空調(diào)熱泵系統(tǒng)R32制冷劑安全性能研究述評(píng)

呂東杰

摘 要：R32作為R22和R410a的替代制冷劑，因其良好的環(huán)保性和制冷循環(huán)性能，已經(jīng)被大量應(yīng)用到了空調(diào)熱泵系統(tǒng)中。但其可燃性導(dǎo)致的安全問(wèn)題仍是影響其應(yīng)用程度的瓶頸問(wèn)題。本文就國(guó)內(nèi)外對(duì)R32基本性質(zhì)、泄漏擴(kuò)散性、燃爆危險(xiǎn)性等研究成果進(jìn)行了綜述。大量研究表明，R32的燃燒特性較為溫和，在不同情況下泄漏和燃爆研究均認(rèn)為其安全性能較為良好。

關(guān)鍵詞：R32；空調(diào)；安全性能；泄漏；燃爆；

0引言

1987年簽訂《蒙特利爾議定書(shū)》，世界各國(guó)為防護(hù)臭氧層空洞，紛紛開(kāi)展了HCFCs制冷劑R22的替代研究，先后開(kāi)發(fā)出多種HFCs類(lèi)替代制冷劑，其中R410a和R407c已得到廣泛應(yīng)用。1997年簽訂的《京都議定書(shū)》及2009年召開(kāi)的哥本哈根氣候大會(huì)，不但要求替代制冷劑的ODP（臭氧破壞潛能值）為0，且GWP（全球變暖潛能值）盡可能低[1]。HFCS類(lèi)制冷劑R32因其較低的GWP值、良好的循環(huán)性能、低充注量、低成本，近年來(lái)被廣泛關(guān)注和應(yīng)用。

但R32具有一定的可燃性，其安全性能的研究顯得非常重要。本文擬就國(guó)內(nèi)外對(duì)R32基本性質(zhì)、泄漏擴(kuò)散性、燃爆危險(xiǎn)性等的研究成果進(jìn)行綜述，為我國(guó)空調(diào)行業(yè)R32安全性能研究和應(yīng)用提供參考。

1 R32基本性質(zhì)

R32（二氟甲烷）作為HFCs類(lèi)制冷劑的一種，其ODP=0，GWP=675，相對(duì)于空調(diào)常用制冷劑R22（ODP=0.055，GWP=1810）和R410a（ODP=0，GWP=2100）來(lái)說(shuō)，更為符合國(guó)際環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，而且其系統(tǒng)充注量?jī)H為R22的60%，相比于R22減排比例可達(dá)到62.7%[2]。

浙江大學(xué)韓曉紅等[3]對(duì)制冷劑R32和R410a的循環(huán)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：在不同工況下，R32和R410a的運(yùn)行壓比相當(dāng)，能效比（COP）較R410a高0-5%左右[4]，與R22相當(dāng)，作為替代制冷劑是可行的。R32作為R410a組分之一，其蒸發(fā)、冷凝壓力與R410a較接近，因此更換制冷劑時(shí)，幾乎不需要更換制冷元器件。

R32具有低度可燃性（A2L類(lèi)，可燃性溫和），從表2可以看出，其燃燒爆炸極限、燃點(diǎn)、燃燒速度，都是相對(duì)安全的。R32燃燒（分解）后會(huì)產(chǎn)生少量的有毒氣體HF。

2泄漏擴(kuò)散性研究現(xiàn)狀

從1950s開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量危險(xiǎn)性氣體擴(kuò)散泄漏數(shù)學(xué)模型的探索和研究，高斯模型、淺層模型、箱模型等使用較多。1970s開(kāi)始，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和運(yùn)算能力的提升，計(jì)算流體力學(xué)的方法逐漸興起，如有限元法、有限差分法、有限體積法等。計(jì)算流體力學(xué)結(jié)合初始、邊界條件以及數(shù)值計(jì)算理論，建立基本守恒方程，預(yù)測(cè)實(shí)際場(chǎng)景下的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)，來(lái)描述擴(kuò)散泄漏過(guò)程[6]。

2.1靜態(tài)泄漏

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)李雨農(nóng)等[7]通過(guò)FLUENT進(jìn)行數(shù)值模擬，并做了大量的模擬和真機(jī)實(shí)驗(yàn)，研究了不同空間、泄漏速度、泄漏方式、泄漏量條件下R32靜態(tài)泄漏的泄漏擴(kuò)散規(guī)律。實(shí)驗(yàn)在4.8m×3.5m×2.6m受限空間內(nèi)進(jìn)行，泄漏位置為2.2m和0.45m（分別模擬掛機(jī)和柜機(jī)），其泄漏孔徑為3-6mm，泄漏量為10-30kg/h，針對(duì)以上影響因素進(jìn)行了大量泄漏擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)，指出：R32上、下方泄漏都表現(xiàn)出明顯的沉降性；下方泄漏時(shí)（柜機(jī)），以泄漏口為中心由近及遠(yuǎn)地?cái)U(kuò)散，同時(shí)刻靠近泄漏口處的濃度更大；上方泄漏時(shí)（掛機(jī)），部分區(qū)域出現(xiàn)中間濃度值最低的現(xiàn)象；受擴(kuò)散初速度的影響，最靠近泄漏口的濃度反而低于周邊。

