符號表
A 表面積(m2) do 管外直徑(m) Cp 比熱(J kg-1 K-1) COP 性能係數(無因次) f 壓縮機頻率(Hz) g 重力加速度(m2 s-1) h 熱傳係數(W m-2 K-1) i 比焓(kJ kg-1)
IHX 內部熱交換器
k 熱傳導係數(W m-1 K-1) ṁ 質量流率(kg s-1) P 壓力(Pa) Ps 飽和壓力(Pa)
符號表
Pr 普朗特數(無因次)
P* 對比壓力(reduced pressure)
Q 熱傳率(W)
T 溫度(oC) To 蒸發溫度(oC) Ts 飽和溫度(oC) TXV 感溫式膨脹閥 x 乾度(無因次)
Z
希臘符號
μ 黏度(kg m-1 s-1) σ 表面張力(N m-1) ρ 密度(kg m-3) ηv 容積效率(無因次)
下標
air 冷凝器入口處空氣
Volume 1, No. 3, June 2014, pp. 301-313
R-1234yf冷媒在空調和熱泵系統的性能-現況回顧
王啟川1*
摘 要
本文回顧R-1234yf與R-134a系統性能現有研究的差異比較。根據現有的研究，直接使用 R-1234yf置換R-134a系統的性能衰退大約在0-27%，並取決於操作條件。隨著引進內部熱交換器、
噴射器或膨脹器，或調整感溫式膨脹閥，性能衰退化可以舒緩，甚至可以變得與R-134a系統相若。
對於蒸發器的傳熱性能，R-1234yf的與R-134a的幾乎相同，然而，在冷凝器中R-1234yf的性能明顯 低於R-134a。R-1234yf的容積效率比R-134a稍低，這是因為R-1234yf有較高的摩擦壓降。對於相同 的感溫式膨脹閥，用於控制同樣的過熱度，R-1234yf系統需要更進一步調整最佳化的彈簧在膨脹閥 內的鬆緊程度。
關鍵詞：R-1234yf、R-134a、系統性能、熱傳導、熱泵、空調系統
收到日期: 2014年04月29日 修正日期: 2014年05月15日 接受日期: 2014年05月26日
1國立交通大學機械工程系 教授
*通訊作者, 電話: 03-5712121 ext. 55105, E-mail: ccwang@mail.nctu.edu.tw
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c 冷凝 con 冷凝器 eva 蒸發器 g 氣相
fg 液相與氣相之差 i 內側
f 液相 o 外側 s 飽和 w 壁面
上標
* R-1234yf/R-134a之比率
1. 緒 論
2006年歐盟已經開始制定氟氣體的規範 [1]。在這樣規範下，自2011年起禁止在新款 型的車輛上使用R-134a，而到2017年則完全禁 止使用在所有新車上。只有全球暖化潛能值 (GWP)值小於150的冷媒被允許使用在汽車空調 市場。目前僅有CO2、R-152a和R-1234yf滿足這 個需求。然而，CO2的高系統壓力和低效率及 R-152a的易燃性，使得R-1234yf成為這些可能 的選擇中最為突出的領先者。
R-1234yf的臭氧層破壞潛能值(ODP)為 零，其GWP為4 [2]。跟R-134a相比具有非常低 的毒性，並具有輕微的可燃性(“A2”分類 [3])。
表1描述了兩者的臨界特性和分子量，顯示
R-134a的臨界壓力比R-1234yf高20%。熱物理 性能、循環性能，及傳熱性能為評估使用新型 冷媒在空調可行性的關鍵參數。R-1234yf的熱 物理性質類與R-134a相似(Arakawa et al., [2])，
更詳細的熱力學性質及傳輸性質的比較及比 值可如圖1描述出(由REFPROP 9.0 [4]計算)。
圖1(a)描繪出熱力性質的差異，兩者間的比熱 與兩相的蒸氣壓力差異都在10%內。且蒸氣壓 力非常相似，因此可以在相似的能力與性能狀 態下進行冷凍循環操作，並在目前的汽車空調 系統中提供直接替換。R-1234yf的液體密度低 於R-134a 10%，而蒸氣密度高於R-134a約15- 20%。壓縮機藉由R-1234yf的高蒸氣密度提供 較大的質量流率。另外R-1234yf的潛熱與蒸氣 密度減少的級距是相同的，表示出兩個系統可 能有相似的能力(Q ~ ṁifg)。
如圖1(b)所示，氣態(kg, μg, Prg)傳遞性質與 流體Prf的差異在10%內，最主要的不同是流體 的熱傳導性(kf)和流體的黏度(μg)。R-1234yf這 兩個物性都低20%。在液態中低熱傳導性顯示
表1 R-1234yf的基本參數
分子量 臨界溫度 臨界壓力
R-134a 102 g mol-1 374.13 K 4.07 MPa R-1234yf 114.042 g
mol-1 367.85 K 3.382 MPa
Saturation Temperature (oC)
-40 -20 0 20 40 60 80
