汽车空调制冷剂R-134a：科研成功的首选替代工质

4.1.1 对制冷剂的要求

1.对制冷剂物理性质的要求

1）制冷剂应有低的凝固点，能在低温下工作。

2）制冷剂应有高的临界温度。

3）制冷剂的密度和粘度要小，以减少在制冷系统中的流动阻力。

4）制冷剂应有一定的吸水性，以防止制冷系统的“冰堵”现象。

5）制冷剂的热导率和放热系数要大，以提高换热器的换热能力。

2.对制冷剂化学性质的要求

1）制冷剂应无毒、无刺激性，对人体健康无损害。

2）制冷剂应不易燃烧、不易爆炸。

3）制冷剂对金属的腐蚀作用要小。

4）制冷剂在高温下应不分解，化学性质稳定。

5）制冷剂与冷冻润滑油应互溶，不起化学反应，不改变冷冻润滑油的特性。

3.对制冷剂热力学性质的要求

1）制冷剂在蒸发器内蒸发温度要低，这样相应的蒸发压力也低。但蒸发压力应稍高于大气压力，以防止因制冷系统产生负压而吸进空气，使制冷能力下降。

2）制冷剂的冷凝压力不宜过高，一般应为1.2～1.5MPa。冷凝压力太高，对制冷设备的强度要求也相应提高，而且会引起压缩机功耗增加。

3）等熵指数要小，以便使压缩机功耗减小，并且在压缩终了时气体的温度不会过高。

4）液体比热容要小，以便使节流过程的损失减小。

5）制冷剂蒸气的比体积要小，汽化热和单位容积制冷量要大，以减少制冷剂循环量。

6）循环的热力完善度尽可能大。

4.对制冷剂经济性的要求

要求制冷剂价格便宜，易于得到。

4.1.2 常用制冷剂的种类和汽车空调制冷剂的选择

1.制冷剂的种类

制冷剂的种类很多，一般常用的有氨、烃类和氟里昂类，常用制冷剂的主要性质如表1-1所示，表中R为英文“REFRIGERANT（制冷剂）”的首字母。

表1-1 常用制冷剂的主要性质

2.制冷剂R—12

R—12对大气臭氧层有破坏作用，因此它是蒙特利尔议定书中的第一批禁用工质，发达国家已从1996年1月1日起停止使用，发展中国家到2006年也完全禁止使用。

3.制冷剂R—22

R—22对大气臭氧层的破坏作用比R—12弱一些，属于蒙特利尔议定书中规定的第二批禁用工质，发达国家到2030年要完全禁止使用R—22。

4.制冷剂R—717（氨）

氨有较好的热力学性质和热物理性质，在常温和普通低温范围内压力较适中。单位容积制冷量大，粘性小、流动阻力小，传热性能好。

氨能以任意比例与水相互溶解，组成氨水溶液，在低温时水也不会从溶液中析出而冻结成冰，所以氨制冷系统内不必设置干燥器。但氨系统中有水分时会加剧对金属的腐蚀，同时使制冷量减少，所以一般限制氨中的含水量不超过0.2%（质量分数）。

氨在冷冻润滑油中的溶解度很小，因此氨制冷剂管道及换热器的传热表面上会积有油膜，影响传热效果。在氨制冷系统中，一般都设有油分离器，定期分离出沉积在下部的冷冻润滑油。

氨对钢铁不起腐蚀作用，但当含有水分时要腐蚀锌、铜、青铜及其他铜合金，只有磷青铜不被腐蚀，因此在氨制冷机中不使用铜及铜合金材料。

氨蒸气无色，具有强烈的刺激性臭味，对人体有较大的毒性。它刺激人的眼睛及呼吸器官，溅到皮肤上容易导致冻伤。

氨可以引起燃烧和爆炸，当空气中氨的含量达到16%～25%（体积分数）时可引起爆炸，因此在工作区内氨蒸气的浓度不得超过0.02mg/L。(www.xing528.com)

4.1.3 汽车空调用环保型R—134a制冷剂

目前汽车空调中使用的制冷剂R—12，由于其分子中含有氯原子，当其排放到大气中并升入大气同温层后，在太阳光的强烈照射下会分离出氯离子，氯离子与臭氧层发生化学反应，从而导致大气臭氧层的破坏。大气臭氧层可以吸收太阳紫外线，若大量的紫外线直接照射到地球表面，将会使人类患皮肤癌的概率大大增加，同时对地球上其他生物的生长也会造成严重的危害。

自1987年保护臭氧层的蒙特利尔议定书签订以来，世界各国，特别是工业发达国家对制冷剂替代做了大量工作。近几年来，经过科研人员的不断探索和实验，一致公认制冷剂R—134a是汽车空调的首选替代工质。这主要是由于R—134a不含氯原子，对臭氧层无破坏作用，温室效应影响小，其热力学性质稳定并与R—12相近。表1-2为制冷剂R—134a与R—12的特性比较。

