含油异丁烷的燃爆实验研究.pdf 6页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn#含油异丁烷的燃爆实验研究**翟瑞，杨昭，冯彪，邢超（天津大学机械工程学院，天津市，300350）5摘要：新一代环保制冷剂HCs由于其优越的环境性能、良好的热力学性质和循环特性，受到越来越多的关注。其中R600a受到广泛关注，但是由于R600a具有可燃性，限制了其推广使用。本文旨在研究R600a在润滑油的影响下，燃爆特性变化规律。通过自行设计和搭建的可燃气体爆炸极限试验系统，测试了在不同含量的雾化润滑油（0、0.05、0.1、0.15、100.2ml）影响下的R600a的燃爆特性。结果表明，润滑油作用下的R600a燃烧下限显著下降，燃烧上限略微下降，可燃范围扩大；此外，润滑油的加入会减缓燃烧的相对速度。关键词：制冷与低温工程；R600a;润滑油;燃爆极限中图分类号：X93215ResearchontheFlammabilityofIsobuteneBlendswithLubricantZhaiRui,YangZhao,FengBiao,XingChao(Mechanicalengineeringschool,TianjinUniversity,Tianjin300350)Abstract:HCs,asnewenvironmentallyfriendlyrefrigerants,aremoreandmorepopularforits20superiorenvironmentalperformance,goodthermodynamicpropertiesandcyclecharacteristics.R600aiswidelyconcerned,whileitswidespreaduseislimitedbyitsflammability.TheaimofthisworkwastoanalysistheinfluenceoflubricantonexplosiondispersionandcombustionfeatureofR600a.Thepropertiesweremeasuredunderlubricantatomizedwithdifferentcontent(0,0.05,0.1,0.15and0.2ml)byanexplosionlimitationtestsystemofcombustiblegas,whichwasdesignedandbuiltbyourselves.25Theresultsshowedthatwhenlubricantwasadded,thelowerflammabilitylimitofR600adecreasedsignificantly,theupperflammabilitylimitofR600adecreasedslightlyandtheflammablerangewasimproved.Inaddition,theadditionoflubricantslowedtherelativespeedofcombustion.Keywords:Refrigerationandcryogenicengineering;R600a;lubricant;flammabilitylimit300引言由于目前全球面临的环境问题日益突出，国际社会对此越来越重视。随着《蒙特利尔议定书》及《京都议定书》的签订及推行，对环境一定危害性的制冷剂被逐渐淘汰。CFCs及高GWP的HCFCs类制冷剂已被环保制冷剂所替代。目前新的环境问题是全球变暖日趋严35重，2016年世界175个国家签订了《巴黎条约》，以应对2020年后全球气候变化。与此同时，联合国环境署经过2015-2016年间多次主持召开的《蒙特利尔议定书》修正案会议，于2016年10月15日全球170多个国家共同签订了具有法律约束力的《蒙特利尔议定书-基加利修正案》。由此，新一轮的制冷剂淘汰浪潮被掀起，根据新型环保制冷剂的要求，现可供[1][2]选择的制冷剂主要有低、HFOs、GWP的HFCs和HCs等。特别是HCs热力性能好，能40效比高，对环境无污染，应用前景广。但是，目前潜在的替代制冷剂大都具有一定的可燃性，存在着安全隐患，大大限制了其推广使用。因此，替代制冷剂的可燃性研究引起了国内外学者的高度重视。