制冷剂燃爆及抑制特性的理论和实验研究

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制冷剂是制冷系统正常运行,实现能量转换的关键媒介。为了应对全球变暖,《蒙特利尔议定书》基加利修正案已正式生效,高温室效应制冷剂的逐步削减、甚至淘汰工作已经展开。从现有的各种制冷剂替代方案可以发现,能够兼顾环保、热物性、高能效、安全、成本合适等特点的完美制冷剂还没有出现。目前存在的环保制冷剂大多具有不同程度的可燃性,安全和环保问题往往难以平衡,而受到环境政策的不断约束,环保可燃的制冷剂仍然是替代方案中不可或缺的组成。鉴于与制冷剂泄漏燃爆相关的安全事故频发,所以对其基础燃爆及抑制特性进行系统而深入的研究刻不容缓。本文主要以低GWP值的HFOs、HFCs、HCs和醚类等制冷剂或其混合物为研究对象,通过理论与试验相结的方式研究了多种典型环保制冷剂及其混合物的基础燃爆特性、特定因素对燃爆特性的影响及多种阻燃剂对制冷剂可燃性的抑制等内容。首先针对已有关于可燃极限的研究对象主要局限于碳氢化合物或非卤代化合物的问题,本文基于化学计量浓度法,结合链式反应理论分析及分子化学键键能特性,提出了可燃制冷剂的可燃下限理论预测新方法。新方法的特点是:(1)适用性较广,可以将碳氢化合物、卤代烃和部分醚类可燃极限的计算式的形式相统一;(2)通过与文献值比较得到新方法的预测精度很高。参照ASTM E681-2009标准,改进了制冷剂燃爆特性测试系统,测试记录分析了多种低GWP制冷剂及其混合物的燃烧火焰特性,并获得了大量基础可燃极限数据。其次,鉴于目前替代制冷剂安全性评估中对于燃烧速度的要求,参照ISO 817-2014标准,设计搭建了新制冷剂燃烧速度测试系统,试验获得R152a及其混合物纵向燃烧火焰传播影像资料,同时分析获得了多时刻平均火焰传播速度及燃烧速度数据;并且提出了三种二元可燃混合物燃烧速度的预测方法,然后试验比较得到了其中预测精度相对最高的组元浓度等效法。其次,制冷剂泄漏实际环境并非静态或准静态环境,而关于特定气流对可燃制冷剂燃爆特性的研究非常匮乏,所以基于上述制冷剂燃爆特性测试系统,重新设计测试方法,试验研究了特定气流的存在对多种可燃制冷剂燃烧火焰特性及可燃下限的影响,以及不同气流强度对制冷剂燃爆特性的影响,结果表明特定气流可以增强制冷剂的可燃性。根据获得的特殊试验现象,以及不同测试方法或试验条件可能产生的不同影响,对可燃极限临界判别方法进行研究,建议从多角度、多参数择优确定可燃下限。另外为了降低R1234yf的可燃性,还试验研究了多种阻燃剂对可燃制冷剂R1234yf燃爆特性的抑制情况。结果表明DFR1和DFR3的抑制效果要优于DFR2和DFR4。并且提出了阻燃剂的抑制特性综合参数IC,通过其包含的三个二级参数可以更好地对阻燃剂的抑制特性进行判断和分析。然后理论分析了常规阻燃剂的化学抑制机理,针对制冷剂及其含油混合物的可燃性,提出了以润滑油为载体的间接阻燃新思路,试验研究了润滑油对制冷剂的可燃性的影响,间接阻燃剂对制冷剂与润滑油混合物可燃性的影响。结果表明间接阻燃剂有抑制制冷剂及其含油混合物可燃性的潜力。目前关于含氟制冷剂的燃烧产物HF浓度的研究很少,而且研究方法各不相同,所以本文提出封闭式制冷剂燃烧产物测试方法。在原有制冷剂燃爆特性试验系统基础上,通过增加泄压系统和稀释测试系统搭建了制冷剂燃烧产物浓度测试系统,重点测试并分析了可燃制冷剂R161的燃烧产物HF的浓度特性规律;通过对试验值和理论预估值的分析,提出了制冷剂产物HF浓度的评估方法。本研究所获成果对于制冷剂的替代发展及新型环保制冷剂的安全应用及推广具有积极意义。
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