表1-2 制冷剂R—134a与R—12特性比较

（续）

1.R—134a基本特性

1）R—134a无色、无臭、不燃烧、不爆炸，基本无毒性（长期影响还在试验之中），化学性质稳定。

2）不破坏大气臭氧层，在大气层停留寿命短，温室效应影响也很小。

3）粘度较低，流动阻力较小。

4）分子直径比R—12略小，易通过橡胶向外泄漏，也较易被分子筛吸收。

5）与矿物油不相溶，与氟橡胶不相容。

6）吸水性和水溶解性比R—12高。

7）汽化热高，比定压热容大，具有较好的制冷能力，但质量流量小，所以R—134a的制冷系数与R—12相当或较之略小。

8）饱和蒸气压与R—12接近，在18℃左右两者具有相同的饱和压力值。在低于18℃的温度范围内，R—134a的饱和压力略低于R—12；在高于18℃的温度范围内，R—134a的饱和压力高于R—12。

2.R—134a的传热性能及循环特性

试验表明，R—134a的传热性能优于R—12。在蒸发温度为5～15℃，冷凝温度为30～45℃，质量流量为125～400kg/s的范围内，水平圆管中R—134a的蒸发放热系数比R—12高25%～30%，冷凝时则高出30%～40%。

若将R—134a用于R—12换热器进行测试，则在相同冷量下，蒸发器传热系数比R—12高5%～15%，而对于相同热量情况下，冷凝器的传热系数比R—12高10%～20%。

根据制冷剂R—134a的特性值，我们比较了在理想循环时工质的性能，如表1-3所示，上述循环是假设压缩为等熵过程，膨胀节流为等焓过程，表中压缩功为压缩机进、出口之间的焓差，制冷量为蒸发器进、出口之间的焓差。

表1-3 R—134a与R—12制冷循环性能比较

（续）

由表1-3可知，R—134a在与R—12相同工况下制冷系数小于R—12，而在二者制冷系数相同时，R—134a的冷凝温度要降低约7℃。也就是说，要使冷凝温度降低约7℃，就要使冷凝器传热性能或传热面积增加36%，而增大冷凝器传热面积受到汽车安装空间的限制，因此只能从冷凝器的结构上进行改进，如采用新型平行流冷凝器。

3.R—134a与冷冻润滑油相溶性

由于R—134a与现有的冷冻润滑油不相溶，因此必须开发出与之相溶的新型冷冻润滑油。在R—134a分子中不含氯原子而含有两个氢原子，它与矿物油几乎不相溶，因而从制冷压缩机排出的冷冻润滑油将滞留在热交换器和配管中而不能回到压缩机中，压缩机润滑不良会造成压缩机轴承和其他摩擦副烧损。根据现有研究，可在R—134a汽车空调系统中使用的冷冻润滑油最有希望的是聚烃基乙二醇（PAG）和聚酯油（ESTER）。

4.R—134a与金属及橡胶相容性

实验表明，R—134a与钢和铝是相容的，而对铜则会产生镀铜现象。目前的汽车空调系统中，许多部位用铜做原材料，铜的导热性能比钢和铝好，但镀铜现象限制了这种材料的使用，因此R—134a汽车空调系统各部件应以钢、铝材料为主，如全铝蒸发器、全铝冷凝器等。

由于汽车空调振动性较大，其软管和接头都用橡胶材料，而现有的一些橡胶材料与R—134a不相容。经实验筛选，有三种橡胶与R—134a相容，它们是H—丁腈橡胶（HBR）、三聚乙丙橡胶（EPDM）和氯丁橡胶（GR）。

5.R—134a与干燥剂相容性

R—134a具有很强的吸水性，含水量大大超过空调制冷系统的承受能力，因此需要高效新型的干燥剂。目前可供选择的干燥剂主要是一些铝的硅酸盐，如4A—XH—5、4A—XH—6及4A—XH—7型，其中4A—XH—5型与R—134a不相容，因为R—134a的分子直径比R—12小，若使用4A型分子筛，R—134a分子比较容易被分子筛吸收，被吸收的R—134a分子会被4A型分子筛的化学组成成分催化分解，且由于R—134a与水的亲合力较大，吸水性强，脱水比R—12困难。分子筛吸水多了，机械强度就要变差，因此4A—XH—5型分子筛不宜作为R—134a的干燥剂，而两种新型分子筛XH—7和XH—9比较适合于R—134a。

6.R—134a对现存汽车空调系统影响

尽管R—134a的热力学性质与R—12相似，但由于两者之间存在一些差别，使之在用于专门为R—12设计的汽车空调系统时需作相应的改动，以达到或超过原R—12制冷系统的运行效果，并确定空调制冷系统的可靠性。根据R—134a的热力学性质可知，R—134a制冷系统运行压力高、制冷系数小，制冷性能不如R—12系统好，改进的措施如下：

1）增加压缩机容量，或提高压缩机转速。另外，还需要加大压缩机主轴、主轴承，加强缸壁刚性，改善内部润滑。进、排气阀应为不锈钢材料。

2）换热器采用新型高效的平流式冷凝器和层叠式蒸发器。实验表明，在相同制冷剂的情况下，平流式冷凝器制冷剂侧压降只有管带式的20%，而换热性能提高75%。

3）膨胀阀等部件也应随所用工质的不同而作相应的调整。