目前国内外学者基金项目：教育部高等学校博士学科点专项科研基金（20130032130006）和国家自然科学基金（5147611）作者简介：翟瑞（1991－），女，硕士，制冷及低温工程通信联系人：杨昭（1960—），女，博士，教授，主要从事制冷与热泵干燥研究.E-mail:zhaoyang@tju.edu.cn-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn大都通过研究制冷剂的燃爆极限来评估制冷剂的可燃性，通过探究制冷剂燃烧极限影响因素进行相关研究。国内针对制冷剂阻燃剂研究相对较多：浙江省化工研究院分别以R22、R134a[3]45和R125等不可燃制冷剂作为阻燃剂研究其对R161的燃烧抑制情况；天津大学通过基团贡献法分析了阻燃剂对可燃制冷剂的抑制系数，并推算阻燃制冷剂最小惰化浓度的估算公式[4][5,6][7,8][9][10][11][12]。此外，关于测试方法、燃烧室形状、点火方式、温度、湿度和压力等因素对制冷剂可燃性的影响被很多学者研究。目前作为新型环保制冷剂应用的HCs主要有丙烷（R290）、丁烷（R600）和异丁烷（R600a）[13]50等。其中R600a已应用于少数发达国家的冰箱中，其压缩机有很高的能效比，允许工况优越，可靠性高，但是单位体积制冷量小，其可燃性是很多人望而却步的主要原因。R600a的燃点是462℃，在空气中燃烧极限为1.8%～8.4%（体积分数）。低GWP的可燃制冷剂R600a有很好的热力性能，可以满足清洁高效的要求，但是由于其存在的可燃性，在使用过程中应由其重视其泄漏到环境空间中而引发的爆炸现象。而且在55实际工况下，润滑油经常会伴随制冷剂从制冷系统中泄露出来，制冷压缩机使用的润滑油本身也具有一定的可燃性，所以研究制冷剂与润滑油的混合气的安全性很重要。本文基于现有的工质燃爆特性测试试验台，对低GWP制冷剂R600a与润滑油混合后的火焰颜色、火焰传播速度以及润滑油加入对燃烧上下限影响进行研究。1实验研究601.1润滑油的选择在蒸发式压缩机中，会大量使用到润滑油，压缩机润滑油也被称为冷冻机油。根据其组成特性、蒸发温度以及与之配合的制冷剂种类，可以将润滑油分为DRA、DRB、DRC和DRD四种；以基础油不同种类可以将润滑油分为矿物油型润滑油和合成烃型润滑油。由于HCs与矿物油具有很好的相容性，一般HCs作为制冷剂的制冷机组会选择矿物油65作为润滑油。矿物油主要是经过石油加工得到的不同粘度直链、支链、多支链烷烃，单环、双环、多环环烷烃，单环芳烃和多环芳烃、环烷基芳烃以及含氧、氮、硫有机化合物和胶质、沥青质等非烃类化合物。由于其方便加工，易于获取，价格低廉，所以其用量很大，约占整个市场的95%。本实验选用的矿物油为日本的SUNISO3GS，其物性参数如表1所示：表1SUNISO3GS矿物油的物性参数70Tab.1PhysicalparametersofSUNISO3GSmineraloil.典型性质试验标准SUNISO3GS2运动粘度40℃mm/sASTMD44529.52运动粘度100℃mm/sASTMD4454.31闪点CoC℃ASTMD92178倾点℃ASTMD97-403密度15℃g/cmASTMD12500.909色度ASTMASTMD1500L0.5总酸度mgKOH/gASTMD49280.011.2实验装置参照标准ASTME681-2009[]规定的可燃气体燃爆极限测试方法，并根据实际试验需求-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn对试验装置进行改造，设计和搭建了一套变环境可控的可燃性气体基础燃爆特性参数综合试75验系统。整个装置主要包括：反应系统、配气系统、润滑油雾化系统、温湿度调节系统和控制与数据采集系统。图1可燃气体爆炸极限测试系统原理图Fig.1Theschemeofexplosionlimitationtestsystemofcombustiblegas.80采用真空泵对整个系统进行抽真空操作，使得12L圆形玻璃反应容器内达到要求的真空度，一般需要使整个系统的真空度达到200Pa以下；配气系统包括可燃制冷剂气体、雾化润滑油和可变温湿度的空气的进气控制，进气量通过压力传感器来监测；润滑油雾化系统可实现液态润滑油的定量雾化；通过温湿度调节系统改变试验环境的温度和湿度；可燃气体、气态润滑油和空气的混合气体在反应容器中混合，通过磁力搅拌泵充分搅拌，采用电火花点85火器点火。