可燃制冷劑R32室內(nèi)空調(diào)器泄漏擴(kuò)散特性的實(shí)驗(yàn)研究

金梧鳳 張寧寧 張 燕 白賢三

(1 天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津市制冷技術(shù)工程中心 冷凍冷藏技術(shù)教育部工程研究中心 天津商業(yè)大學(xué) 天津 300134；2 北京清華同衡規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 北京 100085；3 樂金電子(天津)有限公司 天津 300400)

可燃制冷劑R32室內(nèi)空調(diào)器泄漏擴(kuò)散特性的實(shí)驗(yàn)研究

金梧鳳1張寧寧1張 燕2白賢三3

(1 天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津市制冷技術(shù)工程中心 冷凍冷藏技術(shù)教育部工程研究中心 天津商業(yè)大學(xué) 天津 300134；2 北京清華同衡規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 北京 100085；3 樂金電子(天津)有限公司 天津 300400)

制冷劑R32具有良好的環(huán)保特性和熱工性能，但其可燃性限制了它的應(yīng)用推廣，因此需要對(duì)R32的安全性進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)研究了分體壁掛式空調(diào)用制冷劑R32在空調(diào)運(yùn)行時(shí)，蒸發(fā)器不同泄漏位置和不同泄漏速度對(duì)室內(nèi)R32濃度分布的影響，得出R32在空調(diào)運(yùn)行時(shí)的泄漏擴(kuò)散特性。研究表明：可燃性制冷劑R32在室內(nèi)機(jī)蒸發(fā)器處發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏過程可分為快速泄漏階段和低速泄漏階段；蒸發(fā)器出口泄漏比蒸發(fā)器入口泄漏危險(xiǎn)性高；僅在蒸發(fā)器出口大流量泄漏時(shí)，室內(nèi)機(jī)附近區(qū)域R32濃度最大值為16.79%，超過可燃下限(14.4%)16.6%?？扇紳舛瘸掷m(xù)了22 s，存在著火的可能性，但概率較低；排風(fēng)作用對(duì)各測(cè)點(diǎn)的濃度衰減影響強(qiáng)烈，可有效降低室內(nèi)R32的濃度。

制冷劑；泄漏；分體式空調(diào)；蒸發(fā)器；R32

臭氧層破壞、溫室效應(yīng)等環(huán)境問題已成為全球性研究課題。CFCs中的氯原子會(huì)與臭氧發(fā)生反應(yīng)消耗臭氧分子，已經(jīng)禁用，HCFCs中高GWP、高ODP制冷劑也將逐漸被淘汰。作為全世界最大的家用空調(diào)生產(chǎn)和使用國家，中國2010年生產(chǎn)和消耗的HCFCs類物質(zhì)約占全世界總量的70%[1]。目前，我國空調(diào)行業(yè)普遍采用R22作為制冷劑[2]。R22屬于HCFCs類制冷劑，ODP為0.055，GWP值(=1810)較高，對(duì)大氣臭氧層具有破壞作用[3]。替代制冷劑R410雖然綜合性能較好，但GWP值(=2100)非常高[4]，仍需予以替代。所以，尋找綠色環(huán)保型制冷劑迫在眉睫。

制冷劑R32不僅循環(huán)性能良好、充注量小，而且ODP為零，GWP值(≈675)低，被認(rèn)為具有良好替代前景[5-6]。日本已有采用R32制冷劑的房間空調(diào)器，走在了世界的前列[7]。我國的一些學(xué)者也對(duì)R32在空調(diào)器中的應(yīng)用進(jìn)行了理論分析和性能測(cè)試[5-11]，證明了R32在常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中替代R22和R410的可行性。然而，由于R32具有可燃性，在ASHRAE 34—2010[12]中被定為“A2L”類制冷劑，即低可燃無毒性制冷劑，可燃下限為14.4%。目前對(duì)可燃制冷劑R32應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)泄漏的研究主要有理論分析、數(shù)值模擬[13-16]以及儲(chǔ)罐和軟管等靜態(tài)模式泄漏的實(shí)驗(yàn)研究[17]，但危險(xiǎn)性最高的泄漏多發(fā)生在實(shí)際應(yīng)用過程中。因此，本文對(duì)R32在空調(diào)運(yùn)行時(shí)發(fā)生泄漏和擴(kuò)散的濃度分布狀況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，尋找泄漏速度和制冷劑在室內(nèi)的擴(kuò)散規(guī)律，為R32的安全使用提供基礎(chǔ)性依據(jù)。

