R1234yf在电动汽车热泵系统中泄漏燃烧特性的实验研究

葛昕，韩南奎，胡莎莎，李康*

(1-上海理工大学信息化办公室，上海 200093；2-上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

0 引言

随着全球变暖问题的日益恶化，人们开始追求低污染、低排放的理念，从而推动了电动汽车发展，虽然电动汽车相比于传统汽车，尾气排放较少，甚至是零排放，但是电动汽车内热泵空调系统的制冷媒介仍然是导致全球变暖问题的一大因素，目前电动汽车热泵系统大多数使用的是R134a 制冷剂，大量学者对R134a 的特性以及其在电动汽车上的应用做了深入研究，结果表明R134a 制冷剂在低温下制热性能不足，且其全球变暖潜能值（Global Warming Potential，GWP）较大，因此寻找一种更加环保的制冷剂迫在眉睫[1-4]。近年来，R1234yf 由于具有与R134a 相似的特性，却具有更低的GWP 逐渐进入人们的视野，被认为有可能替代R134a，并已应用于某些电动汽车热泵系统中[5]。但是R1234yf 属于易燃制冷剂，被美国采暖、制冷与空调工程师学会（ASHRAE）列为A2L 可燃制冷剂[6]，在电动汽车热泵空调系统中的应用可能引起火灾和爆炸危险，危及到驾驶员以及乘客的安全。目前大多数学者主要关注于R1234yf 的性能研究以及物性研究[7-18]，FENG 等[19-20]也仅仅研究了R1234yf 在家用空调中的燃烧和爆炸特性，而对于R1234yf 在电动汽车上的燃烧特性研究较少。

本文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，并利用这套系统在不同设定工况下对R1234yf 制冷剂进行了泄漏燃烧实验研究。在不同的泄漏体积流量和泄漏温度下，测量了R1234yf 制冷剂的典型燃烧和热力学参数，包括火焰和火焰心的高度、火焰中心线温度，还记录了其燃烧火焰的热辐射通量，以研究R1234yf 制冷剂的泄漏燃烧行为。

1 实验介绍

1.1 热力学分析

根据 ASHRAE 标准，碳氢化合物制冷剂R1234yf 属于易燃易爆的制冷剂，属于A2L 级，且属于环境友好型制冷剂，GWP 为4。此外，其他热力学性质在表1 中有完整显示。

表1 制冷剂特性参数

1.2 实验系统介绍

本文搭建的制冷剂燃烧实验的系统原理如图1所示。该系统属于射流燃气燃烧系统，系统由气瓶、控气瓶、流量计、管道、辐射采集仪、高清数码摄像机以及若干温度、压力传感器组成。其中流量计用来记录系统管道中制冷剂气体的体积流量；4 个测量点的实时温度和压力数据由3 个热电偶和1 个压力传感器进行实时测量采集，测量精度在±0.25%以内，响应时间小于0.5 s；两个直径为1.5 mm 的辐射采集器用来记录火焰在不同方向上的热辐射；制冷剂在不同燃烧火焰高度下的瞬时温度则由5 个K 型热电偶测量；设置直径为1 mm 的泄漏喷嘴用来模拟制冷剂从实际汽车空调热泵系统的管路碰撞裂缝或腐蚀的热交换器中泄漏的过程；实验系统中热电偶的安装位置高度范围为25～100 mm；此外，实验中的高清数码摄像机用于记录制冷剂燃烧过程中的火焰图像数据。通过P1 记录输送管线上的制冷剂压力，通过T6 记录输送管线上的制冷剂温度，喷嘴前后的制冷剂参数的温度变化则由T0和T7记录。

图1 实验系统原理

1.3 实验工况

在实验过程中，制冷剂R1234yf 和R134a 的压力均为0.3 MPa，气体温度均为30、60 和90 ℃，R1234yf 的体积流量为0.50、0.75、1.00、1.25、1.50、1.75、2.00 和2.25 L/min，而R134a 的体积流量为0.50、0.75、1.00 和1.25 L/min，通过改变制冷剂的体积流量和气体温度等参数，研究R1234yf 的燃烧特性。表2所示为实验设备的量程及精度。

表2 实验设备的量程及精度

1.4 不确定度分析

在本文实验测量过程中，由于测量设备存在测量误差，为了提高实验测量结果的可信赖程度，对实验结果的不确定度进行计算分析。本文所有结果均为通过实验仪器进行直接测量，故使用直接测量不确定度计算公式对不确定度进行计算分析，具体公式如(1)所示，其中U为不确定度。通过式(1)对试验结果的不确定度进行计算，结果如表3所示。

表3 不确定度计算结果

2 实验结果

2.1 燃烧火焰对比

实验对比了在相同体积流量条件下不同制冷剂的燃烧火焰，图2所示为两种制冷剂的燃烧火焰对比。燃烧火焰图片左侧列出了两种制冷剂的燃烧条件，制冷剂气体温度分别为30、60 和90 ℃，R1234yf 和R134a 的压力均为0.3 MPa，体积流量均为1.25 L/min。由图2 可知，除非在特定条件下，否则R134a 很难点燃，更不用说对其燃烧了。此外R1234yf 的燃烧1 火焰随气体温度的变化而变化。

图2 R1234yf 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控气瓶，将热量传递给制冷剂，根据工况改变R1234yf 制冷剂气体的温度，使R1234yf 制冷剂气体的温度依次为30、60 和90 ℃，然后用冰块将R1234yf 制冷剂气体冷却至10 ℃。通过控制控气瓶的开度控制制冷剂气体的体积流量，体积流量分别为0.50、0.75、1.00、1.25、1.50、1.75、2.00 和2.25 L/min。在本实验中，R1234yf制冷剂气体在不同温度和体积流量下的整个燃烧过程均通过高清数码摄像机进行了记录，其燃烧火焰变化如图3所示。

