R1234yf在電動汽車熱泵系統(tǒng)中泄漏燃燒特性的實驗研究

葛昕，韓南奎，胡莎莎，李康*

(1-上海理工大學信息化辦公室，上海 200093；2-上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093）

0 引言

隨著全球變暖問題的日益惡化，人們開始追求低污染、低排放的理念，從而推動了電動汽車發(fā)展，雖然電動汽車相比于傳統(tǒng)汽車，尾氣排放較少，甚至是零排放，但是電動汽車內(nèi)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制冷媒介仍然是導致全球變暖問題的一大因素，目前電動汽車熱泵系統(tǒng)大多數(shù)使用的是R134a 制冷劑，大量學者對R134a 的特性以及其在電動汽車上的應(yīng)用做了深入研究，結(jié)果表明R134a 制冷劑在低溫下制熱性能不足，且其全球變暖潛能值（Global Warming Potential，GWP）較大，因此尋找一種更加環(huán)保的制冷劑迫在眉睫[1-4]。近年來，R1234yf 由于具有與R134a 相似的特性，卻具有更低的GWP 逐漸進入人們的視野，被認為有可能替代R134a，并已應(yīng)用于某些電動汽車熱泵系統(tǒng)中[5]。但是R1234yf 屬于易燃制冷劑，被美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學會（ASHRAE）列為A2L 可燃制冷劑[6]，在電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用可能引起火災(zāi)和爆炸危險，危及到駕駛員以及乘客的安全。目前大多數(shù)學者主要關(guān)注于R1234yf 的性能研究以及物性研究[7-18]，F(xiàn)ENG 等[19-20]也僅僅研究了R1234yf 在家用空調(diào)中的燃燒和爆炸特性，而對于R1234yf 在電動汽車上的燃燒特性研究較少。

本文提出并搭建了一種帶有點火設(shè)備和數(shù)據(jù)采集裝置的燃燒系統(tǒng)，并利用這套系統(tǒng)在不同設(shè)定工況下對R1234yf 制冷劑進行了泄漏燃燒實驗研究。在不同的泄漏體積流量和泄漏溫度下，測量了R1234yf 制冷劑的典型燃燒和熱力學參數(shù)，包括火焰和火焰心的高度、火焰中心線溫度，還記錄了其燃燒火焰的熱輻射通量，以研究R1234yf 制冷劑的泄漏燃燒行為。

1 實驗介紹

1.1 熱力學分析

根據(jù) ASHRAE 標準，碳氫化合物制冷劑R1234yf 屬于易燃易爆的制冷劑，屬于A2L 級，且屬于環(huán)境友好型制冷劑，GWP 為4。此外，其他熱力學性質(zhì)在表1 中有完整顯示。

表1 制冷劑特性參數(shù)

1.2 實驗系統(tǒng)介紹

本文搭建的制冷劑燃燒實驗的系統(tǒng)原理如圖1所示。該系統(tǒng)屬于射流燃氣燃燒系統(tǒng)，系統(tǒng)由氣瓶、控氣瓶、流量計、管道、輻射采集儀、高清數(shù)碼攝像機以及若干溫度、壓力傳感器組成。其中流量計用來記錄系統(tǒng)管道中制冷劑氣體的體積流量；4 個測量點的實時溫度和壓力數(shù)據(jù)由3 個熱電偶和1 個壓力傳感器進行實時測量采集，測量精度在±0.25%以內(nèi)，響應(yīng)時間小于0.5 s；兩個直徑為1.5 mm 的輻射采集器用來記錄火焰在不同方向上的熱輻射；制冷劑在不同燃燒火焰高度下的瞬時溫度則由5 個K 型熱電偶測量；設(shè)置直徑為1 mm 的泄漏噴嘴用來模擬制冷劑從實際汽車空調(diào)熱泵系統(tǒng)的管路碰撞裂縫或腐蝕的熱交換器中泄漏的過程；實驗系統(tǒng)中熱電偶的安裝位置高度范圍為25～100 mm；此外，實驗中的高清數(shù)碼攝像機用于記錄制冷劑燃燒過程中的火焰圖像數(shù)據(jù)。通過P1 記錄輸送管線上的制冷劑壓力，通過T6 記錄輸送管線上的制冷劑溫度，噴嘴前后的制冷劑參數(shù)的溫度變化則由T0和T7記錄。