1 可燃性制冷劑實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)介

本實(shí)驗(yàn)以住宅建筑的單個(gè)房間為參考，采用住宅建筑中廣泛使用的分體式空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。圖1所示為可燃性制冷劑實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室的尺寸為3.9 m×2.9 m×2.75 m。

A實(shí)驗(yàn)小室 B 空調(diào)室內(nèi)機(jī) C泄漏口D R32濃度探測(cè)器 E “Z”字型支架 F 空調(diào)室外機(jī)G 電子秤 H 聯(lián)接管路圖1 實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)圖(單位：mm)Fig.1 The structure of the laboratory(unit:mm)

實(shí)驗(yàn)一共布置了10個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)上設(shè)有R32濃度探測(cè)器。在實(shí)驗(yàn)室的鉛直方向上設(shè)置三個(gè)面，分別為Z=0.2 m(接近地面的位置)，Z=1 m(中間高度位置)和Z=1.8 m(接近泄漏口的位置)；在長度方向每隔1.2 m等距排列；在寬度方向上布置三排，即Y=0.23 m(泄漏方向)、Y=0.58 m(空調(diào)器出風(fēng)口正對(duì)方向)和Y=2.08 m(靠近門口的位置)。為了便于觀察，其中兩面墻為玻璃結(jié)構(gòu)，用玻璃膠和泡沫填充劑對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行密封，如圖2所示。室內(nèi)機(jī)安裝在東墻上，距北墻和地面的距離分別為0.19 m，2.20 m。實(shí)驗(yàn)所用分體式空調(diào)根據(jù)實(shí)驗(yàn)房間負(fù)荷計(jì)算進(jìn)行選型，R32的充注量根據(jù)產(chǎn)品名牌上所標(biāo)注的制冷劑的量進(jìn)行充注，滿足可燃性制冷劑R32作為家用空調(diào)制冷劑的要求[13]。排風(fēng)扇安裝在東墻門的上方，與北墻和地面的距離分別為2.08 m，2.20 m，風(fēng)量為18 m3/h，其他實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備見表1。

圖2 可燃性制冷劑實(shí)驗(yàn)室Fig.2 The flammable refrigerant laboratory

表1 測(cè)量?jī)x器性能參數(shù)Tab. 1 Performance parameters of the measuring instruments

2 實(shí)驗(yàn)方法和內(nèi)容

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)中使用“Z”字型支架來支撐空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)，將“Z”字型支架放置在電子臺(tái)秤上，通過對(duì)電子臺(tái)秤的讀數(shù)得到制冷劑的泄漏量。實(shí)驗(yàn)時(shí)在蒸發(fā)器入口管和蒸發(fā)器出口管分別連接與制冷劑管同直徑的三通加調(diào)節(jié)閥，分出支管伸入室內(nèi)作為蒸發(fā)器入口和蒸發(fā)器出口的泄漏口。泄漏口放置在室內(nèi)空調(diào)器下部的中間位置，用調(diào)節(jié)閥控制泄漏速度。將R32濃度探測(cè)器放置在測(cè)點(diǎn)位置，與數(shù)據(jù)采集器相連記錄各測(cè)點(diǎn)的逐時(shí)濃度值。實(shí)驗(yàn)過程設(shè)置為：開啟空調(diào)運(yùn)行30 min，待室內(nèi)流場(chǎng)穩(wěn)定后打開泄漏閥門至指定位置，制冷劑泄漏100 min后關(guān)閉空調(diào)，使之自由擴(kuò)散2 h，然后打開排風(fēng)扇觀察排風(fēng)作用對(duì)室內(nèi)濃度分布的影響。