Ratio (R-1234yf/R-134a)
0.6 0.8 1.0 1.2 1.4
Uf Ug
ifg P*
Cp,f* Cp,g*
Saturation Temperature (oC)
-40 -20 0 20 40 60 80
Ratio (R-1234yf/R-134a)
0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4
Pf Pg
kf kg Prf Prg
V
(a) 熱力性質
(b) 傳輸性質
圖1 R-1234yf與R-134a熱力性質與傳輸特性之 比較
出較高的熱傳阻礙。因此可能會使冷凝器熱傳 性能退化，因為液膜可以在冷凝過程中覆蓋在 傳熱表面並產生大量的熱阻。近年來Wang[5]在 傳熱性能上進行探討，就現有的研究整理後，
明確闡述R-1234yf的凝結性能的不足，主要的 原因可能是與液體較低的熱傳導率有關，因此 重新設計R-1234yf系統的冷凝器是一個關鍵因 素。
除熱傳性能外，對於R-1234yf是否適合作 為R-134a直接替換(填充)的解決方案，現有研 究指出R-1234yf直接置換R-134a系統的性能表 現通常較差；過去幾年中在這議題中已有一 些研究發表[6-15]如列表2。基本上，幾乎所有 的研究報告中的冷卻能力和COP都有微幅的降 低。唯一的例外為文獻[6]，報告中的R-1234yf 和R-134a幾乎有相同的系統性能。在許多狀 況下使用R-1234yf及R-134a的結果是難以評估 的，這是因為包含不同的影響參數如蒸發器和 冷凝器的熱傳性能、冷媒的填充量、膨脹裝 置、附加的膨脹器(expander)/噴射器(ejector)/
內部熱交換器(internal heat exchanger)、壓縮機 等。因此，本研究的主要目標在論述近年來 R-1234yf和R-134a系統性能的差異性比較。
2. R-1234yf的熱傳特性
Wang[4]近期提供了R-1234yf的兩相熱傳導 特性的成果，包括管內對流沸騰、管內冷凝、
外部冷凝、核沸騰、臨界熱通量(CHF)的差異 性比較；這裡以較精簡的摘要整理Wang[4]的結 果並回顧一些最新的結果，進一步的細節和討 論可以在他的回顧文章中找到。
2.1 沸騰熱傳性能
R-1234yf的池沸騰傳熱和對流沸騰的傳熱 性能與R-134a很接近。可從Moreno[12]、Park 和Jung[13]、Saitoh et al. [14]和Lu et al.[15]等 人試驗結果確認。池沸騰有三個主要的物理機 制：氣泡攪動、氣液現象變化、蒸發與基本的
核沸騰熱傳有關(Thome [16])。其沸騰性能相近 的原因可由表1中的物性來說明，由於R-1234yf 臨界壓力比R-134a小17%，故在相同的飽和溫 度下有較高的對比壓力(reduced pressure)。例 如在40oC的飽和溫度中R-1234yf的對比壓力比 R-134a高20%，沸騰時活化產生氣泡的孔洞可 增加熱傳係數。在另一方面，R-1234yf的小氣 泡脫離直徑(~ )顯示氣泡攪動較低，在 較高的對比壓力氣液變化的貢獻則會抵消掉。
因此R-134a和R-1234yf有相似的核沸騰熱傳特 性[12,13]。而R-1234yf的兩相流譜與R-134a也 相同(Padilla等人[17])，因此流動特性也相符。
在這方面，R-134a和R-1234yf相似的兩相對流 沸騰熱傳係數的結果已有相當的文獻報導如 [14,15]。
2.2 冷凝的熱傳特性
由Nusselt's冷凝方程式應用在外部冷凝的 平滑管：
(1) 由方程式(1)，在冷凝中液體的密度、潛 熱、黏度、熱傳導發揮重要的作用，尤其是液 體的熱傳導性質具有很強的影響( )。上 述熱傳係數與熱傳導係數呈現3/4次方的關聯特 性，由圖1中可知，ρf, ifg,和kf 與R-134a相比，這 三個參數都比R-1234yf差，呈現負面的影響，
從方程式(1)可知，只有流體黏度對R-1234yf冷 凝熱傳係有正面的影響。因此可預期R-1234yf 冷凝熱傳係數跟R-134a比是相對低的。在Wang 的計算中[4]，冷凝熱係數下降可以到40%；同 樣的，在管內冷凝可得到相似的結果，這可以 從Shah的管內冷凝的經驗式得知[18]：
(2) 其中
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表2 R-1234yf系統的相關研究
作者 系統 工作流體 測試條件 結論
Motta et
al. [6] 壓縮機: 往復式 冷凝器: 鰭管式 蒸發器: 鰭管式 膨脹裝置: 針閥 系統: 自動販賣機
1. R-134a 2. R-1234yf 3. HFO-1234ze 冷凝方式: 氣 冷
效率測試:
1. 室外: 32.2oC, RH: 65%
2. 室內: 2oC.
