有限空間內(nèi)氨氣擴(kuò)散過(guò)程分析

童良懷 周 文 石秀珍 常 波 孫偉明

（1.衢州市特種設(shè)備檢驗(yàn)中心 衢州 324000）（2.浙江工業(yè)大學(xué) 杭州 310014）

1 緒論

氨氣是一種用途廣泛的重要無(wú)機(jī)化工產(chǎn)品[1]，按國(guó)際制冷劑統(tǒng)一符號(hào)為R717[2]。氨本身的性質(zhì)物理化學(xué)性質(zhì)和熱力學(xué)特性推動(dòng)了氨制冷劑在涉氨制冷企業(yè)制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用，尤其是在冷凍、冷藏行業(yè)的應(yīng)用占有相當(dāng)大的比例[3]。近幾年來(lái)，食品行業(yè)內(nèi)的氨制冷管道泄漏造成事故較為頻繁[4-5]，相對(duì)于化工廠的氨制冷管道，食品行業(yè)的氨制冷管道進(jìn)入的車間更加封閉，甚至很多廠房平時(shí)使用過(guò)程中都要求其處于封閉的狀態(tài)下。近幾年來(lái)，有很多學(xué)者[6-10]采用流動(dòng)力學(xué)對(duì)氨泄漏擴(kuò)展進(jìn)行研究，但大多數(shù)學(xué)者都是研究了氨氣在通風(fēng)環(huán)境中受自然風(fēng)或強(qiáng)制風(fēng)作用下的模擬。而本文通過(guò)對(duì)有限空間的氨泄漏模擬和試驗(yàn)研究，給實(shí)際工程中預(yù)防氨泄漏事故產(chǎn)生有一定的參考意義。

2 有限空間氨泄漏擴(kuò)散過(guò)程模擬分析

2.1 模型的建立

有限空間內(nèi)氨泄漏模型尺寸為3.7m×3m×2.55m，房間內(nèi)有三個(gè)氨泄漏測(cè)試點(diǎn)，并且放有三張桌子，具體如圖1所示。該模型通過(guò)Gambit建立，在Gambit中，指定泄漏口為流體速度入口，墻壁和桌子邊界的邊界條件為壁面的定義，如圖2所示。

圖1 有限空間內(nèi)氨泄漏模型圖

圖2 Gambit建模的網(wǎng)格示意圖

2.2 泄漏量的計(jì)算

孔口泄漏可被看作是絕熱過(guò)程，氨氣按理想氣體考慮，利用伯努利方程和絕熱方程，考慮到氣體實(shí)際泄漏過(guò)程中存在局部摩擦阻力損失，泄漏速度小于理論計(jì)算值，故用孔口流速系數(shù)φ進(jìn)行修正，則泄漏速度計(jì)算公式和體積流量公式[11]如下：

式中：

φ——孔口流速系數(shù)，表示實(shí)際流速與理論流速之比，一般取值為0.97～0.98；

Q——體積流量，m3/s；

A——泄漏孔面積，即泄漏面積，m2；

Cd——流量系數(shù)，亦稱泄漏系數(shù)；

p1——?dú)怏w泄漏前壓力，Pa；

p0——環(huán)境壓力，Pa；

k——絕熱指數(shù)，對(duì)于氨氣一般取1.3。

2.3 模擬結(jié)果的分析

密閉環(huán)境下，當(dāng)入口邊界在壓力為23kPa、32kPa時(shí)的泄漏情況。模擬空間內(nèi)的氨氣濃度隨泄漏時(shí)間的變化而變化，選取泄漏壓力為23kPa，泄漏時(shí)間為50s、100s、150s、200s時(shí)，觀察模擬空間內(nèi)的氨氣濃度分布，如圖3所示。

圖3 不同時(shí)刻氨氣濃度分布圖

由圖3可以看出氨氣以射流的形式通過(guò)泄漏孔擴(kuò)散到模擬空間里。氨氣在初始動(dòng)量的作用下向前運(yùn)動(dòng)，遇到墻壁后先是沿壁面擴(kuò)散再向空間其他區(qū)域擴(kuò)散。由于氨氣的密度小于空氣的密度，在擴(kuò)散的過(guò)程中會(huì)向上浮動(dòng)，空間內(nèi)的氨氣呈上下分層分布，上層的氨氣濃度要大于下層的氨氣濃度。

氨氣在擴(kuò)散過(guò)程中碰到墻壁后，氨氣以射流軸線為中心向兩側(cè)擴(kuò)散，向右擴(kuò)散的部分氨氣沿壁面繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，向左擴(kuò)散的部分氨氣遇到墻壁產(chǎn)生聚集，空間拐角處容易聚集氨氣。在氨氣擴(kuò)散速度方向發(fā)生三次改變后，大部分的氣體聚集在拐角處，少量的氣體向模型中間區(qū)域擴(kuò)散，氨氣濃度水平截面上呈旋渦狀分布，如圖4所示。

圖4 氨氣濃度的旋渦狀分布

從模擬結(jié)果看，氨氣的濃度隨著泄漏壓力的增高而增加，當(dāng)泄漏方向?yàn)樗交蛘叱蠒r(shí)，在無(wú)擾動(dòng)情況下廠房頂部四個(gè)角落的氨濃度最大，廠房?jī)?nèi)頂部的氨氣濃度大于地面的氨氣濃度，而當(dāng)泄漏方向朝下時(shí)，地面的氨氣濃度先急劇上升然后氨氣逐步往頂部擴(kuò)散。