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

通常情況下，制冷劑泄漏高發(fā)區(qū)域?yàn)檎舭l(fā)器入口管和出口管與蒸發(fā)器的焊接處[18]，而且與空調(diào)關(guān)閉相比，空調(diào)工作時(shí)的泄漏更不容易被察覺。蒸發(fā)器出口管為回氣管，壓力較低，實(shí)測(cè)管徑約5 mm。若制冷劑由蒸發(fā)器出口管泄漏，則管內(nèi)低溫低壓的R32氣體將以高濃度迅速進(jìn)入大氣空間，泄漏速度較大。蒸發(fā)器入口管為供液管，管內(nèi)壓力較高，管徑約4 mm。若制冷劑由蒸發(fā)器入口管泄漏，則管內(nèi)低溫高壓的R32液體會(huì)在大氣壓下吸熱發(fā)生相變，成為氣體后進(jìn)行擴(kuò)散。由于相變過程中消耗了大量的動(dòng)能，所以液相泄漏的危險(xiǎn)性要低于氣相泄漏的危險(xiǎn)性。

本文研究了空調(diào)運(yùn)行時(shí)，蒸發(fā)器出口和入口制冷劑R32的泄漏速度和室內(nèi)濃度的分布特性。根據(jù)蒸發(fā)器出口和入口管閥門的開度，泄漏速度分為大流量泄漏(調(diào)節(jié)閥1/8開度)和小流量泄漏(調(diào)節(jié)閥1/16開度)。泄漏口為圓形，泄漏口直徑與相應(yīng)空調(diào)室外機(jī)和室內(nèi)機(jī)聯(lián)接管的直徑相同。蒸發(fā)器出口泄漏口直徑約5 mm，蒸發(fā)器入口泄漏口直徑約4 mm。

通過前期實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，空調(diào)低速送風(fēng)時(shí)，對(duì)室內(nèi)R32濃度影響較小，室內(nèi)測(cè)點(diǎn)可燃濃度持續(xù)時(shí)間較長。所以，為了盡量減少外界因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，空調(diào)器工作狀態(tài)設(shè)置為：空調(diào)運(yùn)行為制冷模式(室內(nèi)設(shè)定溫度為26 ℃)時(shí)，低速送風(fēng)，百葉角開度為中度。實(shí)測(cè)送風(fēng)速度為3.8 m/s，百葉角開度為34°，具體實(shí)驗(yàn)工況如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)工況Tab.2 The experimental condition

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 制冷劑R32泄漏量的變化

由蒸發(fā)器入口、蒸發(fā)器出口大流量泄漏和小流量泄漏狀態(tài)的泄漏(圖3)可知，忽略實(shí)驗(yàn)開始時(shí)充注制冷劑量的差異(制冷劑充注量保持在780±70 g)，泄漏開始25 min后，各實(shí)驗(yàn)工況至少泄漏了空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)80%的制冷劑。對(duì)比空調(diào)運(yùn)行時(shí)大流量泄漏和小流量泄漏曲線，可以看出不論是大流量泄漏還是小流量泄漏，都可以將其過程分為兩個(gè)階段：第一個(gè)階段是快速泄漏階段，該階段的特點(diǎn)是蒸發(fā)器內(nèi)外壓力差較大，制冷劑的量比較充足，泄漏速度快，時(shí)間短；第二個(gè)階段是低速泄漏階段，該階段開始時(shí)蒸發(fā)器內(nèi)外壓力差較小，制冷劑量少，所以該階段的泄漏量少，泄漏速度緩慢，用時(shí)長。

對(duì)比蒸發(fā)器出口和蒸發(fā)器入口泄漏圖3和表3可知，泄漏曲線下降的趨勢(shì)相同，在泄漏初期大流量泄漏的兩條曲線甚至重合。而小流量泄漏時(shí)，相較于蒸發(fā)器入口泄漏，蒸發(fā)器出口泄漏速度較慢，整個(gè)泄漏過程更加均勻。

