R290的可燃爆炸性试验及在制冷机组中的试用

l. 压力容器 2. 铂电阻丝 3. 注射器 4. 泻压口
图 l 爆炸性试验装置简图
在一个封闭的压力容器 l 中置有一段铂电阻丝 2，铂丝的加热由提供的电压决定，而铂丝上的温度也 由流过铂丝的电流和电压计算出铂丝的电阻，根据电 阻值计算出铂丝温度。
铂丝是 IEC 型，直径为 0 . l mm，在 I C 时 电阻 Rz 可按下式计算：
2 R290 工质的爆炸性及其预防
任何一种可燃气体的燃烧和爆炸总离不开与空气 的混合浓度和点燃温度。为了解 R290 的起爆特性，设 计了如图 l 所示的爆炸性实验装置：
加入压力容器 l 中，实验压力为 0 . l MPa，据此计算 R290 的浓度。泄压口 4 是!5l 的圆管，与压力容器 l 相 通。4 的前端呈 45 角与大气相通。实验前用塑料薄膜 包住管口，将 l 和大气隔开。
漆包线 2 197 . 21 2 199 . 71
0 . 11
试验前后无 肉眼可见变 化。
从上表可看出：黄铜、紫铜、碳钢、锰钢、铸铁、润 滑油、漆包线均与 R290 相容。即是说在使用 R22 的机 组中只是用 R290 代替 R22，其余设备原封不动，加入 R290 就能运行，实现制冷。
4 R290 在制冷机组中的试用
19 960 . 40 19 990 . 45
0 . 15 14 . 86 14 . 87 0 . 07 14 . 93 14 . 92 - 0 . 07
铸铁 45 948 . 85 45 965 . 70
0 . 04 20 . 25 20 . 28 0 . 15 20 . 03 20 . 04 0 . 05
从 R290 的爆炸曲线可以看出：l）R290 与空气的混 合物起爆温度相当高，即便是最佳起爆浓度 5 . 5% 下 也要 8l0 C 才发生爆炸；2）最低起爆浓度为 2 . 6% ，此 时起爆温度为 9l8 C。随着 R290 浓度的增大，起爆温 度下降，到 5 . 5% 时起爆温度达到极小值的 8l0 C。浓 度再增大起爆温度将增大，当浓度为 8 . 5% 时起爆温 度达到 880 C，浓度超过 8 . 9% 和低于 2 . 5% 的 R290 空 气混合气体就不具备可燃可爆性了，此时燃着的烟头 也不足以使其爆炸。
紫铜
碳钢
锰钢
38 458 . 25 38 522 . 55
0 . 17 19 . 93 19 . 92 - 0 . 05 14 . 98 14 . 98 0 . 00
21 669 . 98 21 696 . 23
0 . 12 14 . 85 14 . 87 0 . 13 14 . 93 14 . 91 0 . 13
Rz = R（o l + Az + Bz2） 其中 Ro 为 0 C 时的电阻，A = 3 . 968 47 > l0-3 C -l；
B = - 5 . 847 > l0-7 C -l 每次爆炸实验后都要对实验系统抽真空，然后送
入标准压力的纯净空气。R290 的量是由注射器 3 定量
3 R290 工质的相容性试验
从图 4 可以看出机组的 EER 随冷媒水进口温度升
高温高压下的加速实验，故试验时间为 15 天，15 天后 取出各试管中的试件，从外表到称重进行检查，试验后 外观变化：紫 铜 两 端 面 有 部 分 颜 色 发 青，状 似 高 温 氧 化；其它均无肉眼可见的变化。润滑油从高压釜取出时 有大量气体析出，无其它外观变化，观察不到密封圈有 明显变化。试 验 前 后 各 试 件 质 量、外 型 尺 寸 变 化 如 下 表。
为了检验 R290 与制冷系统材料的相容性，我们使 用了如图 3 所示的装置：
l. 高压釜 2. 试验管 3. 电加热器 4. 温度传感器 5. 恒温箱 6. 温控器 7. 电源 8. 压力表 9. 工质阀
图 3 相容性能试验装置简图
其中 l 为!200 > l0，4］。本文对 R290 的可燃性、相容性和 在大型机组中使用的安全性进行了实验研究，消除对 可燃工质作为家电产品工质的恐惧心理，为我国确立 替代工质的方向提出己见。