3 有限空間氨泄漏試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所選用的場(chǎng)地與模擬的空間一致，是一個(gè)長(zhǎng)3.7m、寬3m、高2.55m的長(zhǎng)方體房間，房間5面墻上封閉，1面墻上開(kāi)有門以及通風(fēng)口，實(shí)驗(yàn)時(shí)門以塑料膠帶密封。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果貼近現(xiàn)實(shí)，保持實(shí)驗(yàn)房間原本面貌，對(duì)其中的雜物不做清理。圖5為氨氣泄漏實(shí)驗(yàn)室。泄漏源與氨氣探測(cè)器的具體位置見(jiàn)表1。

圖5 氨氣泄漏試驗(yàn)房布置

表1 泄漏源及氨氣探測(cè)器的位置

在試驗(yàn)過(guò)程中分別對(duì)密閉環(huán)境下泄漏壓力為23kPa、32kPa進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)無(wú)紙記錄儀的數(shù)據(jù)，為了方便觀察測(cè)點(diǎn)的氨氣質(zhì)量濃度變化，等時(shí)間間隔選取數(shù)據(jù)生成圖6所示的三個(gè)測(cè)點(diǎn)的氨泄漏濃度數(shù)據(jù)。

圖6中，兩幅橫坐標(biāo)都為氨氣泄漏時(shí)間，縱坐標(biāo)分別為氨氣的質(zhì)量濃度。實(shí)驗(yàn)用的氨氣探測(cè)器采集氨氣的濃度范圍為0～100ml/m3，經(jīng)式（3）[12]轉(zhuǎn)化后，氨氣探測(cè)器的范圍轉(zhuǎn)化為0～136.1 mg/m3。

式中：

Cm——氨氣的質(zhì)量濃度，mg/m3；

M——?dú)怏w相對(duì)分子量，實(shí)驗(yàn)氣體是氨氣，M=17；

Cv——氨氣的體積濃度，ml/m3；

t——溫度，℃，實(shí)驗(yàn)溫度為9℃，取t=9℃；

p——實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的壓力，Pa，取p=101325Pa。

圖6 試驗(yàn)過(guò)程中氨氣質(zhì)量濃度變化

而且已知氨氣探測(cè)器系統(tǒng)是一階系統(tǒng)，系統(tǒng)輸入與輸出關(guān)系為式中：

Y(s)——輸出信號(hào)；

R(s)——輸入信號(hào)；

Tc——時(shí)間常數(shù)。

得輸出響應(yīng)：

對(duì)兩邊取拉普拉斯反變換，得到輸出響應(yīng)

式中：

t—氨氣泄漏的時(shí)間，s。

故實(shí)驗(yàn)測(cè)得氨氣濃度與模擬計(jì)算得到的濃度之間存在滯后時(shí)間差Tc，查看傳感器說(shuō)明書(shū)得此傳感器Tc=35s。將模擬得到的氨氣濃度作為輸入信號(hào)R（s）得出輸出信號(hào)Y（s），再對(duì)輸出信號(hào)取拉普拉斯反變換，得到模擬數(shù)據(jù)在實(shí)驗(yàn)儀器下的氨氣濃度，將此氨氣濃度與實(shí)驗(yàn)得到的氨氣濃度進(jìn)行對(duì)比。

從圖7和圖8可以看出，通過(guò)拉普拉斯反變換后，試驗(yàn)過(guò)程中的氨濃度變化值與模擬得出的氨濃度變化趨勢(shì)基本一致，但兩者不能完全重合。主要是因?yàn)镕luent計(jì)算過(guò)程本身就存在誤差、建模情況不可能完全和試驗(yàn)情況一樣、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精確性和試驗(yàn)房間的密封性等影響會(huì)導(dǎo)致誤差的存在。不過(guò)通過(guò)對(duì)最大差值進(jìn)行計(jì)算得到試驗(yàn)值與模擬值的最大誤差不超過(guò)15%，所以在工程中可以認(rèn)為模擬是可靠的，該模型適合用于氨泄漏的模擬分析。

圖7 泄漏為23kPa時(shí)3個(gè)測(cè)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)值與模擬值的對(duì)比

圖8 泄漏為32kPa時(shí)3個(gè)測(cè)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)值與模擬值的對(duì)比

4 結(jié)論

1）建立有限空間內(nèi)氨泄漏試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)氨泄漏過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)與模擬得到的氨氣質(zhì)量濃度變化曲線對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩者的變化趨勢(shì)基本一致最大誤差不超過(guò)15%，認(rèn)為模型是可靠的。

2）通過(guò)Gambit建立三維有限元模型并采用FLUENT軟件對(duì)有限空間內(nèi)氨泄漏進(jìn)行模擬，得到氨氣擴(kuò)散過(guò)程的分析。從模擬結(jié)果看，當(dāng)泄漏方向?yàn)樗交蛘叱蠒r(shí)，在無(wú)擾動(dòng)情況下廠房頂部四個(gè)角落的氨濃度最大，廠房?jī)?nèi)頂部的氨氣濃度大于地面的氨氣濃度，而當(dāng)泄漏方向朝下時(shí)，地面的氨氣濃度先急劇上升然后氨氣逐步往頂部擴(kuò)散。可以說(shuō)當(dāng)泄漏方位朝下時(shí)對(duì)廠房?jī)?nèi)的人員造成的危險(xiǎn)性最大。

3）建立的三維有限空間內(nèi)的氨泄漏模型能有效地預(yù)測(cè)氨泄漏后房間內(nèi)氨氣的運(yùn)動(dòng)變化情況，該方法可以為工程中涉氨廠房?jī)?nèi)排風(fēng)扇的布置，濃度測(cè)點(diǎn)的布置提供參考。

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