表3 蒸發(fā)器出口和蒸發(fā)器入口泄漏結(jié)果Tab.3 The leakage results of evaporator outlet and inlet

3.2 最大濃度值分析

實(shí)驗(yàn)過程分為三個(gè)階段：泄漏擴(kuò)散階段即空調(diào)運(yùn)行的時(shí)段(0～100 min)，自由擴(kuò)散階段(100～220 min)和排風(fēng)階段(220～260 min)，總時(shí)長為260 min。選取各實(shí)驗(yàn)工況濃度最大值進(jìn)行分析。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，蒸發(fā)器出口的泄漏最大濃度值出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)4，蒸發(fā)器入口泄漏最大濃度值出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)6，濃度變化如圖4所示。只有在蒸發(fā)器出口大流量泄漏時(shí)泄漏口附近測(cè)點(diǎn)4的位置最大濃度值為16.79%，超過了R32的可燃下限14.4%。測(cè)點(diǎn)4處于可燃范圍的時(shí)間段為76～98 s，持續(xù)了22 s。如果在該時(shí)間內(nèi)測(cè)點(diǎn)4處滿足點(diǎn)火所需的全部條件：濃度在可燃范圍內(nèi)、有一定的混合空間和反應(yīng)空間、溫度升高到一定值或者遇到點(diǎn)火源，則會(huì)出現(xiàn)著火現(xiàn)象[19]。其它實(shí)驗(yàn)工況各測(cè)點(diǎn)的最大濃度值均在3.8%以內(nèi)，遠(yuǎn)小于R32的可燃下限，比較安全。與蒸發(fā)器出口泄漏對(duì)比可知，蒸發(fā)器入口泄漏較為安全，出現(xiàn)最大濃度值的時(shí)間要延遲。

圖3 泄漏速度變化曲線圖Fig.3 The leakage variation

圖4 最大濃度值比較Fig.4 The comparison of maximum concentration

對(duì)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，蒸發(fā)器出口的泄漏為氣態(tài)泄漏，大流量泄漏的快速泄漏階段，氣態(tài)的R32在蒸發(fā)器內(nèi)外壓力差作用下迅速由泄漏口噴出，泄漏速度較大，各測(cè)點(diǎn)濃度值快速升高，并且在泄漏口附近的測(cè)點(diǎn)4的位置集聚，超過了可燃下限。而小流量泄漏因?yàn)樾孤┑闹评鋭┝可?，泄漏速度較慢，所以濃度值最大的測(cè)點(diǎn)未達(dá)到可燃下限；蒸發(fā)器入口泄漏，在實(shí)驗(yàn)中可以觀察到呈霧狀的制冷劑液滴噴射進(jìn)入實(shí)驗(yàn)小室內(nèi)，如圖5所示，一部分液滴由泄漏口滴落到地面再蒸發(fā)，還有一部分R32濕蒸氣發(fā)生相變，成為氣體后再向室內(nèi)擴(kuò)散。相變過程中消耗了大量的動(dòng)能，不會(huì)在泄漏口附近大量集聚。所以盡管測(cè)點(diǎn)6正對(duì)著蒸發(fā)器入口管的泄漏口，蒸發(fā)器入口大流量和小流量泄漏最大濃度值均未達(dá)到R32的可燃下限，相對(duì)較為安全。

圖5 蒸發(fā)器入口泄漏狀態(tài)Fig.5 The leakage of evaporator inlet

3.3 室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)濃度分布的變化

室內(nèi)除濃度最大值測(cè)點(diǎn)之外的各測(cè)點(diǎn)濃度變化如圖6～圖9所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果知空調(diào)關(guān)閉后，相同時(shí)刻濃度最大值測(cè)點(diǎn)濃度值與其他各測(cè)點(diǎn)濃度值相差不大。為了方便觀察各測(cè)點(diǎn)的濃度曲線，濃度最大值測(cè)點(diǎn)的曲線不再顯示。

