R290凭借其与R134a相似的热力学特性以及与传统制冷和制热循环的兼容性，已成为汽车热泵空调（HPAC）系统中R134a的一种可行的天然替代物。然而，R290的易燃易爆特性带来了重大的安全隐患，在车辆环境中尤为突出。
为此，本研究采用了二次回路HPAC系统。在不同环境温度和压缩机转速下，对车厢制冷和制热模式下的系统性能进行了研究。除了热力学评估外，研究还在受控泄漏场景、不同初始温度（10~90℃）和体积流量（0.5~1.5L/min）条件下，对R290的燃烧行为进行了详细的实验研究。通过表征火焰形态、燃点温度和辐射热通量，评估了其易燃风险。这项工作的创新之处在于，它将系统级热性能评估与面向安全的燃烧诊断相结合，专门针对电动汽车和HPAC系统中R290使用的新兴背景而定制，这是目前文献中未充分探索的领域。
制冷剂的热力学性质比较
环保制冷剂R290和R744都是R134a的热门替代品。表1详细对比了它们在不同工况下的热力学参数。以R134a的蒸发压力（EP）和冷凝压力（EP）作为基准。结果表明，在不同环境温度、湿度水平和运行条件下，R290和R134a在蒸发压力和冷凝压力方面表现出相似的性能。此外，它们的过冷温度（SCT）和过热温度（SHT）范围也具有可比性。这种热力学上的相似性表明，R290是传统乘员舱制冷/制热系统中R134a的合适替代品。
表1 不同制冷剂在不同工况下的参数对比
三种制冷剂的压焓图（图1）凸显了它们的热力学差异。R744主要遵循跨临界循环，其特点是压缩机排气温度较高，且在超临界状态下具有优异的排热效率。然而，其制冷能力在高环境温度(>26℃）时急剧下降，在此温度下其蒸发温度 (15℃）性能低于R290 (0℃），这使得R744不适合用于高负荷制冷。因此，R290凭借均衡的性能和环境效益，成为R134a更可行的替代品。
图1 三种制冷剂的压焓图对比
电动汽车与热泵空调系统的设计
为解决R290制冷剂的易燃易爆特性，设计了一种采用SCHP的电动汽车热泵空调（HPAC）系统。如图2所示，制冷剂回路包括压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器、气液分离器（防止液态制冷剂回流至压缩机）和视液镜（用于监测制冷剂流量）。该系统采用板式换热器（冷凝器和蒸发器）促进制冷剂回路与冷却液回路之间的热传递，冷却液回路使用50%的乙二醇水溶液作为冷却介质，并通过阀门控制冷却液的流向以实现模式切换。制冷剂的循环被限制在乘客舱外部（由HEX-1和HEX-2组成，右侧的两个开口代表舱内的出风口，上方的出风口吹向面部，下方的出风口吹向脚部），以降低与易燃性相关的风险，同时保持完整的热管理功能。
图2 热管理系统示意图
表2 不同工作模式下的阀门开闭状态
表3 实验装置中主要设备的详细参数
在乘员舱制冷模式运行时：压缩机启动后，制冷剂回路保持恒定的流向，冷凝器与制冷剂回路进行热交换，而蒸发器则与制冷剂回路完成冷量传递。系统通过冷凝器将多余热量传递至室外散热器进行散热，同时，pump-1驱动制冷剂将制冷量传递至HEX-1（热交换器）。
乘员舱制冷模式运行分析
制冷剂充注量为275克、电子膨胀阀（EXV）开度为30%的固定参数。
图3 换热能力和COP的变化
图3展示了制冷模式下，蒸发器换热能力和COP（性能系数）如何随压缩机转速和环境温度变化。
在压缩机转速恒定的情况下，随着环境温度升高，制冷量从3451W下降到3344W（下降3.1%），COP也同步降低。这是因为运行温度和压力的升高会降低制冷剂侧的传热温差。这直接限制了系统的传热能力，同时由于压缩比更高，还会增加压缩机的功耗。
当环境温度保持恒定（38°C）且压缩机转速从2000r/min提高到4000r/min时，换热能力从2257W增加到4364W，但由于压缩机功耗的增长速度快于制冷量，COP会下降。
图4 出风口温度变化
图4展示了出风口温度如何随压缩机转速和环境温度变化。
该温度与热交换性能直接相关：在环境温度恒定的情况下，提高压缩机转速会增强制冷能力，从而实现更强的空气冷却效果和更低的出口温度。较低的出口温度意味着蒸发温度较低且热交换过多，这会使乘客舱降温更快，但系统能耗过大。