圖1 實驗系統(tǒng)原理

1.3 實驗工況

在實驗過程中，制冷劑R1234yf 和R134a 的壓力均為0.3 MPa，氣體溫度均為30、60 和90 ℃，R1234yf 的體積流量為0.50、0.75、1.00、1.25、1.50、1.75、2.00 和2.25 L/min，而R134a 的體積流量為0.50、0.75、1.00 和1.25 L/min，通過改變制冷劑的體積流量和氣體溫度等參數(shù)，研究R1234yf 的燃燒特性。表2所示為實驗設(shè)備的量程及精度。

表2 實驗設(shè)備的量程及精度

1.4 不確定度分析

在本文實驗測量過程中，由于測量設(shè)備存在測量誤差，為了提高實驗測量結(jié)果的可信賴程度，對實驗結(jié)果的不確定度進行計算分析。本文所有結(jié)果均為通過實驗儀器進行直接測量，故使用直接測量不確定度計算公式對不確定度進行計算分析，具體公式如(1)所示，其中U為不確定度。通過式(1)對試驗結(jié)果的不確定度進行計算，結(jié)果如表3所示。

表3 不確定度計算結(jié)果

2 實驗結(jié)果

2.1 燃燒火焰對比

實驗對比了在相同體積流量條件下不同制冷劑的燃燒火焰，圖2所示為兩種制冷劑的燃燒火焰對比。燃燒火焰圖片左側(cè)列出了兩種制冷劑的燃燒條件，制冷劑氣體溫度分別為30、60 和90 ℃，R1234yf 和R134a 的壓力均為0.3 MPa，體積流量均為1.25 L/min。由圖2 可知，除非在特定條件下，否則R134a 很難點燃，更不用說對其燃燒了。此外R1234yf 的燃燒1 火焰隨氣體溫度的變化而變化。

圖2 R1234yf 和R134a 的火焰比較

2.2 氣體溫度和體積流量的影響

首先通過電加熱器加熱控氣瓶，將熱量傳遞給制冷劑，根據(jù)工況改變R1234yf 制冷劑氣體的溫度，使R1234yf 制冷劑氣體的溫度依次為30、60 和90 ℃，然后用冰塊將R1234yf 制冷劑氣體冷卻至10 ℃。通過控制控氣瓶的開度控制制冷劑氣體的體積流量，體積流量分別為0.50、0.75、1.00、1.25、1.50、1.75、2.00 和2.25 L/min。在本實驗中，R1234yf制冷劑氣體在不同溫度和體積流量下的整個燃燒過程均通過高清數(shù)碼攝像機進行了記錄，其燃燒火焰變化如圖3所示。

由圖3 可知，不同體積流量的制冷劑表現(xiàn)出不同的燃燒火焰現(xiàn)象。在前期點火過程中，通過嘗試多種點火方法發(fā)現(xiàn)R1234yf 很難在沒有著火的情況下成功點火，因此在本實驗中，使用R290 制冷劑氣體的燃燒火焰點燃R1234yf 氣流。由于R1234yf的分子結(jié)構(gòu)存在更多的碳原子，R1234yf 的燃燒會產(chǎn)生明顯的黑煙，并伴有刺鼻的氣味。如圖3所示，R1234yf 的火焰在90 ℃時更加稀薄，且燃燒過程相對平滑；在體積流量由0.5 L/min 增大到2.0 L/min時，R1234yf 制冷劑氣體燃燒火焰的長度顯著增加；但是當體積流量達到2.0 L/min 以上時，在90 ℃的氣體溫度下會形成不穩(wěn)定的火焰，火焰長度明顯減小，但是當制冷劑氣體溫度控制在30 ℃和60 ℃時，其燃燒火焰保持穩(wěn)定。

圖3 不同溫度和體積流量下R1234yf 的火焰變化

2.3 火焰高度研究

由于R1234yf 制冷劑的易燃易爆的特性，有必要研究其燃燒火焰的性能。本實驗研究了在不同體積流量和制冷劑氣體溫度條件下，R1234yf 的火焰高度的變化趨勢。圖4所示為R1234yf 的火焰高度。

由圖4 可知，在0.5～2.0 L/min，火焰高度持續(xù)增加，溫度在60 ℃時，趨勢變化更明顯。一旦體積流量超過2.0 L/min，火焰高度開始降低。當R1234yf 被R290 火焰以0.02 L/min 的體積流量點燃時，R1234yf 可以在60 ℃達到最長的火焰。

