第45卷第2期2020年4月
广州化学
Guangzhou Chemistry
V ol. 45 No. 2
Apr. 2020
文章编号：1009-220X(2020)02-0016-07 DOI:10.hx.20200203
葛昕，韩南奎，胡莎莎，李康*
（上海理工大学，上海200093）
摘要：研究了制冷剂R290在电动汽车热泵空调系统潜在泄漏过程中的燃烧特性，通过实验得到了
不同泄漏温度和体积流量下R290的燃烧特性，并与制冷剂R134a进行对比。实验表明：R290在低温
下更难点燃，而在高泄漏体积流量下和高泄漏温度下会发生喷射火焰的吹灭现象，且当泄漏温度在
30～60℃之间时，泄漏体积流量的增大会提高其燃烧强度。R290制冷剂气体温度越高，其火焰燃烧强
度越大，燃烧火焰越细，火焰心高度越低；R290制冷剂气体的体积流量越大，火焰燃烧区域越大，火
焰高度越低，热辐射通量越大。
关键词：电动汽车；热泵系统；制冷剂R290；燃烧特性
中图分类号：TB64 文献标识码：A
电动汽车由于其污染较少和能源消耗较低等优点，受到全世界的广泛关注，大有替代传统内燃机汽车的趋势。目前电动汽车上普遍使用的是R134a热泵空调系统，但是对于低于－10℃的环境温度，R134a热泵系统由于其特殊的制冷剂热物理特性而无法提供足够的热量[1]。此外，由于R134a具有高GWP值，R134a 将在近几十年被低GWP值得制冷剂取代[2-3]。
R290制冷剂因为其较低的GWP值以及优良的物性，吸引人们的关注，并将其作为电动汽车中R134a 的替代制冷剂[4]。在过去的几十年中，R290尚未用于任何类型的电动汽车，且对R290热泵系统的研究仍处于早期阶段。Liu等[5-6]提出并研究了使用R290制冷剂的电动汽车热泵系统，研究发现由于R290的工
作压力与R134a处于同一水平，所以R290热泵系统具有与R134a热泵系统非常相似的组件和结构。在热泵系统中，与R134a相比，R290在－20℃以上环境温度中表现出非常优异的加热性能，并且具有更大的体积冷却能力。
尽管R290具有取代R134a的许多优势，但其易燃易爆的特性是其在电动汽车热泵系统中推广的主要障碍。Feng等[7-8]研究了R290的燃烧和爆炸特性，结果表明，靠近火焰底部的特定扰动可能会增强燃烧强度。Clodic等[9]使用管式实验方法研究了家用空调的R290燃烧速率。Zhang等[10]在实验室规模上进行了一系列R290制冷剂的燃烧实验，它表明泄漏的R290超压不足以引起空调系统损坏，但是如果在泄漏期间点燃R290，则系统将很快被烧毁。最重要的是，以前的工作主要集中在家用空调系统中R290的风险评估和燃烧特性研究上，很少有文献讨论电动汽车热泵空调系统泄漏过程中的R290燃烧行为，这对于使用易燃制冷剂的电动汽车热泵空调系统的安全性和可靠性非常必要。
为了进一步研究R290制冷剂在电动汽车上的适用性，本文在不同设定工况下对R290和R134a制冷剂进行了泄漏和燃烧实验的对比研究。并在不同的泄漏体积流量和泄漏温度下，测量了R290制冷剂的典型热力学参数，包括火焰高度、火焰心高度和火焰中心线温度。还记录了R290制冷剂的点火温度和辐射通量，以研究R290制冷剂的燃烧行为。
收稿日期：2019-12-30
作者简介：葛昕（1976~），男，工程师，硕士。主要从事整车热管理、控制理论与控制工程的研究。**************
第2期
葛 昕等：电动汽车热泵系统中易燃制冷剂R290燃烧特性的实验研究
17
1 实验
1.1 实验系统介绍