相反，环境温度升高会使室内侧进气温度上升，在同等热交换水平下导致出口温度升高。此外，在压缩机转速固定时，温度升高会导致热交换衰减，使得出口温度的升幅超过环境温度的变化。
图5 压缩机吸气压力和排气压力的变化
图5展示了压缩机吸气压力和排气压力随压缩机转速及环境温度的变化情况。
当压缩机转速从2000r/min升至4000r/min时，吸气压力从0.543MPa降至0.462MPa，而排气压力从1.5MPa升至1.906MPa，导致压比从2.8增至4.2。
在转速恒定的情况下，当环境温度从32℃升至38℃时，吸气压力从0.424MPa增至0.482MPa，排气压力从1.578MPa增至1.752MPa——两者均呈现出约19%的增幅，且变化趋势一致。
这些变化的原因是，在系统运行过程中，环境温度升高会同时使蒸发温度和冷凝温度上升，进而影响吸气压力和排气压力。值得注意的是，在3000r/min时，压比稳定在3.63~3.72的范围内，这表明转速调节对压比控制的影响大于环境温度变化的影响。
图6 压缩机吸气温度和排气温度的变化
图6展示了压缩机吸气温度和排气温度随运行条件参数的变化规律。
当环境温度保持恒定时，提高压缩机转速导致吸气温度下降，排气温度上升。相反，在压缩机转速固定的情况下，随着环境温度的升高，吸气温度和排气温度同步升高，这与压力变化趋势一致。
具体而言，当室外环境温度从32℃升至38℃时，吸气温度在0.2℃至4.6℃之间变化，而排气温度则有更显著的升高，达到68.6℃至75.6℃。与吸气温度（变化量4.4℃）相比，排气温度的波动幅度更大（变化量7.0℃）。
这种热行为表明，系统的压力调节机制对排气温度变化尤为敏感。吸气侧和排气侧的温度波动幅度存在显著差异，这意味着在不同运行条件下，排气温度比吸气温度更适合作为系统性能监测和控制的关键指标。
乘员舱制热模式运行分析
图7 系统的换热量和COP的变化
图7展示了制热模式下，系统的热交换量和COP随压缩机转速和环境温度的变化情况。
在压缩机转速恒定的情况下，随着环境温度从-5℃上升到5℃时，系统的换热量从最低值2161W开始逐渐增强。具体而言，在-5℃至0℃的温度范围内，换热量增加了3.4%至7.9%；在0℃至5℃的范围内，换热量增加了18.9%至23.6%。这表明，环境温度在0℃以上时，对增强传热性能的影响更为显著。
在环境温度固定的条件下，压缩机转速每提高1000转/分钟,换热量提高了21.1%至38.8%，这凸显了转速调节对制热能力的显著影响。
COP的变化趋势与此类似。当环境温度从-5℃升至5℃时，COP从2.19升至2.63，再到2.46~3.16（增幅为12.3%~20.1%）。这种改善归因于吸气压力和排气压力的升高，使得产热量的增加幅度超过了压缩机功耗的增长幅度。
然而，在环境温度固定的条件下，当压缩机转速从2000r/min增至4000r/min时，COP从2.63~3.16降至2.19~2.46（降幅为20.1%~28.5%）。这表明，提高压缩机转速虽然会增强制热能力，但也会导致能源效率显著下降。
总体而言，压缩机转速对系统COP的影响比环境温度更为显著。
图8 出风口温度的变化
图8展示了压缩机转速和环境温度对出风口温度的影响。
提高压缩机转速和环境温度都会使出风口温度升高，其中空气温度的变化程度超过环境温度。例如，在压缩机转速为3000转/分时，随着环境温度从-5℃升高到5℃，空气出口温度范围为14.2℃至31.0℃。
图9 压缩机吸气压力和排气压力的变化
图9展示了压缩机吸气压力和排气压力随压缩机转速及环境温度变化的情况。
在环境温度恒定的条件下，压缩机转速升高会使制冷剂的运行压比增大，吸气压力从0.298~0.346 MPa降至0.266~0.286 MPa，而排气压力从1.23–1.44 MPa升至1.58–1.71 MPa。
在压缩机转速固定时，环境温度每升高5℃，吸气压力会增加3.1%–8.7%，排气压力会增加3.2%–9.0%。
图10 压缩机吸气温度和排气温度的变化