由图3 可知，不同体积流量的制冷剂表现出不同的燃烧火焰现象。在前期点火过程中，通过尝试多种点火方法发现R1234yf 很难在没有着火的情况下成功点火，因此在本实验中，使用R290 制冷剂气体的燃烧火焰点燃R1234yf 气流。由于R1234yf的分子结构存在更多的碳原子，R1234yf 的燃烧会产生明显的黑烟，并伴有刺鼻的气味。如图3所示，R1234yf 的火焰在90 ℃时更加稀薄，且燃烧过程相对平滑；在体积流量由0.5 L/min 增大到2.0 L/min时，R1234yf 制冷剂气体燃烧火焰的长度显著增加；但是当体积流量达到2.0 L/min 以上时，在90 ℃的气体温度下会形成不稳定的火焰，火焰长度明显减小，但是当制冷剂气体温度控制在30 ℃和60 ℃时，其燃烧火焰保持稳定。

图3 不同温度和体积流量下R1234yf 的火焰变化

2.3 火焰高度研究

由于R1234yf 制冷剂的易燃易爆的特性，有必要研究其燃烧火焰的性能。本实验研究了在不同体积流量和制冷剂气体温度条件下，R1234yf 的火焰高度的变化趋势。图4所示为R1234yf 的火焰高度。

由图4 可知，在0.5～2.0 L/min，火焰高度持续增加，温度在60 ℃时，趋势变化更明显。一旦体积流量超过2.0 L/min，火焰高度开始降低。当R1234yf 被R290 火焰以0.02 L/min 的体积流量点燃时，R1234yf 可以在60 ℃达到最长的火焰。

图4 R1234yf 的火焰高度

2.4 火焰温度研究

通过实验测试台对R1234yf 在不同燃烧火焰高度位置的火焰温度进行了研究，分析了火焰温度与火焰高度之间的关系。图5所示为燃烧火焰中火焰高度对火焰温度的影响。由图5 可知，当R1234yf制冷剂气体温度为10、30 和60 ℃时，第二热电偶位置处的温度最高。但是当R1234yf 制冷剂气体温度为90 ℃时，第一热电偶位置处的温度最高，火焰温度随着火焰高度的增加而持续降低。

图5 R1234yf 燃烧火焰的温度随高度的变化

2.5 热辐射通量研究

图6所示为不同的泄漏体积流量和制冷剂气体温度下，R1234yf 燃烧火焰的辐射通量随体积流量的变化。

R1234yf 的热辐射通量波动相对复杂。图6(a)表示热辐射采集器1 获得的R1234yf 制冷剂气体燃烧的热辐射，可知当体积流量小于1.25 L/min 时，该处的热辐射值随体积流量的增加而增大，当体积流量大于1.25 L/min 时，该处的热辐射值随着体积流量的增加而减小。图6(b)表示热辐射采集器2 获得的R1234yf 制冷剂气体燃烧的热辐射，可知在所有实验条件下，由热辐射采集器2 收集的热辐射都随着制冷剂气体体积流量的增大而减小，且该处热辐射通量远大于热辐射采集器1 处的热辐射通量。

图6 R1234yf 燃烧火焰的辐射通量随体积流量的变化

3 结论

本文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，研究了可能用于汽车空调热泵系统的环保制冷剂R1234yf 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R1234yf 制冷剂气体燃烧火焰的形状、火焰和火焰心的高度、火焰温度和热辐射通量，得出如下结论：

1）R1234yf 的燃烧火焰随气体温度的变化而变化，将R1234yf 加热到60 ℃时，燃烧火焰最高；

2）在前期点火过程中，R1234yf 很难在没有着火的情况下成功点火，在燃烧过程中，R1234yf 的燃烧会产生明显的黑烟，并伴有刺鼻的气味；

3）不同体积流量的R1234yf 制冷剂表现出不同的燃烧火焰现象，R1234yf 的火焰在90 ℃时更加稀薄；当体积流量由0.5 L/min 增大到2.0 L/min时，R1234yf 制冷剂气体燃烧火焰的长度显著增加，但是当体积流量达到2.0 L/min 以上时，当制冷剂气体温度控制在30 ℃和60 ℃时，燃烧火焰保持稳定，但是当制冷剂气体温度达到90 ℃时，燃烧会形成不稳定的火焰，火焰长度明显减小；

4）当制冷剂气体体积流量从0.5 L/min 到2.0 L/min 时，其燃烧火焰的高度持续增加，尤其是在60 ℃的情况下，趋势变化更为明显。一旦体积流量超过2.0 L/min，火焰高度就会开始降低；

5）当R1234yf 制冷剂气体温度为10、30 和60 ℃时，第二热电偶位置处的温度最高。但是当R1234yf 制冷剂气体温度为90 ℃时，第一热电偶位置处的温度最高，火焰温度会随着火焰高度的增加而持续降低；

6）当体积流量小于1.25 L/min 时，辐射采集器1 处的热辐射值随着体积流量的增加而增大，当体积流量大于1.25 L/min 时，该处的热辐射值随着体积流量的增加而减小；在所有实验条件下，由热辐射采集器2 收集的热辐射都随着制冷剂气体体积流量的增大而减小且该处热辐射通量远大于热辐射采集器1 处的热辐射通量。