王洪利，黄杰，刘慧琴

(河北联合大学冶金与能源学院，河北唐山063009)

0 引言

目前，能源和环境问题已经成为制约人类社会高速发展的主要问题。从19世纪制冷技术出现到现在，制冷技术在空调和冰箱的应用使他渐渐地成为人们的生产生活中至关重要的角色。伴随着环境问题的显现和日益突出，制冷剂也经历了一个出现和不断完善的发展历程。自1987年《蒙特利尔议定书》签订以来，各国纷纷展开了对CFCs和HCFCs物质的替代物的研究，注重臭氧保护和减小温室效应，要求制冷剂不但要OPD 值较小，GWP 值也要较小［1］。

制冷剂的替代发展以可持续发展的环境观为首要标准，其ODP值为0，同时还要求GWP值小于150［2］。其次，制冷剂要有利于提高系统的能效比、安全性较好、可燃性和毒性较小、与润滑油有良好的相溶性等特点。图1给出了制冷剂的ODP和GWP值，图2为制冷剂替代方向。总之，制冷剂的替代必须满足全球环境的可持续发展要求，制冷剂的发展与世界的可持续发展密切相关。本文对当前常用的几种制冷剂进行了性能研究，并对未来制冷剂的发展方向做了分析。

1 制冷剂 R600a、R410a、R134a、R22、R744 和 R1234yf物性分析

目前，空调和制冷行业中使用较多的制冷剂为R410a、R134a、R22、R600a等，制冷剂的比热、粘度、密度、导热系数以及和润滑油的互溶性等物性参数［3］对循环性能的影响很大，不同工况下物性参数也有很大变化，制冷剂物性对循环性能影响很大。因此，选取制冷剂时既要考虑其物理性质对制冷性能的影响，同时还要考虑制冷剂对环境的影响。几种常用制冷剂及新型制冷剂R1234yf等物性见表1［4］。

表1 几种制冷剂物性

由表1可知，在蒸汽压缩式制冷循环中，制冷剂要求有较高的临界温度，以便在常温及低温下能够液化。其次，要有较大的单位容积制冷量和热导率。在同一工况下，当制冷量一定时，制冷剂的单位容积制冷量大，就可以减少系统的制冷剂容积，也可以相应的缩小压缩机的尺寸。较高的热导率也可以减少换热设备的传热面积，节省金属材料的消耗量。再次，制冷剂要求粘度和密度小，这样可使制冷剂循环的流动阻力小，降低循环功耗以增强其经济性。

2 制冷剂 R600a、R410a、R134a、R22、R744 和 R1234yf循环性能对比

不同的制冷剂因其具有不同的热力性能对循环性能的要求也不尽相同，所以针对不同的制冷剂设计合理的循环性能对提高压缩机的效率也具有重要意义。本文对常用制冷剂R600a、R410a、R134a、R22、R744和R1234yf单级循环性能进行对比。图3和图4给出了CO2跨临界单级循环原理和T-s图［5］。

2.1 蒸发温度对COP的影响

从图5中可以看出，在合理蒸发温度区间内，随着蒸发温度的升高，几种制冷剂的COP呈一条上升的曲线，其中以R410a的COP值最大且上升趋势较明显，R134a与R1234yf较为接近。所以在合理的范围内提高蒸发温度有助于提高制冷机的制冷性能。

2.2 冷凝温度对COP的影响

在图6中，随着冷凝器(气体冷却器)出口温度［6，7］的升高，几种制冷剂的COP值均呈下降的趋势，其中R744的下降趋势比较明显，相同冷凝温度下具有较大的COP值，所以R744制冷剂具有很大的开发潜力。在实际运行中，可适当降低冷凝器(气体冷却器)的出口温度提高压缩机的效率。

图5 COP随蒸发温度的变化

2.3 排气压力对COP的影响

由图7可以看出，R22，R134a，以及R600a制冷系统都是在较低的运行压力下工作的，在临界压力之后系统COP急剧下降。R744制冷系统运行压力较高且在某一范围内随压力升高COP值也急剧增大到极值。但是较高的压力对现有替代设备提出了更高的要求，压力过大必然会导致气体泄漏的隐患增大，这又为R744制冷剂的开发带来难度。随着排气压力的变化，R134a和R1234yf的COP具有相同的变化趋势，这为两种制冷剂的替代提供了可能。

总之，制冷剂制冷性能的好坏要看他在制冷机要求的工作条件(即高温热源温度TH、低温热源温度TL)下，是否有满意的理论循环特性，这主要取决于制冷剂的热力性质。要求:冷凝压力不高;蒸发压力在常压以上或接近大气压力;压比适中;排气温度不高;单位制冷量大;循环性能好、流动性能好。几种常用制冷剂及新型制冷剂R1234yf的性能见表2。

表2 几种制冷剂的性能

3 未来制冷剂的发展及要求

随着时代的进步，制冷剂的发展也经历了一个逐步完善的过程，替代制冷剂从无到有在不断更新和完善。每一种替代制冷剂的出现都是朝着制冷性能不断提高的方向发展的。在当今环境问题日益突出的大背景下，零ODP和低GWP制冷剂被积极开发。

目前制冷剂的替代主要有两种方向［8］:一种是以欧盟国家为代表的自然工质替代物，如R744、R717等;另一种是以美国和日本为代表的HCFC替代物，如R1234yf。自然工质对大气环境无害，重新利用自然工质是可取的;研发环境友好型的合成制冷剂也是未来发展的一个重要方向。自然工质R744和新型合成制冷剂R1234yf都具有零ODP和小GWP值，而且R1234yf具有与当前使用最多的R134a类似的性能，完全有可能在不更新设备的情况下完成替代。

［1］ D.W.Fahey.Ozone Depletion and GlobalWarming:Advancing the Science.In:Pr℃eedings of the Tenth International Refrigeration and Air Conditioning Conference，Purdue University，2004.

［2］ K.Senthil Kumar，K.Rajagopal.Computational and experimental investigation of low ODPand low GWPHCFC-123 and HC-290 refrigerantmixture alternate to CFC-12 ［J］.Energy Conversion and Management，2007，48(12):3053-3062.

［3］ M.R.Conde.Estimation of thermophysical properties of lubricating oils and their solutionswith refrigerants:An appraisal of existingmethods［J］.Applied Thermal Engineering，1996，16(1):51-61.

［4］ K.Senthil Kumar，K.Rajagopal.Heat transfer and pressure drop during condensation of the low GWP refrigerant R1234yf［J］.International Journal of Refrigeration，2010，33(7):1307-1318.

［5］ 王洪利，侯秀娟，马一太.三种单级CO2跨临界循环性能分析［J］.河北理工大学学报，2011，33(1):1-6.

［6］ 王洪利，马一太，姜云涛.CO2跨临界单级压缩带回热器与不带回热器循环理论分析与实验研究［J］.天津大学学报，2009，42(2):137-143.

［7］ HongliWang，YitaiMa，Jingrui Tian，Minxia Li.Theoretical analysis and experimental research on transcritical CO2two stage compression cycle with two gas coolers(TSCC+TG)and the cycle with intercooler(TSCC+IC)［J］.Energy Conversion and Management，2011，52(8-9):2819-2828.

［8］ 王如竹.制冷学科进展研究与发展报告［M］.北京:科学出版社，2007.