度滑移小于3 ℃的混合工质)。将RE170和R134a组成混合工质时,其组分混合质量比直接影响到该混合工质的环境性能和温度滑移特性,因此有必要探讨确定RE170/R134a混合工质合适的混合质量比。
图1示出RE170/R134a混合工质在不同压力下温度滑移随R134a质量分数的变化情况,可发现以任意质量比例混合的二元混合工质RE170/R134a的温度滑移远小于2.7 ℃;当R134a的质量分数大于60%时,温度滑移急剧增大,但最大仍未超过0.5 ℃,当R134a的质量分数小于60%时,温度滑移小于0.1 ℃,在工作压力达到1MPa时,温度滑移几乎为0,可当作纯工质一样方便使用。从温度滑移的角度考虑,混合工质中的R134a质量分数宜小于60%。
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图1 不同压力下RE170/R134a混合物温度滑移随R134a质量分数的变化
为符合2016年通过的《蒙特利尔议定书》基加利修正案和欧盟制定的制冷工质替代法规的要求,根据质量比加权准则[20],可推算出RE170/R134a混合工质中R134a的质量分数达到11.5%时,该混合工质的GWP为150,故RE170/R134a中R134a的质量分数应小于11.5%。综合考虑混合工质的物性参数和性能指标,选择质量分数为90%RE170和10%R134a组成新型混合工质,取代号为 NCUR02(霍二光等[21]提出了 NCUR01,主要用于替代当前房间空调器制冷工质R22),其ODP为0,GWP为130,对臭氧层不具破坏性,温室效应指数也很小,替代R134a用于汽车空调系统具有较好的环境性能;且该混合工质的温度滑移只有0.06 ℃,为典型的近共沸混合工质。

2 NCUR02的热力性质

将NCUR02替代R134a用于汽车空调系统时,对这两种工质的热力性质进行比较与分析是十分必要的,表1列出了相对分子质量M,标准沸点ts,临界温度tc,临界压力Pc,临界密度Dc和温度滑移Δt(标准大气压)等参数的对比结果。图2直观地表示了R134a和NCUR02的饱和压力曲线对比情况。
表1 制冷工质R134a和NCUR02的基本物性参数
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由表1可知,新型制冷工质NCUR02具有以下优点:温度滑移极小,可当作纯制冷工质使用,在替代R134a时无需重新设计换热器,与原系统所用POE油具有良好的互溶性[22],有利于实现“灌注式”替代;标准沸点与R134a相近,临界温度高于R134a,因此适用的温度范围更广;从热力学的角度看,替代制冷工质最好与原制冷工质具有相似的饱和压力[23],由图2可发现,NCUR02的饱和压力线与R134a的饱和压力线吻合度较好且略低于R134a,在替代R134a时无需对系统进行额外的耐压处理。
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图2 NCUR02和R134a饱和压力线对比

3 理论循环性能分析

制冷工质的循环性能是工质替代中应考虑的重要因素,主要参数包括蒸发压力、冷凝压力、压力比、排气温度、单位质量制冷量、单位容积制冷量,以及循环性能系数COP。下面对NCUR02和R134a在标准工况以及变工况下的循环性能进行理论计算,分析它们的优劣。

3.1 计算模型

制冷工质R134a在单级蒸气压缩式制冷空调系统中循环流动,工作原理如图3所示[24]。工质在蒸发器内吸收驾驶室内热量后汽化,产生的低压蒸气被压缩机压缩为高温高压气体,之后在冷凝器内被空气冷却,凝结为高压液体,经膨胀阀节流降压变为低温低压气液混合物并再次流入蒸发器,进行下一次循环。
低GWP混合工质RE170/R134a用于汽车空调的性能分析
图3 汽车空调系统原理
热力计算模型进行了以下基本假设[25]:(1)制冷工质在制冷系统中流动无压力损失(在压缩机和膨胀阀内除外);(2)制冷工质仅在蒸发器和冷凝器内与外界进行热量交换;(3)制冷工质在膨胀阀内发生的节流降压过程为等焓过程。循环的P-h如图4所示。
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图4 单级蒸汽压缩式制冷循环P-h