能力測試:
1. 室外: 40.5oC, RH: 75%
2. 室內: 2oC.
1. 研究顯示-1234yf的COP 值略高於R-134a 1-2%但 其系統能力大於R-134a 2-5%。
Lee and
Jung [7] 系統能力 : 3.5 kW 蒸發器: 套管式 冷凝器 :套管式 系統: 汽車空調系 統(MACs)
1. R-134a 2. R-1234yf 冷凝方式: 水 冷式
1. 蒸發器/冷凝器: 冷媒 R-134a的飽和溫度:
7oC/45oC 和-7oC/41oC.
2. 在夏季與冬季測試。冷 凝器與蒸發器出口的過 冷度和過熱度維持在5oC 左右
1. R-1234yf的COP值比 R-134a低0.8-2.7%。
2. R-1234yf的系統能力比 R-134a低將近4.0%。
3. R-1234yf壓縮機出口溫 度為 6.4oC-6.7oC，比 R-134a小。
4. R-1234yf冷媒填充量少 於R134a 10-11%。
Zhao et
al. [8] 壓縮機: 可變容量 式冷凝器: 微通道平 行流熱交換器 蒸發器: 板鰭式熱 交換器膨脹閥: 感溫式 系統: 汽車空調系 統
1. R-134a 2. R-1234yf 冷凝方式: 氣 冷
低負載: 室外: 27oC
室內: 25oC, RH = 40%
均勻負載: 室外: 37oC
室內: 35oC, RH = 40%
高負載: 室外: 45oC
室內: 43oC, RH = 40%
1. 在相同的系統中 R-1234yf最佳的冷媒填 充量約為R-134a的95%
2. 在所有工作環境下，左右。
R-134a冷卻能力大於 R-1234yf 12.4%，而 COP值大約高9%。
Jarall [9] 冷藏裝置: 550 W 壓縮機: 密閉迴轉 式
膨脹閥: 感溫式 系統: 冷凍設備
1. R-134a 2. R-1234yf 冷凝方式: 水 冷式
冷凝溫度: 40oC and 45°C
蒸發溫度: -5~15oC 1. R-1234yf的COP與系統 能力與R-134a相比，
分別減少3.4~13.7%和 0.35~11.9%。
2. 在相似的條件下，
R-1234yf比R134a的壓力 比低，進而降低壓縮機 的功耗。
Zilio et al.