2实验结果对R600a和不同含量的SUNISO3GS与R600a混合后的样气分别在常温常压下进行了燃爆实验。其中经过多次试验，得出在常温常压下R600a燃烧下限应为2.2%，燃烧上限应为8.8%，90与相关参考文献基本一致。对润滑油含量0.05、0.1、0.15、0.2ml与R600a的混合样气的燃爆特性进行试验，结果如表2所示。表2润滑油加入对燃烧极限影响实验Tab.2Influenceoflubricantoncombustiblelimitation.R600a体积分数（%）润滑油量（ml）燃烧状态火焰传播速度对比2.110.1未燃2.120.2未燃2.130.1未燃2.160.2燃烧慢2.190.1燃烧快2.220.2燃烧稍快8.710.1剧烈燃烧很快-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn8.680.2剧烈燃烧很快8.830.1未燃8.770.2未燃95在R600的燃烧下限以下，加入润滑油后很显著的发现其燃烧下限降低了（图2）。在润滑油量为0.1ml时，燃烧下限为2.175%，在润滑油量为0.2ml时，燃烧下限为2.125%。之所以没有继续增加润滑油的量，考察进一步的影响，是因为考虑到实际工况下，能够与制冷剂混合泄漏到环境空间的润滑油量不会很大。对于燃烧上限，润滑油的加入对其影响不大（图3）。100图2润滑油对R600a燃烧下限的影响Fig.2InfluenceoflubricantonthelowerlimitofR600acombustion.105图3润滑油对R600a燃烧上限的影响Fig.3InfluenceoflubricantontheupperlimitofR600acombustion.对于燃烧过程而言，未加入润滑油的制冷剂燃烧下限在测试时，点火后火焰迅速传播布满整个燃烧瓶，燃烧速度很快。加入润滑油后，相对于没有加入润滑油的实验而言，燃烧速110度有一个明显的降低。燃烧过程如图4所示，从高压电极点火处形成火焰，迅速布满整个平面，然后火焰以平面的形式先向上传播，然后向下直至烧瓶底部。当加入润滑油量进一步加大后，燃烧过程更加缓慢，发出的光也有一定程度的变化，燃烧发出的蓝光更淡一些，如图5所示。在上限侧也得到了相似的现象，而且上限侧的燃烧现象更为剧烈如图6所示，点火后在烧瓶中心形成红色的火焰，迅速燃烧至顶部，在顶部发生爆炸，反应十分剧烈，有巨大115声响。-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn（a）点燃（b）火焰传播图40.1ml润滑油对R600a燃烧下限的影响120Fig.4Influenceof0.1mllubricantonthelowerlimitofR600acombustion.（a）点燃（b）火焰传播图50.2ml润滑油对R600a燃烧下限的影响Fig.4Influenceof0.2mllubricantonthelowerlimitofR600acombustion.125（a）点燃（b）火焰传播图6润滑油对R600a燃烧上限的影响Fig.4InfluenceoflubricantontheupperlimitofR600acombustion.130根据实验研究，对比有润滑油和无润滑油的实验，在点火初期，火焰角度小于90度，然后迅速形成一个火焰平面（如图4和5(a)所示），而后向上传播，待燃至颈部后开始向瓶底部燃烧。总的实验现象大致相同，然而在有润滑油的情况下火焰扩展到平面的速度更快，有润滑油存在的实验可以在点火源附近观测到显著的火焰，实验后在烧瓶内部分地方变黑，135说明润滑油发生了燃烧，应该是润滑油起到了一定的助燃作用，从而达到了降低燃烧下限的-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn作用。对于燃烧上限，根据实验数据的显示，润滑油的加入对其影响很小，但是润滑油加入后在点火源形成了很明显的火焰，认为应该是润滑油燃烧对火焰的颜色产生了很大影响，并且在制冷剂丰富的混合物体系中，润滑油这个影响因素对燃烧上限的影响很小，基本可以忽略。