引言我国汽车空调中广泛使用R134a制冷剂，然而在一些发达国家国家中，R134a均属于需要被限制使用的制冷剂[1-3]。R1234yf因为热力性质与R134a相近，且绿色环保受到关注[4-5]。将R134a与R1234yf进行混合可以抑制其可燃性，有研究对R1234yf/R134a的气液相平衡特性[6]、pvTx性质[7-8]及其在制冷系统中的实际运行性能[9-12]进行研究。R152a的GWP接近140，饱和蒸气压力与R134a相近，且在温度为-20~20 ℃时，气化潜热较R1234yf高53.3%~56.5%。Peng[13]等对R1234yf/R152a的气液相平衡特性进行试验研究，发现R1234yf/R152a的温度滑移较低，存在共沸点。孙维栋[14]等对R1234yf/R152a用于汽车空调系统中的适宜配比范围进行理论研究，发现当R1234yf的液相摩尔分数在0.65~0.67时，R1234yf/R152a综合性能接近R134a，此时混合工质的燃烧等级仍为A2L。因为R152a具有较为优异的热力性质和环境友好性，本研究将R152a与R1234yf/R134a进行混合，对R1234yf/R134a/R152a（0.71/0.12/0.17）应用于汽车空调系统中的可行性进行理论研究。1混合工质热力性质计算1.1混合工质热力性质计算模型创建作为通用方程的一种，PR方程对于工质气液相平衡特性的描述精度较高，且只需较少的物性参数就可以进行计算，因此本研究选用PR方程计算混合工质的热力性质[14-15]。计算所需工质的部分物性参数如表1所示[16]。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.015.T001表1各纯工质的部分物性参数物性参数R1234yfR134aR152a临界压力/kPa3 382.24 059.34 516.8临界温度/K367.85374.21386.41偏心因子0.276 00.326 80.275 2拟合所用目标函数如下[6,13,17]：δP=100×1N∑i=1N(Pcal,i- Pexp,i)/Pexp,i (1)δy2=1N∑i=1Nyexp,i- ycal,i (2)OF=1N∑i=1N(Pexp,i- Pcal,iPexp,i)2+(yexp,i- ycal,i)20.5 (3)式中：N——VLE实验点的总数；Pexp,i——饱和压力试验值；Pcal,i——饱和压力计算值；yexp,i——气相摩尔分数试验值；ycal,i——气相摩尔分数计算值。计算所需关联系数如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.015.T002表2对混合工质VLE数据的关联结果关联结果R1234yf/R134aR1234yf/R152aR134a/R152aδP/%0.3610.2320.152δy2/×10-32.3501.7672.305Kij/×10-21.901.85-0.551.2模型计算误差分析目前关于三元混合工质热力性质的研究较少，无法直接比较计算结果的准确性。为验证计算结果的可靠性，研究选用模型计算R1234yf/R134a/R152a（0.71/0.12/0.17）相平衡状态的部分物性（-20~40 ℃）。将计算结果与Refprop 9.1中的数据进行比较，结果如表3所示，两者的偏差结果如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.015.T003表3用PR方程计算新型混合工质部分物性计算结果与模拟结果对比t/℃ρ'/(kg/m3)ρ''/(kg/m3)h1/(kJ/kg)h2/(kJ/kg)s1/[kJ/(kg·K)]s2/[kJ/(kg·K)]-20计算结果1 212.1787.925174.387369.4980.9031.674Refprop 9.11 219.5007.524173.840369.4400.9011.674-10计算结果1 181.99211.445186.972376.2570.9521.671Refprop 9.11 191.10010.929186.750376.0900.9511.6710计算结果1 149.25616.112200.000382.9131.0001.670Refprop 9.11 161.60015.448200.000382.6201.0001.66910计算结果1 113.59822.207213.517389.3981.0481.669Refprop 9.11 130.60021.349213.600388.9701.0491.66820计算结果1 074.54930.091227.582395.6321.0971.670Refprop 9.11 097.80028.964227.580395.0701.0971.66830计算结果1 031.50340.239242.272401.5181.1451.670Refprop 9.11 062.90038.726241.970400.8401.1441.66840计算结果983.64853.309257.697406.9261.1941.671Refprop 9.11 025.30051.226256.840406.1601.1921.66910.