[10] 壓縮機:可變容斜 盤式
冷凝器: 微通道平 行流
蒸發器: 微流道設 計
膨脹閥: 感溫式 系統: 汽車空調系 統
1. R-134a.
2. R-1234yf 冷凝方式: 氣 冷
1. 蒸發器入口空氣: 35oC
& 40% RH, 25oC & 80%
RH, 15oC & 80% RH 2. 蒸發器空氣體積流率(m3
h-1) : 400±3%, 400±3%, 400±3%
3. 冷凝器入口空氣: 35oC, 25oC, 5oC
4. 冷凝器空氣體積流 率(m3/h): 1580±3%, 1580±3%, 1580±3%
5. 壓縮機轉速(rpm):
900~4,000
1. 對於特定冷卻能力，
R-1234yf系統性能比 R-134a低。
2. 使用數值模擬，主要研 究對於改善冷凝器/蒸發 器系統方式的影響。
3. 數值模擬顯示出提增冷 凝器正向截面積20%，
蒸發器10%，及使用 overridden 壓縮機，
在相同的冷卻能力下 R-1234yf的COP值顯示 出來的比R-134a還高。
Chen et
al. [11] 壓縮機:
(1).渦捲式 (2).能力 : 5,000 W (3).質量 : 6-6.2/kg (4).轉速 : 1,000- 7,200 rpm
系統: 油電混和車 空調系統
1. R-134a 2. R-1234yf 冷凝方式: 氣 冷
- 1. R-1234 yf直接填充在
R-134a的汽車空調，系 統性能會微幅的減少。
2. R-134a冷卻能力及COP 值分別高於R-1234yf 12.4%、9%。
(4) 由方程式(4)可看出，冷凝傳熱係數與kf0.6 成正比。因此可以預期R-1234yf有較低的冷凝 熱傳係數，從已發表的Col et al.[19]，Longo和 Zilio[20]的文獻中，明確得知R-1234yf表現出 較低的冷凝熱傳係數，取決於操作條件和熱交 換器，其熱傳係數的降幅約為12%-15%。上述 結果顯示重新設計冷凝器是十分必要的，由於 熱阻的下降主要是在冷媒端，因此對於液冷式 熱交換器就格外重要。另外對於典型的氣冷系 統，由於空氣側的熱阻通常超過80%甚至90%
(Wang et al.[21]和Wang[22])，因此在冷凝器中 管內冷凝性能明顯的下降對氣冷式熱交換器的 影響可算是輕微。
3. R-1234yf vs. R-134a系統 性能比較
表2敘述了R-1234yf和R-134a相關研究的 系統性能差異性比較。這些研究主要是使用 R-1234yf直接替代(填充)替換R-134a的系統。
基本上該系統的性能在COP和能力方面皆比 R-134a的系統略低。因此，一些簡單的改善設 計可適度補償性能損失的部分：如內部熱交換 器、調整感溫式膨脹閥、採用膨脹器或噴射器 也可以考慮。
3.1 冷媒填充的差異
冷媒填充量主要受限於系統內部體積和冷 媒液體的密度。系統內部容積是固定的，因此 冷媒填充量與液體的密度有關。隨著冷媒填充 量的上升，冷凝器出口液體過冷度會提高，對 應的冷凝壓力變得比較高。由於R-1234yf的液 體密度相對小10%，因此R-1234yf的最佳填充 量比R-134a低。冷媒填充量判斷的標準是冷媒 在冷凝器出口的過冷度。過冷度是根據在冷凝 器出口的冷媒溫度和壓力來評估。對於標準工 作狀態下，進風溫度在室內機均保持在27oC，
相對溼度為50%，而是室外機則為35oC。Zhao et al.[8]的實驗中發現R-1234yf的最佳的冷媒 填充量較R-134a低5%，Lee和Jung[7]也發表 R-1234yf低於R-134a 10%的冷媒填充量的研 究。
3.2 壓縮機性能的差異
Navarro-Esbrı´ et al.[23]使用一個開放型往 復式壓縮機，一個殼管式冷凝器，雙套管內部 熱交換器(IHX)，一組膨脹閥，以及一個殼管式 蒸發器來測試R-1234yf直接替代(填充)R-134a相 關的性能。在圖2呈現出兩種冷媒在壓縮機容積 效率與壓縮比的差異比較。容積效率如預期，
隨壓縮比的上升而減少。也可看出使用R-134a 比使用R-1234yf的壓縮機容積效率高5%。在 圖中可以觀察到R-1234yf獲得的容積效率比較 分散，且比R-134a還大。圖中的差異乃因為 R-1234yf有較低的潛熱，而較高的質量流率可 能會使壓降上升。因此Navarro-Esbrı´ et al.[23]
認為較低的容積效率而產生R-1234yf有更高的 摩擦壓降。圖3為兩種冷媒在不同工作狀況下壓 縮機的功率消耗量。圖3(a)在冷凝溫度333.15K 時R-1234yf的功率消耗比R-134a高18-28%。而 當冷凝溫度下降到313.5K，功率消耗並沒有明 顯的增加。此一實驗結果顯示，與R-134a相比
圖2 R-1234yf與R-134a的容積效率比較(from Navarro-Esbrı´ et al. [23]).