1403结论本文给出了自行设计和搭建的变环境可控的可燃性气体基础燃爆特性参数综合试验系统，完成SUNISO3GS润滑油含量分别为0.05、0.1、0.15、0.2ml与R600a的混合后R600a的燃爆特性试验，并得到结论如下：1、润滑油的含量对R600a的燃烧特性产生较大的影响：R600a的燃烧下限随润滑油的145含量增加而显著下降，R600a的燃烧上限随润滑油含量的增加略微下降；雾化润滑油的加入使R600a的减缓了燃烧速度，且润滑油含量越大制冷剂的燃烧的相对速度会越来越缓慢。2、实验润滑油的加入对R600a的燃烧极限产生影响，对制冷剂的燃烧下限的相对影响要明显大于对制冷剂燃烧上限的影响。但是，总体来说SUNISO3GS雾化润滑油对R600a的燃烧极限的影响并不十分显著，润滑油的加入对可燃制冷剂的燃爆风险性影响较小。150[参考文献](References)[1]杨昭,刘焕卫,张奎.新一代替代制冷剂燃爆惰化机理及实验[J].天津大学学报自然科学与工程技术版,2011,44(10):896-900.[2]马一太,刘圣春,胡来红.碳氢制冷剂应用的可行性分析[J].暖通空调,2005,35(10):118-121.155[3]谢品赞,郭智恺.制冷剂R161燃烧抑制试验研究[J].制冷与空调(北京),2013,13(3):51-56.[4]刘焕卫,杨昭,张奎.可燃制冷剂惰化机理及实验研究[J].工程热物理学报,2011,32(8):1273-1276.[5]DeSmedtG,DeCorteF,NoteleR,etal.Comparisonoftwostandardtestmethodsfordeterminingexplosionlimitsofgasesatatmosphericconditions[J].Journalofhazardousmaterials,1999,70(3):105-113.[6]陈光明,王海鹰,王勤.测试方法对可燃性制冷剂爆炸极限影响的研究[J].浙江大學學報(工學版),2007,16041(12):2098-2102.[7]GierasM,KlemensR,KuhlA,etal.Influenceofthechambervolumeontheupperexplosionlimitforhexane-airmixtures[J].JournalofLossPreventionintheProcessIndustries,2008,21(4):423-436.[8]TakahashiA,UranoY,TokuhashiK,etal.Effectofvesselsizeandshapeonexperimentalflammabilitylimitsofgases[J].Journalofhazardousmaterials,2003,105(1):27-37.165[9]BaneSPM,ZieglerJL,BoettcherPA,etal.Experimentalinvestigationofsparkignitionenergyinkerosene,hexane,andhydrogen[J].JournalofLossPreventionintheProcessIndustries,2013,26(2):290-294.[10]GierasM,KlemensR,RarataG,etal.Determinationofexplosionparametersofmethane-airmixturesinthechamberof40dm3atnormalandelevatedtemperature[J].JournalofLossPreventionintheProcessIndustries,2006,19(2):263-270.170[11]KondoS,TakizawaK,TokuhashiK.Effectsoftemperatureandhumidityontheflammabilitylimitsofseveral2Lrefrigerants[J].JournalofFluorineChemistry,2012,144:130-136.[12]KondoS,TakahashiA,TakizawaK,etal.OnthepressuredependenceofflammabilitylimitsofCH2=CFCF3,CH2F2andmethane[J].FireSafetyJournal,2011,46(5):289-293.[13]黄小池,吴世庆.异丁烷(R600a)制冷剂在无霜电冰箱上的应用[J].制冷学报,1999(3):5-11.175-6-'