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冷庫制冷劑的可燃性和安全性

   很多替代制冷劑都具有可燃性,特别是碳氫化合物碳氫制冷劑具有強烈的可燃性,因此在生産、儲藏、運輸和使用過程中可能發生洩漏和燃燒爆炸事故,造成嚴重的人員傷亡和财産損失。2005 年10月10日,甘肅鎮原縣某自然村發生了一起丁烷洩漏事故,幸好當地消防部門妥善處置,使該起事故化險為夷。1998 年4月9日,美國艾奧瓦州發生18 000gal"丙烷儲罐爆炸事故,造成2人死亡,7人受傷,直接财産損失25萬美元。
   2003年8月在美國華盛頓召開的國際科學技術大會上,通過了建立全球性制冷劑及系統安全工作組織的建議,該組織旨在動員世界各國的該領域科學家和工程師在政府和企業的資助下對由新型制冷劑、發泡劑等引起的火災和爆炸的原因進行科學研究,建立新的安全标準和數據庫,并将制定的安全規程立法。
   中國作為該組織的成員國,方面由 于制冷空調行業 飛速發展,現已成為世界上多大的制冷劑清耗國:另方面由于企業生産資金相對緊張,舊設備較多,使得事故院惠高于世界平均水平。鑒于可燃制冷劑使用日趨廣泛,洩漏事故屢屢發生且有增加的趨勢,我們不得不對制冷劑的安全性研究給子充分的重視。
    為了安全地使用可燃制冷劑,許多國家和組織出台了相關的法律法規,限定可燃制冷劑使用場合及充灌量等,提出火災爆炸事故預防措施。相應法律法規包括:國際電工委員會的IEC 60335《家用電器IEC安全标準);國際标準化組織的ISO79 -15 (關于爆炸試驗的安全标準)、ISO 817 (有機制冷劑命名法則》、Draft ISO 871.5《制冷劑金名和安全分類》、ISO 5149《用于制冷和供熱的機械式制冷系統的安全要求》;澳大利亞的AS/NZS 1677.1《制冷系統,第一部分:制冷劑分類)、AS/NZS 1677.2 (制冷系統,第二部分:固定裝置的安全要求)、AS/NZS 1677.3 (制冷系統,第三部分:移動裝置的安全要求);歐洲标準委員會的EN 378.1《制冷和熱泵系統一-安 全和環境要求);法國的AFNOR NF E35-400《冷凍設備安裝安全規則)、AFNOR NF E35-0(《小型冷東設備安裝安全規則);德國的DIN 7003《使用A3類可燃制冷劑在制冷和技系系統中的安全要求)、DIN 8960 (制冷劑要求和代号命名)、DIN 8975;英國的BS 434BS3456 PR202 (家用電器安全标準:電冰箱和食品冷藏)、BS E63-2-22美國的ASHRAE Sanderd 84《制冷劑編号标志與安全分類)、UL 250《家用制冷和冷藏标準)、UL 471商業冰箱和制冷)、UL 2182《制冷劑安全标準)、DT173. 15等美國ASFRA3AS及歐洲國家标準pEN378将制冷劑分為三類:第類為不可題性清體,第二類為低度可燃性流體,第三類為高度可燃住流體,碳氫化合物制冷克屬美三類酒體。不同國家對其應用的限制也不盡相同。
   我國日前使用的國家标準是67387制定時主要10126天月ASHRAE34-78, 與現行國際标準有- -定的差距,因此應當加快修訂我國制冷劑的安全标準,使其與國際要求接軌,推動我國制冷事業的發展。
   盡管世界各國已經制定了許多與可燃性相關的标準,且制冷劑存在多種危險性分類依據和方法,然而制冷劑危險性評價仍然需要各國科研工作者努力完善。Shigeo Kondo提出了一種新的用于評價各種可燃性氣體燃燒危險性指标RF 數。該指标綜合考慮了制冷劑的摩爾質量、燃燒熱、燃爆下限和燃爆上限等參數,代表了每個已知和未知化合物燃爆極限和燃燒熱的綜合燃燒危險期望值。Tony Jabbour等人提供了六種純可燃工質、三種混合可燃工質的燃燒速度測試結果,并依據最大燃燒速度将其分為三個等級。燃燒速度不是燃爆下限和燃燒熱的替代物,而是評價從中度可燃到高度可燃的可燃性基本标準的補充。此外,他們還在43m2房間不同高度的牆上安裝分體空調,對丙烷、異丁烷等可燃制冷劑的洩漏進行了系統的研究。測試條件根據ISO/IEC聯合工作組的文件确定,并用攝像機拍攝了火焰傳播過程。研究了洩漏高度對可燃和非可燃制冷劑濃度的影響及有機械通風和無通風的房間内可燃制冷劑濃度的分布。
清華大學和西安交通大學對若幹種可燃工質進行了燃爆極限測試。天津大學熱能研究所在工質安全性方面進行了多年研究,主要完成了以下工作:
 
(1)通過熱力學狀态及數值分析法對含可燃組分混合物在儲運過程中的動态可燃特性進行了研究,并以R32/R134a為例給出洩漏時的動态可燃性規律。
 
(2)提出了制冷系統氣相可燃工質洩漏量的計算方法,并根據射流原理,模拟計算了可燃工質洩漏過程的速度場與濃度場。建立了工質洩漏後房間内可燃工質的濃度變化模型,針對儲罐制冷劑質量洩漏速率變化的特點,建立了新的儲罐制冷劑大空間非穩态擴散模型,通過求解模型解析解和數值解兩種手段解決有限時間洩漏擴散濃度分布問題。
 
(3)分析了空調熱泵系統洩漏濃度與初始充灌濃度的關系,提出不燃初始充灌濃度區的概念及計算方法;繪出幾種已被國内外确認的CFCs和HCFCs替代物系的不燃初始充灌濃度區;對各種不同性質的物系,讨論系統洩漏率對其内部工質濃度及不燃初始充灌濃度區的影響及相關因素。
 
(4)提出以最小運行面積和最小運行面積比作為衡量熱泵空調系統運行安全性外部條件的新概念及含有兩種以上可燃純質混合物的燃燒極限計算式,對影響最小運行面積比的因素進行了分析。結果表明,可燃組元燃燒極限均大于12 (體積百分比)的可燃混合物,最小運行面積比遠小于實際值,在實際運行中較安全。給出了根據混合制冷劑性質判斷其所處循環系統最危險的部位和洩漏工況準則式。
 
(5)分析了阻燃工質的阻燃機理和影響可燃工質燃爆極限的因素,實驗研究了含RI34a、R125、R227ea和R245fa制冷劑的燃爆特性,提出含咀燃組元混合工質的特性模型。試驗結果表明:點火能大小、點火源形式對可燃工質燃爆極限影響很大,牌的燃爆氫化合物的可燃性強于HFCs化合物: R272a的阻燃效果最好,R245fa的最差。