图10展示了不同运行条件下压缩机吸气温度和排气温度的变化。
随着环境温度的降低，吸气温度和排气温度均会下降。在环境温度为-5℃、压缩机转速为4000r/min时，最低吸气温度达到-12.7℃。排气温度的变化幅度明显大于吸气温度的变化幅度；环境温度每升高5℃，排气温度就会上升5.1至7.3℃。
在环境温度固定的条件下，当压缩机转速从2000r/min提高到4000r/min时，吸气温度逐渐降低，而排气温度则有所升高。这是因为较高的流量会降低制冷剂在蒸发器中的停留时间缩短，导致蒸发压力降低，进而使吸气温度下降。同时，排气温度会随着转速的提高而显著上升。
制冷剂性能比较在相同条件下对三种制冷剂进行了测试：压缩机转速固定为3000r/min，膨胀阀开度为30%，冷却液流量保持在10L/min。
图11 三种制冷剂的换热量和COP对比
图11比较了制冷剂R290、R744和R134a在38℃高温和-5℃低温下的换热量及COP。
在高温条件下，R290的性能明显优于R744，其换热量增加了68.6%，COP提高了60.6%。这表明R290在高温运行条件下具有更优异的能效和传热能力。
图11（b）比较了三种制冷剂在环境温度为-5℃时的系统性能。相比之下，在低温条件下，R744因其亚临界运行特性而表现出色，其COP达到3.09，换热能力为1725W。不过，R290仍保持着2750瓦的较高换热能力，尽管其COP受到低温下蒸发压力降低的限制。
综合比较这些制冷剂的热力学性能、换热能力和COP可知，R290在驾驶舱制冷模式下效率较高，在制热模式下具有较强的换热优势，且具备良好的环境特性。这些特点使得R290比R744更适合作为R134a的替代品。
制冷剂泄漏路径及安全风险分析
表5 乘员舱制冷模式下制冷剂的状态参数
表6 乘员舱制热模式下制冷剂的状态参数
表5和表6列出了设计工况下制冷剂回路中制冷剂的状态参数：环境温度为38℃或0℃，压缩机转速为3000r/min，膨胀阀开度为30%，冷却液流量为10L/min。
以乘员舱制冷模式为例，压缩机中R290的出口压力从0.472MPa升高至1.787MPa。这种高压环境会加剧密封件（如O型圈、焊接接头）的机械应力。此外，出口温度高达75℃，长期的热负荷会导致密封材料老化（如橡胶硬化、金属疲劳），从而增加泄漏风险。
冷凝器中R290的出口状态为高压液体。发生泄漏时，液体迅速汽化，在短时间内形成高浓度的可燃气体云。在膨胀阀中，R290的压力从1.787MPa急剧降至0.472MPa，加剧了阀体的振动，这可能导致法兰或螺纹连接松动。R290在蒸发器出口的压力为0.472MPa，发生泄漏时，R290会以气态直接释放到环境中。尽管低压泄漏率相对较低，但由于通风不良，微量泄漏可能会逐渐增加室内浓度，有可能达到着火阈值。
上述分析表明，对R290泄漏进行分析并研究泄漏后果具有必要性。
R290泄漏燃烧试验
制冷剂泄漏路径及安全风险分析
调研后，本实验设计了一个直径为1毫米的泄漏孔（泄漏面积为0.785mm2）。
暖通空调系统中的泄漏通常由振动或管道腐蚀引起。在暖通空调系统中，制冷剂通常处于气液两相状态，但发生泄漏时，大部分制冷剂会以气体形式释放。
经计算，电动汽车和高压空调系统低压区的R290气体泄漏流量为0.50至1.50L/min，而高压区的泄漏流量为1.75至2.30L/min。
燃烧系统设计
图12 R290泄漏燃烧系统
为研究R290泄漏引发的着火行为，设计了一套燃烧系统，如图12所示。
该系统由丙烷气瓶、手动阀、加热气瓶、热线点火装置和泄漏孔等部件组成。为了模拟，实验中设置了一个直径为1毫米的泄漏孔。两台热辐射计用于从不同方向监测火焰的热辐射，五支热电偶则记录不同火焰高度处的瞬时温度。此外，还使用了一台高清摄像机来捕捉火焰图像。
通过对R290泄漏的理论分析，设计了低压和高压泄漏条件下的对比实验。本研究重点关注低压泄漏情况下的燃烧行为，因为高压泄漏会导致流体流动超过临界吹熄极限，显著降低火焰稳定性。燃烧试验在通风开放腔室内进行（环境温度：38℃；环境压力：1个大气压；湿度：29%），以安全捕捉火焰动态，燃烧试验条件如表7所示，选取0.47 MPa作为舱室制冷模式下高压空调系统的蒸发压力。测量设备的参数及不确定度如表8所示。
