制冷剂可燃性和溶解性的理论和试验研究

发布时间：2018-12-06 21:41

【摘要】：制冷剂是空调热泵及冷冻冷藏系统中流动的“血液”。当前广泛使用氢氯氟烃(HCFCs)和部分高温室效应的氢氟烃(HFCs)类制冷剂因对环境不友好而正在或即将被淘汰。理想的新一代制冷剂应该兼顾：不破坏臭氧层、温室效应低、热物性优良、能效水平高、安全无毒、充注量少、运行压力适宜、初投资和运行费用低、适用于冷热源温度、可循环再利用、政策壁垒小等特点,但遗憾的是当前却并未有完全令人满意的方案。当前国内外研究表明：R744, R290, R717, R600a, R1150, R1270, RE170, R32, R161, R152a, R1234yf, R1234ze (E)等工质及其混合物可能会在新一代制冷剂发展进程中发挥重要作用。但这些被寄予厚望的工质几乎都(R744除外)具有可燃可爆性。国内外近年来制冷系统事故频繁,警示人们可燃制冷剂在全生命周期过程中燃爆事故的多发性和严重性。痛定思痛,人们逐渐意识到这与对制冷剂泄漏燃爆特性的深入认识及科学对策缺失有关。然而当前现有相关成果远不能满足新一代制冷剂的发展需求。本文以制冷剂为研究主线,研究内容包括可行性替代物物性、复杂环境下制冷剂基础燃爆特性、可燃制冷剂的惰化、制冷剂与润滑油相溶性,及制冷剂分代理论等。以自然无机化合物、碳氢化合物、HCFCs、HFCs、不饱和烯烃(HFOs)、醚类、氟碘化合物、以及混合工质等几类制冷剂为研究对象,理论和试验相结合地研究环境温度、湿度、点火能、润滑油、反应容器、惰化物等对多类制冷剂基础燃爆特性的影响规律。并结合微观分子键离解能理论,提出了新的制冷剂基础燃爆特性估算方法。而且剖析了制冷剂燃烧本质特性,再辅以对气体典型燃爆特性参数研究及燃烧产物分析,提出了制冷剂最大运行充注量修正方案。关注制冷剂发生燃爆反应的要素,分析在其全生命周期发生泄漏的可能性。并利用数值仿真方法,在多种初始和边界条件下,模拟家用分体式空调中发生泄漏后制冷剂的空间浓度场特性和危险域。明确了较小的LFL、较大的制冷剂充注量、较慢的出风速度、空调停机后发生泄漏、用户不经常开窗换气、在室内存有有效点火源等都会增加燃爆事故发生的风险。参照GB/12474-2008和ASTM E 681-2009标准,结合新试验技术,建立了制冷剂基础燃爆特性综合试验系统。并测试了多类制冷剂在复杂环境下条件下的燃爆特性以及多种阻燃剂的阻燃惰化效率,获得各类制冷剂燃爆特性影响因素的作用规律和机理。参照Le Chatelier表达形式,分析出虚拟的阻燃剂LFL'值与阻燃剂/可燃制冷剂体积浓度比之间的线性规律。最后提出了阻燃剂对可燃制冷剂的燃爆惰化灵敏度指标。本研究还关注了制冷剂的燃烧火焰状态特性及其影响因素：温度、自由基、氧气浓度、燃烧程度、电子跃迁、烟炱积灰、分解物的热吸收性、蒸发和升华、元素构成、润滑油助燃等。观察到不同测试方法下,火焰传播的“直冲”和“折回”现象差异。此外又测试了润滑油与制冷剂在三种混合状态下,与纯制冷剂燃爆现象的显著区别,并从气液相平衡下逸度系数特性角度分析作用机理。除了可燃性,润滑油对制冷剂的影响还体现在相溶性方面,也是新一代制冷剂发展进程中必须要探明的问题。本研究以多类润滑油(如：MO, POE,混合油)与制冷剂(如：HCFCs、HFCs、醚、混合制冷剂)的混合溶液为研究对象,参考SH/T 0699和JIS K2211标准,建立了一套高精度制冷剂与润滑油相溶性试验系统。试验结果表明在制冷系统工作温度范围内,并非所有HFCs都不与矿物润滑油相溶；并非任意充注HFCs/HCs混合物的制冷系统都可以使用矿物类润滑油,适用的前提是HCs类工质在混合物中的比例不能过低；矿物油的残留,对于新注入制冷剂系统中的含HFCs混合物的溶解性造成不良影响；理论分析发现：基于气化潜热,沸点温度,相对分子质量,制冷剂密度,偏心因子,和有效常数所建立的制冷剂与矿物油溶解性评价指标具有较高的准确性。
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【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TB64
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本文编号：2366699