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.015.T004表4计算结果与模拟结果的偏差比较t/℃ρ'ρ''h1h2s1s2-200.605.330.310.020.240.00-100.764.730.120.040.090.0301.064.300.000.080.000.06101.504.020.040.110.030.08202.123.890.000.140.000.11302.953.910.120.170.080.12404.064.070.330.190.220.14%通过比较发现，研究所建模型在工质热力性质方面的平均偏差最大为4.32%，最大偏差为5.33%，具有较高的可靠性。2可行性分析2.1热力学特性新型混合工质R1234yf/R134a/R152a（0.71/0.12/0.17）与R134a和R1234yf的饱和蒸气压力曲线如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.015.F001图1新型混合工质与R134a和R1234yf的饱和蒸气压力曲线新型混合工质的泡、露点压力几乎重合，具有明显的近共沸现象，且压力曲线与R134a、R1234yf几乎重合，三者的热力学性质相近。新型混合工质具备替代R134a的潜力。2.2循环性能分析由于目前常用汽车空调的压缩机与发动机紧密联系且随着发动机转速的变化而变化[18-19]，在汽车空调典型工况基础上，对新型混合工质系统在变蒸发温度情况下的主要循环性能进行理论计算，并将结果与R134a、R1234yf、R513A、D4Y进行比较。循环理论计算基于以下假设[20]：（1）系统中仅有膨胀阀处存在压降；（2）系统的等熵效率为1；（3）系统与高、低温热源交换热量时无传热温差，且其他部件与外界绝热。典型工况及压焓图，如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.015.F002图2循环性能理论计算工况2.2.1各工质变蒸发温度下的COP各工质变蒸发温度下的COP如图3所示。随着蒸发温度的升高，所有工质的COP都逐渐增大，新型混合工质与R513A、D4Y的COP曲线几乎重合。新型混合工质的COP较R134a低2.93%~4.46%，较R1234yf高1.46%~2.47%。由于COP是空调系统的能效比，在现有汽车空调系统中使用新型混合工质后，系统能耗与R134a相比略有提高，但仍低于R1234yf。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.015.F003图3各工质变蒸发温度下的COP2.2.2单位质量制冷量各工质变蒸发温度下的单位质量制冷量如图4所示。从图4可知，随着蒸发温度的升高，所有工质的单位质量制冷量都逐渐上升，新型混合工质的单位质量制冷量略高于R513A、D4Y，较R1234yf高12.90%~14.25%，较R134a低12.90%~14.59%。主要是因为R1234yf的气化潜热较低且其在新型混合工质中的摩尔分数为0.71，但是相同温度下R152a的气化潜热高于R134a，所以新型混合工质的单位质量制冷量高于R513A、D4Y、R1234yf。说明使用新型混合工质替代R134a时，需增加工质的质量充注量，但所需充注量低于R1234yf、R513A和D4Y。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.015.F004图4各工质变蒸发温度下的单位质量制冷量2.2.3单位体积制冷量各工质变蒸发温度下的单位体积制冷量如图5所示。从图5可知，随着蒸发温度的升高，所有工质的单位体积制冷量都逐渐上升，R134a与R513A、D4Y的单位体积制冷量曲线几乎重合；新型混合工质的单位体积制冷量略低于R134a、R513A和D4Y，且随着蒸发温度升高，差距逐渐变大；R1234yf的单位体积制冷量则明显低于其他几种工质。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.015.F005图5各工质变蒸发温度下的单位体积制冷量因为新型混合工质的单位质量制冷量高于R513A、D4Y、R1234yf，但是在相同温度及压力的过热状态下，R152a的比容高于R1234yf且低于R134a。