表7 燃烧试验条件
表8 测量设备的参数及不确定度
R290泄漏燃烧
图13 不同条件下火焰燃烧随时间的变化
图13记录了在不同温度和体积流量下R290燃烧随时间变化的总体趋势。
在低流量（0.5和0.75L/min）时，初始火焰高度较低，且随时间逐渐升高，这可能是由于初始阶段燃料气化与空气混合不充分，燃烧速率受限，同时随着持续泄漏，火焰高度增长缓慢。
在中等流量（1.0和1.25L/min）时，初始火焰高度接近峰值，后期变化较小，这表明在中等流量下燃料喷射动能较强，初始阶段即形成充分混合的可燃气体，燃烧强度迅速达到稳定状态。
在高流量（1.50L/min）时，火焰底部呈蓝色，顶部呈黄色，整体不稳定。这是由于高速喷射导致湍流增强，且泄漏点附近的底部区域混合充分，而上部由于湍流扩散出现部分燃烧（黄色火焰）。
这一发现对泄漏安全设计有直接启示：中高流量泄漏需优先抑制初始火焰喷发，而低流量泄漏则要防范后期燃烧持续积聚的风险。
图14 不同条件下R290火焰形态的比较
如图14所示，在不同体积流量和温度条件下，R290火焰的燃烧形态会发生变化。低温时，火焰显得松散，边界模糊；而高温时，燃烧反应更迅速，形成清晰且紧凑的火焰前沿。这种差异的产生是因为低温会降低R290的蒸发速率（描述泄漏后这些残余液滴或过冷蒸汽区域的后续汽化情况）及其与空气的混合效率，从而导致混合不均和燃烧不连续。
在低温和低体积流量（例如，10℃，0.5L/min）下，燃烧不完全，会因炽热的碳烟颗粒而产生黄色或橙色火焰。相比之下，在高温和高体积流量（例如，60℃，1.5L/min）下，燃烧完全，产生以化学发光为主的蓝色火焰。
在低压侧，火焰高度随体积流量的增加而升高，且火焰主要呈黄色。然而，在高压侧，火焰高度开始波动，并且分岔。这种现象的产生是因为较高的管道压力会增加R290的泄漏率，增强湍流强度（当体积流量超过1.0升/分钟时），并促进燃料与空气的微观混合。其结果是火焰变得不稳定且发生抖动。此外，碳烟颗粒在形成之前就被氧化，减少了黄色火焰的出现。R290火焰燃烧的物理特性可为评估车辆火灾风险和救援行动提供指导。
R290燃点温度分析
图15 燃点温度对比
如图15所示，实验研究了R290的燃点温度（通过泄漏孔下方的温度传感器测量）与体积流量和气体温度的关系。
如图15所示，实验研究了R290的燃点温度（通过泄漏孔下方的温度传感器测量）与体积流量和气体温度的关系。
结果表明，随着制冷剂气体温度的升高，燃点温度降低，这使得在较高温度下更易着火。出现这种现象是因为较高的初始温度会促进氧化反应，从而降低着火阈值。
此外，随着体积流量的增加，燃点温度在15~45℃范围内波动。这种波动是由于较高流量下气体混合物的不稳定性增加所致。
对R290着火的分析表明，控制高温空气调节系统中的着火能量可显著降低燃烧风险。
R290辐射通量分析
图16 辐射通量对比
对R290的辐射通量（不需要涉及表面积的额外计算，因为仪器本身提供面积归一化读数）作为体积流量和气体温度的函数进行了实验研究，如图16所示。
R1和R2分别代表热辐射计1和2（图12）记录的辐射通量。总体趋势表明，随着体积流量的增加（0.5至1.25L/min），辐射通量增大，这是因为燃料供应的增加加剧了燃烧。然而，在较高的流量下，由于湍流引起的火焰不稳定性（局部淬熄效应），辐射通量的增长趋于平稳，这与图14中观察到的火焰形态一致。
值得注意的是，R2测量到的辐射通量显著高于R1。这种差异的产生是因为R1位于火焰根部附近，主要接收来自高温燃烧核心的短波辐射——该区域燃烧剧烈，但由于火焰体积小，热辐射有限。相比之下，R2位于火焰的中下部，能够捕捉到来自大得多的火焰体积的辐射，包括高温气体的化学发光以及碳烟颗粒发出的长波红外辐射。随着火焰在该区域的扩张，辐射面积增大，从而导致总辐射通量显著提高。这表明辐射探测器应当放置在距离管道接口25毫米处。此外，带有二次回路的热泵空调系统中，冷却液回路可阻断辐射热的传播，并降低二次起火的风险。