圖6 蒸發(fā)器出口大流量泄漏各測(cè)點(diǎn)濃度變化規(guī)律Fig.6 The concentration variation of large leakage flow of the evaporator outlet

圖7 蒸發(fā)器出口小流量泄漏各測(cè)點(diǎn)濃度變化規(guī)律Fig.7 The concentration variation of small leakage flow of the evaporator outlet

圖8 蒸發(fā)器入口大流量泄漏各測(cè)點(diǎn)濃度變化規(guī)律Fig.8 The concentration variation of large leakage flow of the evaporator inlet

圖9 蒸發(fā)器入口小流量泄漏各測(cè)點(diǎn)濃度變化規(guī)律Fig.9 The concentration variation of small leakage flow of the evaporator inlet

由室內(nèi)測(cè)點(diǎn)濃度分布曲線圖6～圖9可知，各測(cè)點(diǎn)的濃度變化趨勢(shì)相同：在快速泄漏階段，各測(cè)點(diǎn)濃度值快速升高，達(dá)到峰值后開始降低；相同泄漏位置小流量泄漏時(shí)出現(xiàn)濃度峰值的時(shí)間要比大流量泄漏延遲；相同的泄漏速度，蒸發(fā)器出口泄漏時(shí)出現(xiàn)濃度峰值的時(shí)間要比蒸發(fā)器入口泄漏延遲；100 min后關(guān)閉空調(diào)進(jìn)入自由擴(kuò)散階段，各測(cè)點(diǎn)的濃度值仍呈下降趨勢(shì)，但下降速度十分緩慢。自由擴(kuò)散2 h后各測(cè)點(diǎn)濃度值降低到1%以內(nèi)；在排風(fēng)階段，打開排風(fēng)扇1 min左右各測(cè)點(diǎn)的濃度值迅速下降，7 min的時(shí)候各測(cè)點(diǎn)濃度降低了約70%，最后濃度接近于0。

對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行分析：快速泄漏階段，蒸發(fā)器內(nèi)外壓力差較大，制冷劑的量比較充足，管內(nèi)處于低壓狀態(tài)的R32蒸氣將以高濃度迅速進(jìn)入室內(nèi)空間，各測(cè)點(diǎn)的濃度值快速升高達(dá)到峰值；隨后壓力差減小，R32在重力和空調(diào)送風(fēng)的作用下向周圍擴(kuò)散，各測(cè)點(diǎn)的濃度值開始下降；100 min后關(guān)閉空調(diào)，此時(shí)，蒸發(fā)器內(nèi)外壓力達(dá)到平衡，制冷劑泄漏早已完成，室內(nèi)的R32在重力的作用下繼續(xù)向周圍擴(kuò)散，各測(cè)點(diǎn)的濃度值仍呈下降趨勢(shì)，但下降速度遠(yuǎn)小于空調(diào)運(yùn)行時(shí)的下降速度。相同的泄漏位置，小流量泄漏速度慢，泄漏持續(xù)的時(shí)間長，所以達(dá)到濃度峰值的時(shí)間比大流量泄漏延遲。相同的泄漏速度，因?yàn)檎舭l(fā)器出口和蒸發(fā)器入口泄漏狀態(tài)不同，泄漏時(shí)出現(xiàn)濃度峰值的時(shí)間也不相同。排風(fēng)作用對(duì)各測(cè)點(diǎn)的濃度值下降影響非常強(qiáng)烈，室內(nèi)R32的濃度衰減效果顯著。

