CF3I对R290的抑爆性能研究

CF3I对R290的抑爆性能研究
詹平;钱华;刘大斌;潘峰;江安峰
【摘要】利用气体爆炸极限测试装置和卧式激波管系统,研究了抑爆剂CF3I对
R290爆炸极限、最小点火能、爆速以及爆压的影响.结果表明,添加CF3I的R290爆炸概率和爆炸危害均明显降低.当CF3I体积分数达到50％时,混合气爆炸区间缩小91.02％,最小点火能提高196倍,距爆心1.6m处平均爆速降至3.52m/s,爆压下降37.12％.继续增加CF3I体积比至VCF3I/VR290≥1.2时,体系不具有爆炸性.【期刊名称】《工业安全与环保》
【年(卷),期】2018(044)009
【总页数】3页(P49-51)
【关键词】R290;CF3I;抑爆性能;爆炸极限;最小点火能
【作者】詹平;钱华;刘大斌;潘峰;江安峰
【作者单位】南京理工大学化工学院南京210094;南京理工大学化工学院南京210094;国家民用爆破器材质量监督检验中心南京210094;南京理工大学化工学院南京210094;南京理工大学化工学院南京210094;国家民用爆破器材质量监督检验中心南京210094;南京苏佰能能源科技有限公司南京211135
【正文语种】中文
0 引言
R290是一种天然制冷剂，热力性能好，价格低，与普通润滑油和机械结构材料兼
容，绿色环保[1-2]。

同时，R290的主要物理性质与R22相近，可不对原机进行
改造，直接灌装R290[3]，属直接替代物。

然而R290的易燃易爆倾向[4](爆炸极
限2.1%～9.5%)限制了其更广泛的应用。

国内外学者对如何提升R290的安全性进行了研究。

田贯三等[5]发现R134a，
R125，R227ea等惰性制冷剂通过物理稀释可缩小R290爆炸极限范围，提高点
火能，但惰性制冷剂的体积添加量需达到R290的2～4倍才具有明显的抑爆效果，不具有工业化应用前景；Azatyan V V等[6]研究发现CF3H和C2F5H通过自由基反应，对R290的燃爆性能具有明显的抑制作用，但两者迥异的热力学性能导致无法作为混合制冷剂使用。

CF3I是一种无色无味的气体，具有自由基阻燃抑爆特性。

因与R290有相似的热
物性[7-8]，有学者建议将两者作为混合制冷剂使用[9-10]。

然而，混合体系的抑
爆效果尚缺乏系统参数。

为此，本文将进一步研究CF3I对R290爆炸极限、爆压、爆速以及最小点火能的影响，评估混合体系的爆炸概率和爆炸危害，为混合制冷剂的应用提供基础数据。

1 实验部分
1.1 爆炸极限
依据《化合物(蒸汽和气体)易燃性浓度限值的标准测试方法》GB/T 21844—2008对混合制冷剂的爆炸极限进行研究。

环境温度20 ℃，测试压力101 kPa，压缩空气中氧气体积分数(20.9±0.1)%。

1.2 最小点火能的测试
根据《可燃气体与易燃液体蒸汽最小静电点火能测定方法》GB/T 14288—1993
对混合制冷剂的最小点火能进行测试。

测试气体中R290体积分数为4.0%，环境
温度20 ℃，测试压力101 kPa，压缩空气中氧体积分数(20.9±0.1)%。

1.3 爆速和爆压
以卧式激波管研究混合制冷剂的爆速和爆压，试验装置包括激波管、点火装置、循环系统、数据采集及分析系统，如图1所示。

激波管长2 m，内径70 mm，壁厚10 mm，两端封闭，侧壁连有气体循环混合系统，管体上分布着4个测压孔，相
邻孔的间距均为30 cm，按距点火端距离由小到大的顺序对传感器进行编号，依
次为1#～4#。