l 可燃爆炸性并非替代工质的限制条件
人们日常生活与工作中接触到的可燃易爆物质很 多，如天然气、汽油、瓦斯、烷类、醇类都是可燃易爆物 质，但在民用燃料、汽车运行、化工生产中一直在大量 使用，而作为家用燃料的天然气，更是每年以数亿立方 的量输入家庭。虽然时有事故发生，但人们只是分析 事故原因，完 善 安 全 措 施，加 强 对 使 用 者 进 行 安 全 教 育，而绝对 没 有 人 提 出 禁 止 把 天 然 气 供 家 庭 使 用 的。 而可燃气体（丙烷、异丁烷等）作为制冷机工质时，其使 用量相对于天然气来说是极少的。制冷工质通常是在 密闭的系 统 中 循 环，只 有 在 发 生 重 大 事 故 时（ 如 爆 管 等）才可 能 大 量 漏 入 室 内，对 此 种 恶 性 事 故 对 策 应 当 是：l）改进运行水平；2）改善管材和焊接工艺；3）增加 室内通风，减少可燃气体聚积；4）发出报警信号，通知 主人不动火、不用电、增强室内通风；5）使用可燃工质 的制冷机组必须采用防爆电器。只要作到以上几点要 求，可燃气体工质的安全性就能大大提高，其可燃爆炸 性便不应成为选择替代工质的障碍。事实上目前欧洲 采用 R290、R600a 为工质的冰箱、家用空调和汽车空调
原机组充工质量为 46 kg，按在标准工况下 R290 的潜热、密度、容积制冷量和额定制冷量推出 R290 的 充灌量是 21 kg。 4.3 更换工质的试验
将原机组中的 R22 工质全部抽出，分别灌入 R290 工质 17 kg、19 kg、22 kg、24 kg、26 kg 进行机组的制冷性 能测试。图 4 和图 5 分别记录了不改膨胀阀和膨胀阀改 造后制冷机组能效比（EER）和冷媒水进口温度（ !1） 在额定工况（250 kW）制冷量时的关系曲线：
2002 年 l 月 第 25 卷 l 期
重庆大学学报 （自然科学版） JournaI of Chongging Universit（y NaturaI Science Edition）
文章编号：l000 - 582X（2002）0l - 0036 - 04
VoI. 25 Jan. 2002
R290 的可燃爆炸性试验及在制冷机组中的试用!
! 收稿日期：200l-l0-ll 作者简介：童明伟（l945 - ），男，重庆人，重庆大学博士，教授。主要从事制冷与低温技术研究。
第 25 卷第 l 期
童明伟 等： R290 的可燃爆炸性试验及在制冷机组中的试用
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已超过 l 000 万例，尚未发现因工质泄露爆炸而引起 人员伤亡的报道［5］。
除了安全性以外，一种物质要作制冷剂的替代工 质必须具备环保性，制冷循环的高效性，工质的易获取 性（低成本）。R290 是天然气的伴生气体，也可由裂解 石油获得。由于它与地球长期共存，相容性极好。其 ODP = 0，GWP = 0，具有相当优秀的环保特性；该工质 易获得，生产成本仅为 R22 的 l / l0、Rl34a 的 l / 35，从 经济性上看也是十分理想的替代工质。R290 的汽化 潜热比 R22 高一倍，而分子量也只有 R22 的 l / 2，因此 容积制冷量稍高于 R22，在 0C 时达到 3 870 KJ / m3，经 过国内外 学 者 的 大 量 实 验 和 在 制 冷 机 组 上 的 成 功 使 用，R290 的 能 效 比 往 往 超 过 R22 能 效 比 的 7% ~ l0 %［3，6］。
实验时从丙烷体积浓度为 5% 开始，以大致相同 的步长不断增减丙烷混合物的浓度，当核准浓度后，用 调压器调整输入电压，并同时记录通过铂丝的电流，缓 慢增加电压直到发生爆炸，若铂丝温度达到 l 000 C 时仍不爆炸，则认为在该浓度下混合气体不可燃。由此 测得的 R290 爆炸曲线示于图 2：
图 2 丙烷爆炸浓度与爆炸温度的关系图
关键词：R290；R22；可燃性