3.4 垂直于泄漏口Y=0.23 m平面濃度分析

選取蒸發(fā)器出口大流量泄漏Y=0.23 m平面濃度分布進(jìn)行分析，如圖10所示，時(shí)間點(diǎn)分別定為測(cè)點(diǎn)濃度峰值、空調(diào)關(guān)閉和排風(fēng)扇運(yùn)行時(shí)刻。從圖中可以看出，在空調(diào)處于工作狀態(tài)時(shí)，如圖10(a)和(b)所示，除了來自泄漏管內(nèi)的壓力外，送風(fēng)作用也對(duì)室內(nèi)的濃度分布產(chǎn)生影響，使得室內(nèi)空氣發(fā)生擾動(dòng)。伴隨著冷空氣下沉，熱空氣上升，在測(cè)點(diǎn)5處形成了一個(gè)渦流區(qū)，故測(cè)點(diǎn)5處的濃度值最大。同樣，測(cè)點(diǎn)2位于送風(fēng)口下方，該區(qū)域處于送風(fēng)死區(qū)，但由于室內(nèi)空氣存在密度差，導(dǎo)致在該區(qū)域同樣形成了一個(gè)渦流區(qū)，帶動(dòng)原本處于室內(nèi)機(jī)下方的空氣運(yùn)動(dòng)，故此處濃度值最低。室內(nèi)R32自由擴(kuò)散2 h后，打開排風(fēng)扇，如圖10中的(c)所示，室內(nèi)的濃度分布主要受重力的影響，R32在向室內(nèi)機(jī)對(duì)面墻壁方向擴(kuò)散的同時(shí)向下沉降，所以測(cè)點(diǎn)9附近的濃度最大；由于R32的密度大于空氣，且室內(nèi)機(jī)稍下方測(cè)點(diǎn)6附近存在空隙，測(cè)點(diǎn)6附近濃度較低。

圖10 蒸發(fā)器出口大流量泄漏濃度等值線圖Fig.10 The concentration isoline of large leakage flow of the evaporator outlet

圖11 蒸發(fā)器入口大流量泄漏濃度等值線圖Fig.11 The concentration isoline of large leakage flow of the evaporator inlet

蒸發(fā)器入口大流量泄漏平面Y=0.23 m等值線分布如圖11所示。泄漏初期，液態(tài)制冷劑發(fā)生相變，動(dòng)能減小，在空調(diào)送風(fēng)和后繼而來制冷劑壓力的作用下，在測(cè)點(diǎn)6左上方發(fā)生短暫集聚，在濃度峰值時(shí)刻形成一個(gè)濃度值較大的渦流區(qū)?？照{(diào)器關(guān)閉之前，泄漏已經(jīng)完成，送風(fēng)作用是影響室內(nèi)濃度分布的主要因素，R32制冷劑沿著送風(fēng)方向進(jìn)行擴(kuò)散，故空調(diào)關(guān)閉時(shí)刻測(cè)點(diǎn)5處的濃度值最大；而測(cè)點(diǎn)2位于送風(fēng)口下方，該區(qū)域由于送風(fēng)的作用形成了一個(gè)渦流區(qū)，帶動(dòng)原本處于室內(nèi)機(jī)下方的空氣運(yùn)動(dòng)，故此處濃度值最低。打開排風(fēng)扇時(shí)，該等值線平面圖延續(xù)空調(diào)器關(guān)閉時(shí)的濃度分布，在重力和擴(kuò)散作用下濃度值出現(xiàn)一定程度的降低。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，蒸發(fā)器出口和入口小流量泄漏與相應(yīng)大流量泄漏相比，在濃度峰值、空調(diào)關(guān)閉和排風(fēng)扇運(yùn)行時(shí)刻渦流區(qū)出現(xiàn)的位置相同，但小流量泄漏狀態(tài)下各測(cè)點(diǎn)最大值和整體濃度值要低，同時(shí)小流量泄漏時(shí)出現(xiàn)濃度峰值的時(shí)間比大流量泄漏延遲。

4 結(jié)論

1)空調(diào)運(yùn)行過程中制冷劑發(fā)生泄漏時(shí)，不論是蒸發(fā)器出口泄漏，還是蒸發(fā)器入口泄漏，泄漏過程均可以分為兩個(gè)階段：快速泄漏階段和低速泄漏階段。