其中，1#传感器距离点火点70 cm，传感器与数据采集装置相连。

用电点火头点火(点火能量约32 J)。

测试气体中R290体积分数为4.0%，环境温
度20 ℃，测试压力101 kPa，压缩空气中氧体积分数为(20.9±0.1)%。

1-点火点；2-循环泵；3-压力传感器；4-数据采集仪；5-球阀；6-真空泵；7-气
体采集袋；8-压力表；9-空气瓶；10-点火系统
图1 激波管实验装置
2 实验结果与讨论
2.1 CF3I对R290爆炸极限的影响
CF3I对R290爆炸极限的影响如图2所示。

图2 CF3I对R290爆炸极限的影响
由图2可知，随着CF3I含量的增加，R290的爆炸上限降低，爆炸下限提高，爆
炸区间逐步减小。

当CF3I与R290体积比由0.0增加至1.2时，混合气的爆炸极
限区间由6.96%减小至0.00%，当CF3I与R290体积比大于等于1.2时，混合气不具有爆炸性，说明CF3I对R290具有显著的抑爆效果。

CF3I对R290的抑爆作用主要通过物理和化学抑制两个方面来实现[11]。

物理抑
制一般是通过冷却、稀释来达到阻燃的目的。

CF3I受热释放出HI气体，一方面稀释了空气中的R290和氧气浓度，另一方面起到了隔离降温的作用。

CF3I对R290的化学抑制作用是：在反应过程中，CF3I分解产生游离基I·参与物质燃烧过程中
的化学反应，消除维持燃烧所必需的活性游离基H·和OH·等，从而使燃烧过程的
化学链反应链传递中断而灭火。

2.2 CF3I对R290最小点火能的影响
最小点火能量Emin介于连续10次试验均未出现着火的最大能量值E1和连续10次试验至少有一次出现着火的最小能量值E2之间[12]，本文取E2作为混合气体
最小点火能量。

实验结果如图3所示。

图3 不同含量CF3I条件下R290的最小点火能
实验测得R290的最小点火能为0.51 mJ，与文献值0.48 mJ[13]相近。

由图3可知，随着CF3I含量的增加，混合气的最小点火能呈现快速增加的趋势，当
VCF3I/VR290=1.0时，混合气最小点火能是R290的196倍。

其主要原因是，随着CF3I含量的增加，单位体积内CF3I分子数目增加，吸收了电火花的能量，要
使R290获得足够的能量被点燃，电火花的能量要就相应地增加，同时CF3I分子
数目的增加，降低了R290分子之间碰撞的几率，使得未燃烧部分传递能量的过程被切断，不利于点火的成功。

因此，随着CF3I含量的增加，最小点火能快速增加。

2.3 CF3I对R290爆速和爆压的影响
CF3I对R290爆速的影响如表1所示。

其中， v1，v2，v3 分别为1#和2#，2#
和3#，3#和4#传感器之间的平均爆速，为1#～4#传感器之间的平均爆速。

表1 不同含量CF3I的混合气爆速VCF3I/VR290v1/(m·s-1)v2/(m·s-1)v3/(m·s-1)v/(m·s-
1)0.035.0521.5717.0222.430.227.2718.4314.1421.180.429.1015.1910.0414.8 20.623.2414.617.6812.470.816.555.862.855.161.06.993.372.433.52
由表1可知，随着CF3I添加量的增加，同一处混合气爆速逐渐降低，当
VCF3I/VR290≥0.4时，距离点火端1.6 m处的爆速已降至10.04 m/s，当
VCF3I/VR290=1.0时，平均爆速为3.52 m/s，其破坏作用明显减小。

本研究混
合气体在激波管中的爆速随距点火端距离的增加而逐渐降低，与文献[14]中在无抑
爆材料加入情况下丙烷与空气混合气体的爆速实验结果相反，分析其原因，可能是因为点火方式的不同造成的。

本文采用电点火头点火，点火能量较高(约32 J)，且第一个传感器距离点火端较远，冲击波在到达传感器之前就已经到达最大值，其后逐渐降低。

CF3I对R290爆压的影响如表2所示。

表2 不同含量CF3I的混合气超压值
VCF3I/VR290Δp1/kPaΔp2/kPaΔp3/kPaΔp4/kPaΔp/kPa0.052.69107.27166.5 9225.91138.120.251.68103.88160.07216.86133.120.448.88101.84156.22201. 73127.170.650.4699.35151.27170.84117.980.848.6590.12129.59164.34108.1 81.038.3281.14110.47142.0693.00
注：Δp1，Δp2，Δp3，Δp4为激波管上各压力传感器测得的峰值超压；
ΔΔp1+Δp2+Δp3+Δp4)/4。