通过搭建燃烧实验系统以研究R290制冷剂和R134a 制冷剂的燃烧特性，该燃烧系统的实验原理图如图1所示。该系统属于射流燃烧系统，系统组件包括一个气瓶、一个控气瓶，可以使用流量计来记录系统管道中制冷剂气体的体积流量。三个热电偶和一个压力传感器对四个测量点的实时温度和压力数据进行测量采集，其测量精度在±0.25%以内，响应时间小于0.5秒。为了监督和记录火焰在不同方向上的热辐射，本实验中使用了两个直径为1.5 mm 的热辐射采集器。五个K 型热电偶用于测量R290制冷剂在不同燃烧火焰高度下的瞬时温度，热电偶的布置高度范围为25 mm 至100 mm 。通过设置直径为1毫米的泄漏喷嘴模拟制冷剂从实际的汽车空调热泵系统的碰撞管路或腐蚀的热交换器中泄漏出来的过程。此外，
实验中的高清数码摄像机用于记录图像数据。通过P1记录输送管线上的制冷剂压力，而通过T6记录制冷剂温度。喷嘴前后的制冷剂参数的温度变化由T0和T7记录。
图1 实验系统原理图
1.2 实验工况介绍
制冷剂R290和R134a 的燃烧工况如表1所示。通过改变制冷剂的体积流量、气体温度等参数，研究R290的燃烧特性。
表1 燃烧实验工况
压力/ MPa 体积流量/ (L·min -1) 气体温度/℃ R290 0.48 0.5/0.75/1/1.25/1.5
10/30/60/90 R134a
0.3
30/60/90
2 结果与讨论
2.1 燃烧火焰对比
在1.25 L/min 的相同体积流量下，对R290和R134a 的燃烧火焰进行对比研究，气体温度分别为30℃、60℃、90℃，制冷剂R290的压力为0.48 MPa ，而R134a 的压力为0.3 MPa 。两种制冷剂的燃烧火焰图如
M
v 1
P 1
v 2
v 3
v 4
T P 热电偶 压力传感器 流量计 辐射计
热线点火 送气喷嘴
控气瓶
R 2
R 1 10 mm
15 mm
100 mm
75 mm 75 mm
40 mm
25 mm
T 1 T 2
T 3 T 4 T 5 气瓶
测试部分
高清数码 摄像机
T 6
T 7
T 0
M 1
18 广州化学第45卷
图2所示。由图可以看出R134a在正常工作条件下不会燃烧，R290的燃烧火焰随气体温度的变化而变化，在上述三个温度中，R290的火焰高度保持不变，而燃烧强度随气体温度的升高而增强。
图2 R290和R134a的火焰比较
2.2气体温度和体积流量的影响
首先通过电加热器加热气控瓶，将热量传递给制冷剂，加热温度分别为30℃、60℃、90℃，然后用冰块将制冷剂冷却至10℃。高清数码摄像机记录了R290制冷剂的整个燃烧过程，燃烧过程中的火焰变化如
图3所示。由图可以看出，不同体积流量的R290制冷剂表现出不同的燃烧火焰现象。当点燃体积流量为0.5 L/min的R290时，泄漏喷嘴处会出现较细的火焰，而制冷剂温度越高，燃烧火焰就越细。在相同温度下，随着体积流量的增加，火焰燃烧区域越大，火焰高度越低，且随着制冷剂温度的升高，这种现象更加明显。通过观察实验视频，发现R290在10℃下剧烈燃烧，燃烧的火焰颜显示为蓝。此外，在90℃和1.5 L/min的条件下，R290几乎不能维持燃烧状态，还伴随着嘶嘶声。
图3 不同温度和体积流量下R290的火焰变化R290 T＝30℃R290 T＝10℃
R290 T＝90℃R290 T＝60℃
T＝90℃1.25 L/min
T＝60℃1.25 L/min
T＝30℃1.25 L/min
第2期葛昕等：电动汽车热泵系统中易燃制冷剂R290燃烧特性的实验研究19
2.3火焰高度研究
研究了在不同体积流量和不同制冷剂气体
温度下R290的火焰高度和火焰心高度的变化规
律。结果如图4所示，随着体积流量的增加，
火焰高度降低，而火焰心高度呈现不同的规律。