3.2 标准工况下的循环性能

按上述热力计算模型,使用MATLAB软件编程并调用制冷工质物性软件REFPROP 9.0数据库计算NCUR02和R134a在标准工况(蒸发温度-1.1 ℃,过热度6 ℃,冷凝温度62.8 ℃,过冷度5 ℃)的循环性能参数,压缩机等熵效率取0.8,结果如表2所示。
表2 标准工况下NCUR02和R134a的理论循环特性参数
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由表2可知,NCUR02的压力比相比R134a约低5%,有助于降低压缩机功耗;压缩机排气温度相比R134a略有升高;NCUR02的蒸发压力和冷凝压力分别比R134a低9.6%和14.4%左右,对制冷系统的耐压性要求不高;从制冷能力考虑,NCUR02的单位质量制冷量是R134a的236%,可以有效减少系统的制冷工质充灌量,尽管NCUR02的吸气比容比R134a大,但单位容积制冷量与R134a相当,所需压缩机容量大小相同;NCUR02的COP相比R134a明显增大,提高了10%,在循环的运行经济性上有明显优势。

3.3 变工况下的循环性能

汽车空调工质的蒸发温度一般为-5~10 ℃,冷凝温度为50~65 ℃。为进一步比较NCUR02和R134a的循环性能,对它们在变工况下的循环性能进行模拟计算,具体工况为:(1)定冷凝温度 tco为 60 ℃,蒸发温度 tev在 -5~10 ℃变化;(2)定蒸发温度tev为0 ℃,冷凝温度tco在50~65 ℃变化。压缩机等熵效率取0.8,过冷度和过热度均取 5 ℃。图 5(a)~(d)分别示出了 NCUR02和R134a的单位容积制冷量qvCOP、压力比π以及排气温度t2随蒸发温度tev的变化情况。由图可以看出,随着蒸发温度的变化,NCUR02的性能变化与R134a是一致的。由图5(a)可知,NCUR02和R134a的单位容积制冷量均随着蒸发温度的升高而增大,而且最大相差不超过0.1 kJ/m3,在制冷量相同的情况下所需压缩机容量相同。由图5(b)可知,NCUR02和 R134a的COP随蒸发温度的升高而增大,NCUR02的COP平均比R134a高0.2左右,说明汽车空调系统采用NCUR02为制冷工质具有更高的能效比。由图5(c)可以看出,NCUR02的压比稍低于R134a,对改善压缩机的工作条件是有利的。图5(d)表明NCUR02和R134a的排气温度均随着蒸发温度的升高而降低,虽然NCUR02的排气温度相比R134a高8 ℃左右,但还远低于汽车空调压缩机的排气温度上限。
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图5 NCUR02和R134a的单位容积制冷量qvCOP、压力比π以及排气温度t2随蒸发温度tev的变化情况
图6示出了NCUR02和R134a的单位容积制冷量qvCOP、压力比π以及排气温度t2随冷凝温度tco的变化情况。图6(a)表明,随着冷凝温度的升高,NCUR02和R134a的单位容积制冷量均减小,R134a减小的速度明显比NCUR02快,但它们的单位容积制冷量十分相近,最大差值不超过0.1 kJ/m3。由图6(b)可看出,新型制冷工质NCUR02的循环性能系数COP明显高于R134a,均随着冷凝温度的升高而降低。由图6(c)(d)可见,NCUR02和R134a的压力比和排气温度均随冷凝温度的升高而升高,NCUR02的压力比明显小于R134a,但排气温度相比R134a略有升高,但未超过压缩机排气温度上限。
综合NCUR02和R134a在标准工况以及变工况条件下的循环性能分析可知,NCUR02的工作压力略低于R134a,但明显高于大气压,防止系统在“负压”下运行的同时降低了制冷系统的循环压力,减少制冷工质泄漏的可能性。NCUR02的单位质量制冷量大约是R134a的两倍,可有效减少制冷工质充灌量,而且NCUR02的单位容积制冷量与R134a相当,所需压缩机容量相同。NCUR02的COP明显高于R134a,压力比小于R134a,有利于减小压缩机的能耗,系统更加节能。虽然NCUR02的排气温度相比R134a提高了8 ℃左右,但仍在汽车空调压缩机允许的温度范围。因此,用新型制冷工质NCUR02替代R134a,系统部件不需要进行特殊的耐高压处理,压缩机不需要做任何的改动,在维持同等制冷量的前提下减小制冷工质充灌量,减小压缩机功耗,提高循环的经济性,可实现“灌注式”替代。
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图6 NCUR02和R134a的单位容积制冷量qvCOP、压力比π以及排气温度t2随蒸发温度tev的变化情况