2)各實(shí)驗(yàn)工況中只有蒸發(fā)器出口處大流量泄漏時(shí)，室內(nèi)泄漏口附近測(cè)點(diǎn)4的最大濃度值16.79%超過可燃下限(14.4%)，超過了16.6%，可燃濃度持續(xù)了22 s。其它實(shí)驗(yàn)工況各測(cè)點(diǎn)濃度最大值均在3.8%以內(nèi)，遠(yuǎn)小于R32的可燃下限。因此，空調(diào)室內(nèi)機(jī)蒸發(fā)器處發(fā)生R32泄漏時(shí)，僅在室內(nèi)機(jī)附近區(qū)域存在著火的可能性，但概率較低。

3)空調(diào)運(yùn)行時(shí)，蒸發(fā)器出口泄漏比蒸發(fā)器入口泄漏危險(xiǎn)性高；相同的泄漏位置，小流量泄漏時(shí)出現(xiàn)濃度峰值的時(shí)間要比大流量泄漏延遲；相同的泄漏速度，蒸發(fā)器出口泄漏時(shí)出現(xiàn)濃度峰值的時(shí)間要比蒸發(fā)器入口泄漏延遲。

4)室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)濃度變化趨勢(shì)相同：在泄漏擴(kuò)散階段各測(cè)點(diǎn)濃度快速升高，達(dá)到峰值后開始降低，總體濃度較高；自由擴(kuò)散階段室內(nèi)濃度逐漸趨于一致，均小于1%；開啟排風(fēng)扇7 min各測(cè)點(diǎn)濃度降低了約70%，最后濃度接近于0，排風(fēng)作用可有效降低室內(nèi)R32的濃度。

5)空調(diào)運(yùn)行時(shí)，室內(nèi)R32濃度分布主要受送風(fēng)作用影響，在室內(nèi)送風(fēng)主流區(qū)形成渦流，制冷劑濃度較高；空調(diào)關(guān)閉后，R32在室內(nèi)自由擴(kuò)散，濃度逐漸降低趨于一致，表現(xiàn)出明顯的沉降性。

[1] Zhang Wang, Yang Zhao, Li Jin, et al. Research on theammability hazards of an air conditioner using refrigerant R-290[J]. International Journal of Refrigeration, 2013, 36(5): 1483-1494.

[2] 馬一太，王偉. 制冷劑的替代與延續(xù)技術(shù)[J].制冷學(xué)報(bào)，2010, 31(5): 11-17. (Ma Yitai, Wang Wei. Substitution and postponable technology of refrigerants[J]. Journal of Refrigeration, 2010, 31(5): 11-17.)

[3] 李連生. 制冷劑替代技術(shù)研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)[J].制冷學(xué)報(bào), 2011, 32(6): 53-58. (Li Liansheng. Research progress on alternative refrigerants and their development trend[J]. Journal of Refrigeration, 2011, 32(6): 53-58.)

[4] 楊昭, 吳曦, 尹海蛟, 等. 低溫室效應(yīng)HCFCs替代物性能分析[J]. 制冷學(xué)報(bào)，2011，32(1)：1-6. (Yang Zhao, Wu Xi, Yin Haijiao, et al. Analysis on alternatives for HCFCs with low greenhouse effect[J]. Journal of Refrigeration, 2011, 32(1): 1-6.)

[5] 史琳，朱明善.家用/商用空調(diào)用R32替代R22的再分析[J].制冷學(xué)報(bào)，2010，31(1)：1-5. (Shi Lin, Zhu Mingshan. Re-analysis on using R32 to substitute for R22 in household/commercial air-conditioning[J]. Journal of Refrigeration, 2010, 31(1): 1-5.)

[6] 楊申音, 王勤, 唐黎明, 等. 常規(guī)空調(diào)熱泵系統(tǒng)的R32替代研究述評(píng)[J]. 制冷學(xué)報(bào), 2013, 34(6): 59-68. (Yang Shenyin, Wang Qin, Tang Liming, et al. Review of the application of R32 on air conditioners and heat pump systems[J]. Journal of Refrigeration, 2013, 34(6): 59-68.)