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R-1234yf在高冷凝溫度時不會明顯地增加壓縮 機功耗，這是因為提高壓力冷媒質量流率低，
其壓降也相對的低。R-1234yf的臨界溫度和臨 界壓力比R-134a低，因此冷凝溫度的上升對於 減少R-1234yf的質量流率有更不好的影響，這 結果也可以解釋Motta et al.[6]部分的測試是唯 一顯示出兩種冷媒系統性能完全相同，並可直 接替換(填充)R-1234yf而毋需變更。不過讀者必 須注意他們的溫差比較高，會產生較低的質量
流率，過熱度對壓縮機的功率消耗的影響如圖 3(b)。
另外當過熱度從5K增大到10K時，將會降 低功率消耗；而功率消耗受到各種蒸發溫度及 壓縮機頻率的影響，如圖3(c)所示。兩種冷媒 的差異在於功率35赫茲比50赫茲還低。因使用 R-1234yf比R-134a有較高的壓降。Navarro等 人[24]使用了相似的測試設備來測試R-134a、
R-1234yf，和R-290之間潤滑油的作用。所測試 圖3 COP實驗的變化值比較蒸發溫度To對(a)冷凝溫度(b)過熱度(c)壓縮機驅動頻率的影響(由
Navarro-Esbrı´ et al. [23]).
的為POE油ISO 68。他們發現油循環率小於3%
時，這兩種冷媒在所有的操作情況下沒有顯著 的差異。而低蒸發溫度的油循環率比其餘部分 還高。
3.2 蒸發溫度的影響、內部熱交換器
Navarro-Esbrı等人[23]也研究了COP值在 操作參數的變化，如：蒸發溫度、內部熱交換 器以及冷凝溫度並可參考圖4。可以觀察出改 變操作壓力時，使用R-1234yf得到的COP低於 R-134a約5-27%。如圖4(a)所示，高冷凝溫度下 使用這兩種冷媒COP值的差異相對較低，冷凝 溫度333.15K大約低8%、冷凝溫度313.15K時約
低25%。冷凝溫度的影響也與壓降有關(或者系 統的質量流率)。在壓縮機系統中，如前面提 到的質量流率隨著冷凝溫度的上升而減少，另 一方面也可以看出兩種冷媒在內部熱交換器的 COP值上是一個重要的影響，兩種冷媒之間的 COP的差異如圖4(b)。實際上，當R-1234yf不 使用內部熱交換器時的COP值低於R-134a約11- 24%，使用時則變成6-17%。Navarro-Esbrí et al.
[27]也在一個相似的研究中，提供更多R-134a 與R-1234yf內部熱交換器的執行狀況的細節。
內部熱交換器的示意圖如圖4(c)所示，他們的 結論認為R-1234yf系統引進內部熱交換器會增 加的冷卻能力和COP並展現出可與R-134a原始
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(c)
圖4 COP實驗值對To 作圖的變化(a)冷凝溫度(b)內部熱交換器(c)內部熱交換器之結構；((a) & (b) Navarro-Esbrı´ et al. [23] (c) Navarro et al. [27] ).