田貫三等[8]對(duì)可燃制冷劑的泄漏噴射過(guò)程進(jìn)行了模擬研究，提出了泄漏量的計(jì)算方法，認(rèn)為孔口泄漏過(guò)程可以看做為絕熱過(guò)程，壓縮機(jī)出口至節(jié)流閥之間是制冷系統(tǒng)壓力最高的部位，得出結(jié)論：可燃制冷劑泄漏會(huì)形成一個(gè)可燃濃度區(qū)域，即使泄漏空間內(nèi)其濃度達(dá)不到爆炸極限范圍，其泄漏點(diǎn)附近也會(huì)有局部爆炸著火的危險(xiǎn)。同時(shí)建立了計(jì)算可燃制冷劑在房間內(nèi)泄漏后的濃度變化模型[9]。

2.2動(dòng)態(tài)泄漏

泄漏也可能發(fā)生在動(dòng)態(tài)過(guò)程中。彭繼軍[10]分析了可燃制冷劑發(fā)生瞬間泄漏的條件，并基于CSD狀態(tài)方程建立了可燃制冷劑氣液相空間動(dòng)態(tài)泄漏模型（采用高斯煙雨模型與有限時(shí)間泄漏擴(kuò)散模型）。研究了可燃制冷劑層流預(yù)混火焰的傳播特性與規(guī)律，提出了一種新的綜合評(píng)價(jià)制冷劑可燃特性指標(biāo)IFI（Integrated Flammability Index），綜合考慮燃爆極限、化學(xué)當(dāng)量濃度和火焰?zhèn)鞑ニ俣龋瑸樵u(píng)價(jià)可燃制冷劑安全性提供參考。

Jia[11]做了室內(nèi)R32空調(diào)動(dòng)態(tài)泄漏的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，比較了空調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)條件下泄漏在室內(nèi)不同位置處R32的濃度，實(shí)驗(yàn)研究表明當(dāng)R32從空調(diào)器中泄漏到房間內(nèi)的過(guò)程中，R32的濃度隨著空調(diào)的運(yùn)轉(zhuǎn)越來(lái)越低，可燃區(qū)域僅會(huì)出現(xiàn)在泄漏孔處且維持的時(shí)間非常短，R32的燃燒風(fēng)險(xiǎn)在空調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下是非常低的。

4結(jié)論

R32作為R22和R410a的替代制冷劑，因其良好的環(huán)保性和制冷循環(huán)性能，已經(jīng)被大量應(yīng)用到了空調(diào)熱泵系統(tǒng)中。但其可燃性導(dǎo)致的安全問(wèn)題仍是影響其應(yīng)用程度的瓶頸問(wèn)題。本文就國(guó)內(nèi)外對(duì)R32基本性質(zhì)、泄漏擴(kuò)散性、燃爆危險(xiǎn)性等研究成果進(jìn)行綜述。結(jié)論如下：

1）靜態(tài)泄漏：R32泄漏表現(xiàn)出明顯沉降性；下方泄漏時(shí)靠近泄漏口處的濃度更大；上方泄漏時(shí)，部分區(qū)域出現(xiàn)中間濃度值最低的現(xiàn)象。

2）動(dòng)態(tài)泄漏：R32的濃度隨著空調(diào)的運(yùn)轉(zhuǎn)降低，可燃點(diǎn)僅會(huì)出現(xiàn)在泄漏孔處且維持時(shí)間非常短，R32的燃燒風(fēng)險(xiǎn)在動(dòng)態(tài)情況下較低。

3）內(nèi)部燃爆：混入空氣后R32系統(tǒng)壓力增大，在機(jī)組內(nèi)部混入空氣引燃的可能性非常小，不會(huì)引發(fā)爆炸。

4）外部燃爆：R32的燃燒特性較為溫和，不會(huì)造成火焰蔓延但有少量HF生成。

參考文獻(xiàn)：

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[3]韓曉紅，徐英杰，仇宇，等. 制冷劑R32的循環(huán)性能實(shí)驗(yàn)研究[J].制冷與空調(diào)，2010，10（2）：68-70，83.

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[8]田貫三，楊昭，馬一太等.制冷系統(tǒng)可燃工質(zhì)泄漏噴射過(guò)程的模擬研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)， 2007，7（4）：401-404.