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冷库制冷剂的可燃性和安全性

   很多替代制冷剂都具有可燃性,特别是碳氢化合物碳氢制冷剂具有强烈的可燃性,因此在生产、储藏、运输和使用过程中可能发生泄漏和燃烧爆炸事故,造成严重的人员伤亡和财产损失。2005 年10月10日,甘肃镇原县某自然村发生了一起丁烷泄漏事故,幸好当地消防部门妥善处置,使该起事故化险为夷。1998 年4月9日,美国艾奥瓦州发生18 000gal"丙烷储罐爆炸事故,造成2人死亡,7人受伤,直接财产损失25万美元。
   2003年8月在美国华盛顿召开的国际科学技术大会上,通过了建立全球性制冷剂及系统安全工作组织的建议,该组织旨在动员世界各国的该领域科学家和工程师在政府和企业的资助下对由新型制冷剂、发泡剂等引起的火灾和爆炸的原因进行科学研究,建立新的安全标准和数据库,并将制定的安全规程立法。
   中国作为该组织的成员国,方面由 于制冷空调行业 飞速发展,现已成为世界上多大的制冷剂清耗国:另方面由于企业生产资金相对紧张,旧设备较多,使得事故院惠高于世界平均水平。鉴于可燃制冷剂使用日趋广泛,泄漏事故屡屡发生且有增加的趋势,我们不得不对制冷剂的安全性研究给子充分的重视。
    为了安全地使用可燃制冷剂,许多国家和组织出台了相关的法律法规,限定可燃制冷剂使用场合及充灌量等,提出火灾爆炸事故预防措施。相应法律法规包括:国际电工委员会的IEC 60335《家用电器IEC安全标准);国际标准化组织的ISO79 -15 (关于爆炸试验的安全标准)、ISO 817 (有机制冷剂命名法则》、Draft ISO 871.5《制冷剂金名和安全分类》、ISO 5149《用于制冷和供热的机械式制冷系统的安全要求》;澳大利亚的AS/NZS 1677.1《制冷系统,第一部分:制冷剂分类)、AS/NZS 1677.2 (制冷系统,第二部分:固定装置的安全要求)、AS/NZS 1677.3 (制冷系统,第三部分:移动装置的安全要求);欧洲标准委员会的EN 378.1《制冷和热泵系统一-安 全和环境要求);法国的AFNOR NF E35-400《冷冻设备安装安全规则)、AFNOR NF E35-0(《小型冷东设备安装安全规则);德国的DIN 7003《使用A3类可燃制冷剂在制冷和技系系统中的安全要求)、DIN 8960 (制冷剂要求和代号命名)、DIN 8975;英国的BS 434BS3456 PR202 (家用电器安全标准:电冰箱和食品冷藏)、BS E63-2-22美国的ASHRAE Sanderd 84《制冷剂编号标志与安全分类)、UL 250《家用制冷和冷藏标准)、UL 471商业冰箱和制冷)、UL 2182《制冷剂安全标准)、DT173. 15等美国ASFRA3AS及欧洲国家标准pEN378将制冷剂分为三类:第类为不可题性清体,第二类为低度可燃性流体,第三类为高度可燃住流体,碳氢化合物制冷克属美三类酒体。不同国家对其应用的限制也不尽相同。
   我国日前使用的国家标准是67387制定时主要10126天月ASHRAE34-78, 与现行国际标准有- -定的差距,因此应当加快修订我国制冷剂的安全标准,使其与国际要求接轨,推动我国制冷事业的发展。
   尽管世界各国已经制定了许多与可燃性相关的标准,且制冷剂存在多种危险性分类依据和方法,然而制冷剂危险性评价仍然需要各国科研工作者努力完善。Shigeo Kondo提出了一种新的用于评价各种可燃性气体燃烧危险性指标RF 数。该指标综合考虑了制冷剂的摩尔质量、燃烧热、燃爆下限和燃爆上限等参数,代表了每个已知和未知化合物燃爆极限和燃烧热的综合燃烧危险期望值。Tony Jabbour等人提供了六种纯可燃工质、三种混合可燃工质的燃烧速度测试结果,并依据最大燃烧速度将其分为三个等级。燃烧速度不是燃爆下限和燃烧热的替代物,而是评价从中度可燃到高度可燃的可燃性基本标准的补充。此外,他们还在43m2房间不同高度的墙上安装分体空调,对丙烷、异丁烷等可燃制冷剂的泄漏进行了系统的研究。测试条件根据ISO/IEC联合工作组的文件确定,并用摄像机拍摄了火焰传播过程。研究了泄漏高度对可燃和非可燃制冷剂浓度的影响及有机械通风和无通风的房间内可燃制冷剂浓度的分布。
清华大学和西安交通大学对若干种可燃工质进行了燃爆极限测试。天津大学热能研究所在工质安全性方面进行了多年研究,主要完成了以下工作:
 
(1)通过热力学状态及数值分析法对含可燃组分混合物在储运过程中的动态可燃特性进行了研究,并以R32/R134a为例给出泄漏时的动态可燃性规律。
 
(2)提出了制冷系统气相可燃工质泄漏量的计算方法,并根据射流原理,模拟计算了可燃工质泄漏过程的速度场与浓度场。建立了工质泄漏后房间内可燃工质的浓度变化模型,针对储罐制冷剂质量泄漏速率变化的特点,建立了新的储罐制冷剂大空间非稳态扩散模型,通过求解模型解析解和数值解两种手段解决有限时间泄漏扩散浓度分布问题。
 
(3)分析了空调热泵系统泄漏浓度与初始充灌浓度的关系,提出不燃初始充灌浓度区的概念及计算方法;绘出几种已被国内外确认的CFCs和HCFCs替代物系的不燃初始充灌浓度区;对各种不同性质的物系,讨论系统泄漏率对其内部工质浓度及不燃初始充灌浓度区的影响及相关因素。
 
(4)提出以最小运行面积和最小运行面积比作为衡量热泵空调系统运行安全性外部条件的新概念及含有两种以上可燃纯质混合物的燃烧极限计算式,对影响最小运行面积比的因素进行了分析。结果表明,可燃组元燃烧极限均大于12 (体积百分比)的可燃混合物,最小运行面积比远小于实际值,在实际运行中较安全。给出了根据混合制冷剂性质判断其所处循环系统最危险的部位和泄漏工况准则式。
 
(5)分析了阻燃工质的阻燃机理和影响可燃工质燃爆极限的因素,实验研究了含RI34a、R125、R227ea和R245fa制冷剂的燃爆特性,提出含咀燃组元混合工质的特性模型。试验结果表明:点火能大小、点火源形式对可燃工质燃爆极限影响很大,牌的燃爆氢化合物的可燃性强于HFCs化合物: R272a的阻燃效果最好,R245fa的最差。