4 试验研究

4.1 试验原理和设备

利用焓差试验室,对NCUR02和R134a的实际循环性能进行试验研究,测试试验原理如图7所示。焓差试验室由保温隔层、空气调节装置、风量测量设备、温湿度采样设备、数据采集系统等组成。调节冷凝器室和蒸发器室的空气状态至规定工况,内机出风的干、湿球温度t1t2由风洞内的2个铂电阻温度传感器分别测得,得到内机出风空气焓值为h0;内机回风的干、湿球温度t3t4由温湿度采样设备测得,并得到室内回风的空气焓值hi,循环风量qm由风量测量设备测得,制冷量由qm与回风出风的焓差相乘得到;压缩机轴功通过扭矩仪测得,通过计算轴功得到压缩机的输入功率;进而通过制冷量和输入功率获得系统能效比;制冷工质温度和压力由铂电阻温度传感器和压阻式压力传感器测得。试验数据由电脑采集,测量参数精度见表3。
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图7 焓差试验室原理
表3 测量参数精度
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该系统采用定排量压缩机,排量170 mL/r;冷凝器(550 mm×500 mm×16 mm,36根扁管)和蒸发器(350 mm×280 mm×38 mm,双排扁管,每排32根);测试4种工况下系统充灌R134a、NCUR02的循环性能,测试工况由GB/T21361-2008《汽车用空调器》规定,工况参数见表4。按照SAE规定的制冷工质充注量的测试工况[26],往系统中充入制冷工质,在测试工况下稳定运行后,若冷凝器出口过冷度达5 ℃,排气压力不超过1.8 MPa,说明充灌量合适,否则继续充灌至达到标准为止;试验中,依次将表4的工况设置为试验工况,机组稳定运行后开始记录测试数据,每隔5 min采集一次数据,各工况采集5组,取均值为测量值。
表4 汽车空调测试工况
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4.2 试验结果与分析

NCUR02和R134a的测试结果见表5。由表5可知,在一样的测试工况下,使用相同的压缩机和润滑油,NCUR02充灌量是R134a的57.0%,主要是因为NCUR02液体密度更小;NCUR02制冷量约为R134a的98.4%,压缩机耗功相比R134a降低8.7%,COP相比R134a提高了7.7%;系统充灌NCUR02后,排气温度平均提高了9 ℃,在最大负荷工况时排气温度最高,达到102.3 ℃,仍比常用汽车空调压缩机排气温度上限低30 ℃左右;NCUR02排气压力约比R134a低0.174 MPa。综上可得,试验结果与理论分析结果基本一致。
表5 NCUR02、R134a试验测试结果
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如果系统大小改变,可以适当调节制冷工质充灌量来完成试验测量。考虑到焓差试验室系统的制冷工质管路与车用空调制冷工质管路有较大差别,可以在汽车空调系统进一步测试更大工况范围的系统性能。

5 结论

(1)NCUR02的ODP值为零,GWP值为130,仅为R134a的10%,环保性能优秀,完全符合新型制冷工质选用原则中的环保要求。
(2)在热力性质方面,标准大气压下NCUR02的温度滑移小于0.1 ℃,是近共沸混合工质,饱和压力线与R134a相似,有利于实现“灌注式”替代,降低替代成本。
(3)系统运行压力略低于R134a,对系统部件和管路的耐压性无特殊要求,单位容积制冷量与R134a相近,且与POE油互溶性好,替代R134a时无需更换压缩机。
(4)NCUR02的单位质量制冷量大约是R134a的2倍,可有效减少制冷工质充灌量。
(5)理论计算和试验测试均表明,在汽车空调工况下,NCUR02的性能系数相比R134a提高了10%左右。

作者:王乐乐1,戴源德1,姜 毅2,方名利1

1.南昌大学 机电工程学院能源与动力工程研究所

2.南昌工学院 新能源车辆学院

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