中图分类号：TB 6l + 2
文献标识码：A
环丙烷（C3H8）作为制冷循环的工质早在 l00 年前 已在制冷机组中应用了，但到了 20 世纪 30 年代人工 合成了一系列卤代烃制品，即氟利昂，主要包括 CFCS 的 Rll、Rl2 和 HFCS 的 R22。由于这类工质稳定、不易 燃、无毒及与材料相容性好，很快便占据制冷工质的大 部分领域。然而，新物质的生产和使用往往会造成人 们意想不到的麻烦，CFCS 和 HFCS 类物质是造成大气 臭氧层破坏的罪魁祸首。为了保护人类的生存空间， 从 l985 年起，联合国组织了一系列旨在限制破坏大气 臭氧层气体排放的国际会议，并签署了相关协 议 对 CFCS 和 HFCS 类物质的生产和使用进行严格的限制， 这样，原来广泛使用的制冷工质 Rl2、Rll、R22 行将淘 汰。因此，寻找在制冷特性上与之相似，但 ODP = 0、无 毒、来源广泛、价格低廉的替代工质是近 20 年来制冷 界普遍关心的问题。部分工业发达国家，如美国和日 本等，坚 持 走 合 成 工 质 的 路。 他 们 提 出 的 Rl34a、 Rl52a，虽然 ODP = 0、无毒、不可燃、但其 GWP 相当高， 是被京都 宣 言 所 要 求 禁 止 的 物 质［l，3］；而 且 合 成 工 质 问世不久，与自然界长期的相容性还不清楚，检验尚需 时日；以欧洲为代表的国家提出的天然工质来源广，成 本低，与自然界长期共存，没有隐患，有的工质如 HCS （丙烷，异丁烷）、CO2 等的潜热都大大地高于 CFCS 类 工质，容积制冷量也相当高，就其热物性而言是极好的 制冷工质。然而 NH3、C3H8、C4Hl0 具有的 可 燃 性 限 制
和经济性进行了实验和分析，发现 R290 的燃烧和爆炸需要 2 个条件，即与空气的混和浓度要在 2 . 5% ~
8 .9% 之间，温度在 8l0C以上。在机组运行过程中，2 个小概率事件同时出现的概率几乎为零，因此，只
要在设计和运行中采用必要的防范措施，在制冷机组中使用 R290 为工质同样是安全的。
重庆大学学报 （自然科学版）
2002 年
以检验与制冷剂接触的各种物质的相容性。这里分别 装入了碳钢、紫铜、铝、黄铜、冷冻机油、漆包线，高压釜 通过导管和阀门与 R290 工质罐相通，它被置入一个恒 温箱 5 中，其温度由电加热器 3 和温度传感器 4 及温控 器 6 控制。
对于相容性我们参照美国 ASHRAE 标准，从质量 变化、外 观 感 度、外 型 尺 寸 几 方 面 考 查，实 验 温 度 为 130 1 1 C，试验工质压力 1 . 0 ~ 1 . 1 Mpa，由于采用了
材料样品 试验前
质量 / mg 试验后
质量变化率 / 试验前
直径（mm） 试验后
直径变化率 / 试验前
长度 / mm 试验后
长度变化率 /
黄铜 40 350 . 20 40 376 . 70
0 . 07 19 . 93 19 . 95 0 . 10 14 . 87 14 . 85 - 0 . 13
表 1 R290 相容性试验结果
4.1 膨胀阀改造 试验机组是重庆嘉陵制冷空调设备有限公司生产
的 LSBLG247 型半封闭螺杆冷水机组。以 R22 为工质， 机组采用外平衡式热力膨胀阀，其感温包内充 的 是
R22 工质。在正常工作时感温包处的温度为 7 C，对应 R22 的压力为 0 . 4 Mpa，查 R290 的热物性，充入 7 C 下 的饱和 R290 工质以适应制冷工质更换的需要。 4.2 LSBLG247 型机组更换工质
童 明 伟 ，吴 治 娟 ，董 茂 林
（重庆大学 动力工程学院，重庆 400044）
摘 要：R290 具有较高的汽化潜热和较大的容积制冷量，它的 ODP、GWP 都为零，是一种优秀的绿色
天然环保工质，因而倍受欧洲人的重视，在欧洲使用 R290 的空调器、电冰箱总量已超过 l 000 万台。然而
因其具有可燃性而遭美国、日本的抵制，在我国也存在较大的分歧。为此我们对 R290 的可燃性、相容性