系統相似的性能，使用內部熱交換器將僅降低 減少冷凝能力和COP 2-6%。
Cho等人[25]進行R-134a與R-1234yf在車輛 空調系統中使用內部熱交換器影響的實驗。使 用R-1234yf在性能的測試上顯示一個較低的功 率消耗(-4%)及較小的冷卻能力(-7%)。當沒有 安裝內部熱交換器時，R-1234yf與R-134a系統 性能的COP值下降7%；隨著引入IHX，COP值 差異將減小到2.9%。對於R-1234yf最佳化時使 用內部熱交換器(Seybold et al. [26]提出了多種 共軸設計)，將朝著最小化內部液體體積，最小 化吸入壓降，最大化熱傳係數與有限的壓降等 目標調整。
3.3 引進兩相噴射器及膨脹器改善 性能
最近許多利用兩相噴射器的成果來改善 系統性能的應用多集中在超臨界CO2循環，這
是因為高壓操作的CO2冷媒有著較大的節流損 失及較低的循環效率。對於一般低壓工作流體 R-134a和R-1234yf，在公開文獻上很少使用噴 射器來改善性能，這是因為比起使用二氧化 碳，它們更難成功地以標準的兩相噴射器循環 去執行。Lawrence和Elbel[28]開發一種替代的 兩相噴射器的循環，藉由噴射器提供壓力的 提升來提供多種的蒸發溫度。噴射器基礎的循 環是Oshitani等人的專利[29]，可參考圖5(a)和 5(b)。其實驗結果顯示，相對於CO2噴射器，針 對低壓流體設計的噴射器將能夠達成較低一些 的功率回收效率。與兩個蒸發溫度膨脹閥循環 相比，噴射器循環顯示出R-1234yf的COP值增 加12%，而R-134a為8%。
Subiantoro和Ooi[30]使用膨脹器的經 濟 分 析 在 中 型 規 模 空 調 搭 配 數 種 冷 媒(包含 R-1234yf)。藉由增加冷卻能力完成執行等熵膨 脹，提高系統在兩個方面的COP (Nickl et al.,
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(c) (d)
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圖5(a) 設計噴射器的配置圖(b) COS噴射循環之壓力-比焓曲線(c) 冷凍系統壓力-比焓曲線(搭配膨 脹閥/無膨脹閥) (d)冷凍系統在膨脹過程中所回收的無效功((a) & (b) Lawrence and Elbel [28], (c)和(d) Subiantoro and Ooi [30]).
[31])。減少在蒸發入口的焓值(參考圖5(c))，能 重新獲得膨脹能量。因此便可降低壓縮機外部 的電力需求(參考圖5(d))。經濟分析顯示出膨脹 器安裝到冷媒系統是有經濟效益的，尤其是對 於中型空調。膨脹器特別對CO2和R-404A系統 很有吸引力，回收期分別是一年及三年。藉由 增加膨脹器應用於R-1234yf的系統，若膨脹器 的效率從30%增加到60%時，回收年限將從5.3 年降到3.4年。
3.4 膨脹閥的性能差異
空調系統的過熱度通常是由感溫式膨脹閥 進行控制。對於一個典型的汽車空調，蒸發器 出口過熱度的設計在5到10K之間。Zhao et al.
[8]在一個原始填充R-134a的車用空調系統上，
使用R-1234yf的直接填充(替換)的測試。R-134a 及R-1234yf在低(Tair = 27oC)、中(Tair = 37oC)與 高(Tair = 45oC)的三種環溫進行比較測試。測 試結果如圖6(a)，在所有的工作條件下顯示出 R-1234yf系統的過熱度高於R-134a系統約2.9- 5.9 K。R-1234yf的系統結果主要是因為膨脹閥 使用不當，這是因為膨脹閥的開度是取決於插 塞位置，如圖6(b)所示。感應器和蒸發器出口 的壓力將同時作用於薄膜上。在感應器中填充 的液體將可在蒸發器出口偵測冷媒的溫度，因 此會在薄膜上施加壓力。
由於原有的感溫式膨脹閥適用於R-134a，
因此原有設定在R-134a的流體在感應器中的 位置可能與R-1234yf不同。在初始設定(主要 的彈簧力量)是不合適的，這是由於R-1234yf 與R-134a的熱力性質稍有不同。這方面，
R-1234yf系統的過熱度並不能精準地在一個直 接填充(替換)測試中控制在適當值，而導致系 統的性能下降。需注意太大的過熱度是浪費蒸 發器的傳熱面積，因為熱傳在過熱區主要是較 沒效率的顯熱變化，而在兩相區主要是的潛熱 變化。R-1234yf系統較大的過熱度在測試中可 能會降低系統的性能。這方面為了獲得更多 R-1234yf系統合理的過熱度，由Zillo等人[10]修
改TXV (與TXV調節有關)，從在0oC量測儀器的 原始設定為0.20 MPa到0.29 MPa。彈簧的調整 如圖6(c)所示，我們可以發現在過熱度上改善 很多。因此建議感溫式膨脹閥需可在所有的操 作條件下準確量測R-1234yf的特性。Chen等人 [11]也指出R-1234yf在典型直接填充(替代)取代 R-134a的測試效能較低，R-1234yf可藉由調整
(b)
(c) (a)
圖6 吸入的R-134a與R-1234yf之過熱度(a) Zhao et al.的測試數據[8] (b)感溫式膨脹 閥的吸入過熱(c) Zillo et al.[10]的測試數 據；橫坐標定義：第一個數字為環境溫度 (oC)，第二個數字為相對溼度(%)，第三 個數字為壓縮機轉速(RPM)。
設定感溫式膨脹閥或是增加一個內部熱交換器 進行最佳化，其系統的性能可與R-134a的系統 相若。
4. 結 論
本文探討R-1234yf與R-134a的系統性能 比較。R-1234yf的ODP為零，其GWP僅為4。
R-1234yf還具有非常低的毒性並有較低的可燃 性。目前它被認為是最有希望去替換R-134a 的冷媒。R-134a與R-1234yf蒸氣壓力非常相 似，並可在現今的車用空調系統直接替換。