由表2可知，1#～4#传感器处峰值超压均随着CF3I含量的增加而减小，当CF3I 体积分数达到50%时，距爆心1.6 m处混合气爆压下降37.12%。

为直观反映CF3I对R290的抑爆能力，定义λ为添加了CF3I时相对于未添加CF3I时超压降低幅度，即CF3I的抑爆能力，其中，λ(式中138.12为R290平均爆压，kPa)，如图4所示。

图4 不同含量CF3I的抑爆能力
由图4中降低幅度λ值可以看出，随着CF3I含量的增加，其对于R290爆压的抑制作用也更明显。

3 结论
(1)随着CF3I含量的增加，R290混合体系的爆炸概率和爆炸危害均明显降低。

当CF3I体积分数达到50%时，混合气爆炸区间缩小91.02%，最小点火能提高196倍，距爆心1.6 m处平均爆速降至3.52 m/s，爆压下降37.12%；当CF3I与
R290体积比大于等于1.2时，体系不具有爆炸性。

(2)CF3I对R290的爆炸性能具有明显的抑制作用，能大幅度提高混合体系的安全性能，有望作为混合制冷剂使用。

参考文献
【相关文献】
[1]Goodyer M J, Kilgore R A. High-reynolds-number cryogenic wind Tunnel[J]. Journal of the Japan Society for Aeronautical & Space Sciences, 1973, 11(5):613-619.
[2]Mohanraj M, Jayaraj S, Muraleedharan C. Environment friendly alternatives to halogenated refrigerants—A review[J]. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2009, 3(1):108-119.
[3]NING J, LIU S, PENG M, et al. Today and future development of R290 refrigeration and air-conditioning system[J]. Fluid Machinery, 2012, 7(2): 15-19.
[4]Brinzea V, Mitu M, Movileanu C, et al. Propagation velocities of propane-air deflagrations at normal and elevated pressures and temperatures[J]. Revista de Chimie -Bucharest- Original Edition, 2012, 63(63):289-292.
[5]田贯三, 杨昭, 刘万福, 等. 可燃制冷剂泄漏及爆炸危害评价的研究[J]. 安全与环境学报, 2001, 1(6): 39-43.
[6]Azatyan V V, Pankratov M S, Saikova G R. Specific features of the inhibition of the combustion of propane-air and hydrogen-air mixtures by trifluoromethane and pentafluoroethane[J]. Russian Journal of Physical Chemistry B, 2013, 7(2):149-153.
[7]段远源. 三氟碘甲烷和二氟甲烷的热物理性质研究[D]. 北京: 清华大学, 1998.
[8]周黎旸. 三氟碘甲烷应用进展[J]. 化工生产与技术, 2009, 16(4):5-6.
[9]王怀信, 张宇, 郑臣明, 等. 三氟碘甲烷作为冰箱制冷剂的理论循环分析[J]. 制冷学报, 2005,
26(1):33-37.
[10]陈伟, 祁影霞, 张华. 新型混合制冷剂R290/R13I1的研究[C]//全国制冷空调新技术研讨会, 2012.
[11]欧育湘, 李建军. 阻燃剂:性能,制造及应用[M]. 北京: 化学工业出版社, 2008.
[12]American Society for Testing Material. E2019: Standard test method for minimum ignition energy of a dust cloud in air[S]. Pennsylvania: Standards Press of America, 2002.
[13]Eckhoff R K, Ngo M, Olsen W. On the minimum ignition energy (MIE) for
propane/air[J]. Journal of Hazardous Materials, 2010, 175(175): 293-297.
[14]雷正, 解立峰, 韩志伟. 非金属球形抑爆材料抑爆性能实验研究[J]. 消防科学与技术, 2014(4): 371-374.。