圖4 R1234yf 的火焰高度

2.4 火焰溫度研究

通過實驗測試臺對R1234yf 在不同燃燒火焰高度位置的火焰溫度進行了研究，分析了火焰溫度與火焰高度之間的關(guān)系。圖5所示為燃燒火焰中火焰高度對火焰溫度的影響。由圖5 可知，當R1234yf制冷劑氣體溫度為10、30 和60 ℃時，第二熱電偶位置處的溫度最高。但是當R1234yf 制冷劑氣體溫度為90 ℃時，第一熱電偶位置處的溫度最高，火焰溫度隨著火焰高度的增加而持續(xù)降低。

圖5 R1234yf 燃燒火焰的溫度隨高度的變化

2.5 熱輻射通量研究

圖6所示為不同的泄漏體積流量和制冷劑氣體溫度下，R1234yf 燃燒火焰的輻射通量隨體積流量的變化。

R1234yf 的熱輻射通量波動相對復雜。圖6(a)表示熱輻射采集器1 獲得的R1234yf 制冷劑氣體燃燒的熱輻射，可知當體積流量小于1.25 L/min 時，該處的熱輻射值隨體積流量的增加而增大，當體積流量大于1.25 L/min 時，該處的熱輻射值隨著體積流量的增加而減小。圖6(b)表示熱輻射采集器2 獲得的R1234yf 制冷劑氣體燃燒的熱輻射，可知在所有實驗條件下，由熱輻射采集器2 收集的熱輻射都隨著制冷劑氣體體積流量的增大而減小，且該處熱輻射通量遠大于熱輻射采集器1 處的熱輻射通量。

圖6 R1234yf 燃燒火焰的輻射通量隨體積流量的變化

3 結(jié)論

本文提出并搭建了一種帶有點火設(shè)備和數(shù)據(jù)采集裝置的燃燒系統(tǒng)，研究了可能用于汽車空調(diào)熱泵系統(tǒng)的環(huán)保制冷劑R1234yf 的燃燒特性，并與R134a 制冷劑進行對比燃燒研究。測量并分析了不同體積流量和氣體溫度條件下的R1234yf 制冷劑氣體燃燒火焰的形狀、火焰和火焰心的高度、火焰溫度和熱輻射通量，得出如下結(jié)論：

1）R1234yf 的燃燒火焰隨氣體溫度的變化而變化，將R1234yf 加熱到60 ℃時，燃燒火焰最高；

2）在前期點火過程中，R1234yf 很難在沒有著火的情況下成功點火，在燃燒過程中，R1234yf 的燃燒會產(chǎn)生明顯的黑煙，并伴有刺鼻的氣味；

3）不同體積流量的R1234yf 制冷劑表現(xiàn)出不同的燃燒火焰現(xiàn)象，R1234yf 的火焰在90 ℃時更加稀薄；當體積流量由0.5 L/min 增大到2.0 L/min時，R1234yf 制冷劑氣體燃燒火焰的長度顯著增加，但是當體積流量達到2.0 L/min 以上時，當制冷劑氣體溫度控制在30 ℃和60 ℃時，燃燒火焰保持穩(wěn)定，但是當制冷劑氣體溫度達到90 ℃時，燃燒會形成不穩(wěn)定的火焰，火焰長度明顯減??；

4）當制冷劑氣體體積流量從0.5 L/min 到2.0 L/min 時，其燃燒火焰的高度持續(xù)增加，尤其是在60 ℃的情況下，趨勢變化更為明顯。一旦體積流量超過2.0 L/min，火焰高度就會開始降低；

5）當R1234yf 制冷劑氣體溫度為10、30 和60 ℃時，第二熱電偶位置處的溫度最高。但是當R1234yf 制冷劑氣體溫度為90 ℃時，第一熱電偶位置處的溫度最高，火焰溫度會隨著火焰高度的增加而持續(xù)降低；

6）當體積流量小于1.25 L/min 時，輻射采集器1 處的熱輻射值隨著體積流量的增加而增大，當體積流量大于1.25 L/min 時，該處的熱輻射值隨著體積流量的增加而減??；在所有實驗條件下，由熱輻射采集器2 收集的熱輻射都隨著制冷劑氣體體積流量的增大而減小且該處熱輻射通量遠大于熱輻射采集器1 處的熱輻射通量。