R-1234yf系統的能力及COP在目前的系統上比 R-134a低，這是因為一些系統差異，包含在冷 凝器和蒸發器的熱傳性能、冷媒填充量、膨脹 裝置、增加膨脹器/噴射器/內部熱交換器，壓 縮機等。到現在為止，有數十篇的研究報告報 導R-134a和R-1234yf的系統性能比較。根據這 些研究的結果，總結如下的比較：
(1) R-1234yf可直接填充替換R-134a系統，但 系統COP和能力會變差。其性能衰退約為 0-27%並取決於操作條件。隨著引進內部熱 交換器、噴射器、膨脹器或是調整感溫式膨 脹閥可以舒緩性能上的衰退。
(2) R-1234yf在蒸發器上與R-134a有相似的傳熱 性能，但在冷凝器的性能低於R-134a。對於 水冷式冷凝器，這現象是相當嚴重的，因為 在冷媒側可能是主要熱阻。因此R-1234yf系 統上，重新設計的冷凝器為最佳化的一個重 要關鍵。
(3) 兩 種 冷 媒 在 油 循 環 率 上 沒 有 明 顯 的 差 異，R-134a系統中使用的潤滑油可以用在 R-1234yf系統。
(4) 對於相同的感溫式膨脹閥控制吸入過熱度，
可看出R-1234yf會出現較高的吸入過熱度。
未來彈簧閥的最佳化調整是必要的。
致 謝
作者感謝來自經濟部能源局，和臺灣國科 會(102-ET-E-009-006-ET)的支持。
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An overview of the System Performance of R-1234yf Refrigerant in Air-conditioning and Heat Pump System
Chi-Chuan Wang1*
ABSTRACT
In this study, an overview of the system performance of R-1234yf in association with R-134a is carried out. Based on the existing researches, it is found that the COP and heat capacity of R-134a system may suffer from direct drop-in replacement of R-1234yf. The deterioration of system performance is around 0~27% depending on the operational conditions. With the introduction of internal heat exchanger, ejector, expander, or adjustment of the thermal expansion valve, the deterioration can be relieved., and a comparable performance becomes likely. For the heat transfer performance in the evaporator, R-1234yf is almost comparable with that of R-134a. However, the performance in the condenser is inferior to R-134a.
The phenomenon may be quite severe for a water cooled condenser since the dominant thermal resistance may fall in the refrigerant side. The volumetric efficiency of R-1234yf system is slightly lower than that of R-134a due to higher frictional pressure drop of R-1234yf. For the same thermal expansion valve for controlling the suction superheat, it appears that higher suction superheat may occur for R-1234yf. Hence further adjustment of spring in the valve is required for optimization.
Keywords: R-1234yf, R-134a, system performance, heat transfer, heat pump, air-conditioning
Received Date: April 29, 2014 Revised Date: May 15, 2014 Accepted Date: May 26, 2014
1 Professor, Department of Mechanical Engineering, National Chiao Tung University
* Corresponding Author, Phone: 886-3-5712121 ext. 55105, E-mail: ccwang@mail.nctu.edu.tw
![表 2 R-1234yf系統的相關研究 作者 系統 工作流體 測試條件 結論 Motta et al. [6] 壓縮機: 往復式冷凝器: 鰭管式 蒸發器: 鰭管式 膨脹裝置 : 針閥 系統: 自動販賣機 1](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/9libinfo/9065889.351747/4.892.108.799.164.1188/R系統相關研究作者系統工作流體測試條件結論壓縮往復式冷蒸發器.webp)