在10℃的温度下，体积流量从0.5 L/min增加到
1.25 L/min时，火焰高度降低，火焰心高度升高。
但是当体积流量超过1.25 L/min时，由于R290
制冷剂气体在高体积流量以及低温下会剧烈燃
烧，所以火焰和火焰心高度都开始急剧下降。
此外随着制冷剂气体温度的升高，制冷剂体积
流量越小，火焰高度越高。因此，为了解决由
汽车空调热泵系统中的制冷剂泄漏引起的制冷剂爆炸问题，必须考虑泄漏率。而且，如图4所示，随着制冷剂气体温度的降低，火焰心高度也在增加。
2.4火焰温度研究
通过测试台获得了R290制冷剂燃烧火焰在不同高度的火焰温度，在实验研究中分析了火焰温度与火焰高度之间的关系。图5显示了在不同的泄漏温度下，R290制冷剂燃烧火焰的温度与火焰高度位置的关系。由图5可以看出，温度曲线几乎保持恒定，而泄漏的制冷剂气体温度和体积流量急剧变化，且R290制冷剂的燃烧火焰具有一个最高温度，而火焰高度主要集中在100 mm至150 mm之间。将热电偶放在火焰上方的最高点时，测得的火焰温度会降低，这是因为火焰和火焰心主要集中在中等高度。同样的随着火
温
度
/
℃
温
度
/
℃
图5 R290燃烧火焰的温度
图4 R290的火焰高度（实线：火焰高度，虚线：火焰芯高度）
20 广州化学第45卷2.5点火温度研究
本文研究了R290制冷剂的点火温度与体积流量之
间的关系。随着体积流量的变化，四个温度中R290的
着火温度如图6所示。随着制冷剂气体温度的升高，
很容易得出一个明显的结论：1）在包括10℃、30℃和
60℃的较低温度下，点火温度几乎保持稳定；2）较高
的温度（如90℃）下，当体积流量小于1.8 L/min时，
点火温度较低，R290制冷剂气体易于点燃，但体积流
量大于1.8 L/min时点火温度变高；3）在通常的实验条
件下，点火温度超过600℃。因此，通过实际实验的现
象可以得出结论：通过控制热泵系统中的点火能量可
以极大地防止R290制冷剂燃烧的危险。
2.6燃烧辐射通量研究
本文通过辐射采集器获得了在不同的泄漏体积流量和气体温度下R290制冷剂燃烧的辐射通量。不同温度和体积流量下的辐射通量表现出不同的曲线。在图7a中，它表示由热辐射采集器1收集的辐射通量。由该图可以看出，在30℃时的辐射通量高于其他温度下的辐射通量。这是因为在较低的温度下，如图3所示火焰主要集中在在泄漏喷嘴附近；并且随着体积流量的增加，各种温度下的辐射通量都有上升的趋势。图7b所示为热辐射采集器2采集的辐射通量，可以看出其变化趋势与热辐射采集器1收集的辐射通量变
1采集的热辐射通量值。
辐
射
通
量
/
(
W
·
m
-
2
辐
射
通
量
/
(
W
·家用电动汽车
m
-
2
)
图7 R290燃烧火焰的辐射通量
3 结论
在本文中，提出并搭建了一种带有点火设备和数据采集装置的燃烧系统。该实验主要研究有可能用于汽车空调热泵系统的环保制冷剂R290的燃烧特性，并与R134a制冷剂进行对比燃烧研究。测量并分析了不同体积流量和气体温度条件下的R290制冷剂气体燃烧火焰的形状、火焰和火焰心的高度、火焰温度、点火温度和热辐射通量。结果总结如下：
1）R134a在正常工作条件下不会燃烧，R290的燃烧火焰随气体温度的变化而变化，在30℃、60℃、90℃三个温度中，R290的火焰高度保持不变，而燃烧强度随气体温度的升高而增强。
2）不同体积流量的R290制冷剂表现出不同的燃烧火焰现象。当体积流量为0.5 L/min
时，泄漏喷嘴
点
火
温
度
/
℃
图6 R290的点火温度
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