新型混合工质的单位体积制冷量与R134a相近，说明与现有的R134a汽车空调系统中压缩机之间有着较高的匹配性，且匹配性高于R1234yf。2.2.4排气温度各工质变蒸发温度下的排气温度如图6所示。从图6可知，随着蒸发温度的升高，R1234yf的排气温度几乎没有变化，R134a的排气温度降低幅度较大，新型混合工质、R513A、D4Y的排气温度降低幅度较小。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.015.F006图6各工质变蒸发温度下的排气温度R1234yf的排气温度最低，R134a的排气温度最高，3种混合工质的排气温度处于两者之间且新型混合工质的排气温度略低于R513A和D4Y；新型混合工质的排气温度较R134a、R513A、D4Y分别低4.3~6.6 ℃、0.74~1.01 ℃、0.49~0.63 ℃。与R134a、R513A、D4Y相比，新型混合工质较低的排气温度更有助于改善压缩机工作条件，延长压缩机的使用寿命。2.2.5蒸发器温度滑移各工质变蒸发温度下在蒸发器中的温度滑移如图7所示。从图7可知，随着蒸发温度的升高R513A和D4Y的温度滑移逐渐变小且变化幅度较为明显，新型混合工质的温度滑移先减小再增加但是趋势较为平缓。R513A、D4Y以及新型混合工质的温度滑移均小于0.025 ℃，其中D4Y与新型混合工质的平均温度滑移均小于0.01 ℃。因为汽车空调设备常处于颠簸环境且连接管件多为软管，系统内的制冷剂易于泄漏，所以新型混合工质极低的温度滑移有助于维修人员对制冷系统的维护。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.015.F007图7各工质变蒸发温度下，在蒸发器中的温度滑移2.3安全性与GWPR1234yf、R134a、R152a的安全性等级分别为A2L、A1、A2。将R1234yf/R134a/R152a（0.71/0.12/0.17）用于汽车空调系统中时，还需考虑混合工质的燃烧性。文献[14]中提出，当R1234yf/R152a中R152a的液相摩尔分数不超过0.53时，R1234yf/R152a的燃烧速度低于10 cm/s，安全等级属于A2L。当R1234yf、R134a、R152a的液相摩尔分数分别为0.71、0.12、0.17时，新型混合工质的燃烧速度低于10 cm/s，安全性等级为A2L。对于混合工质，其GWP是由各纯工质的GWP乘以对应质量分数相加得出，表达式如下：GWPm=∑iXi×GWPi (4)式中：GWPm——混合工质的GWP；Xi——第i种工质的质量分数；Xi——第i种工质的GWP。因为R1234yf、R134a、R152a的GWP分别为4、1 430、140，R1234yf/R134a/R152a（0.71/0.12/0.17）中对应的质量分数分别为0.775、0.117、0.108，所以R1234yf/R134a/R152a的GWP为185。2.4润滑油互溶性润滑油与制冷剂良好的互溶性有助于保证汽车空调系统的平稳运行，并延长压缩机的使用寿命。R134a与聚酯类润滑油有着非常好的互溶性；Fujikata[21]等发现R1234yf与聚酯类润滑油具有较好的相溶性；葛芊[22]等发现R152a与聚酯类润滑油和烷基苯润滑油互溶性较好。因此R1234yf/R134a/R152a（0.71/0.12/0.17）与聚酯类润滑油具有很好的互溶性。3结语（1）R1234yf/R134a/R152a（0.71/0.12/0.17）的泡点、露点压力相差很小，且曲线与R1234yf、R134a的饱和蒸汽压力曲线几乎重合。（2）与R134a相比，R1234yf/R134a/R152a（0.71/0.12/0.17）的COP和单位体积制冷量相近，有助于实现直接灌注式替代，但需要增加混合工质的质量充注量；排气温度更低，有助于延长汽车空调设备的使用寿命，且温度滑移极小，有助于维修人员对系统的维护。（3）与R513A和D4Y相比，R1234yf/R134a/R152a(0.71/0.12/0.17)的COP、单位体积制冷量相近，排气温度稍低，单位质量制冷量略高，且GWP更低。（4）在循环性能方面，R1234yf/R134a/R152a（0.71/0.12/0.17）在单位质量制冷量、单位体积制冷量、COP方面均优于R1234yf，但排气温度较R1234yf高2.75~4.07 ℃。（5）R1234yf/R134a/R152a（0.71/0.12/0.17）的GWP为185，安全等级为A2L，且与聚酯类润滑油有着良好的互溶性。将R1234yf/R134a/R152a（0.71/0.12/0.17）用作汽车空调制冷剂具有较高的可行性。