[7] 王成，譚建明，宋培剛，等. R32與R410A在空調(diào)工況下的性能比較[J].制冷與空調(diào)(北京)，2010，10(Suppl.)：156-158. (Wang Cheng, Tan Jianming, Song Peigang, et al. Performance comparison between R32 and R410A under air-conditioning condition[J]. Refrigeration and Air-conditioning, 2010, 10(Suppl.):156-158.)

[8] 張素珍.低GWP值制冷劑在房間空調(diào)器中的應(yīng)用研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2012.

[9] 謝翔，許鵬. R32在家用空調(diào)器中的應(yīng)用研究[J].制冷與空調(diào)(北京)，2012，12(6)：58-60. (Xie Xiang, Xu Peng. Application research on R32 into residential air conditioner[J]. Refrigeration and Air-conditioning, 2012, 12(6): 58-60.)

[10] 莊嶸，涂小萍，梁祥飛.R32在家用空調(diào)器中的應(yīng)用研究[J]. 制冷與空調(diào)(北京)，2013，13(5)：35-39. (Zhuang Rong, Tu Xiaoping, Liang Xiangfei. Application study on R32 residential air conditioner[J]. Refrigeration and Air-conditioning, 2013, 13(5): 35-39.)

[11] 周子成. R32制冷劑[J]. 制冷， 2014，33(2)：37-44. (Zhou Zicheng. R32 refrigerant[J]. Refrigeration, 2014, 33(2): 37-44.)

[12] ANSI/ASHRAE Standard 34——2010. Designation and safety classification of refrigerants[S]. Atlanta: ASHRAE, 2010: 16-32.

[13] 田貫三，楊昭，劉萬福，等.可燃制冷劑泄漏及爆炸危害評(píng)價(jià)的研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2001，1(6)：39-43. (Tian Guansan, Yang Zhao, Liu Wanfu, et al. An analysis and assessment on the explosive hazards of leakage flammable refrigerants[J]. Journal of Safety and Environment, 2001, 1(6):39-43.)

[14] 王小明.可燃制冷劑燃爆特性的理論及實(shí)驗(yàn)研究[D]. 天津: 天津大學(xué), 2012.

[15] 劉全義, 張輝, 劉奕, 等. 建筑物空調(diào)系統(tǒng)可燃制冷劑泄漏濃度場(chǎng)分布[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2013, 53(9): 1326-1333. (Liu Quanyi, Zhang Hui, Liu Yi, et al. Concentration distribution of leaking flammable refrigerants from building air-conditioning systems[J]. Journal of Tsinghua University (Science and Technology), 2013, 53(9): 1326-1333.)

[16] 徐帥帥，鐘茂華，史聰靈，等. HFC-32制冷劑泄漏危險(xiǎn)性分析[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2014，10(4)：69-73. (Xu Shuaishuai, Zhong Maohua, Shi Congling, et al. Analysis on risks by leakage of HFC-32 refrigerant[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2014, 10(4): 69-73.)

[17] 李雨農(nóng). 二氟甲烷制冷劑泄漏及著火特性的模擬和實(shí)驗(yàn)研究[D]. 合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2012.

[18] Li Tingxun. Indoor leakage test for safety of R-290 split type room air conditioner[J]. International Journal of Refrigeration, 2014, 40:380-389.

[19] 田貫三.可燃制冷劑爆炸理論與燃燒爆炸抑制機(jī)理的研究[D]. 天津：天津大學(xué)，2000.

About the corresponding author

Jin Wufeng, male, Ph.D., associate professor, Tianjin Key Laboratory of Refrigeration, Institute of Mechanical Engineering, Tianjin University of Commerce,+86 13802186472, E-mail: kob@tjcu.edu.cn. Research fields: energy-saving and optimization of HVAC system.

Experimental Study on the Leakage and Diffusion Performance of FlammableRefrigerant R32 in Split-type Air-conditioner

Jin Wufeng1Zhang Ningning1Zhang Yan2Bai Xiansan3

(1. Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology, Tianjin Refrigeration Technology Engineering Center, Refrigeration Engineering Research Center of Ministry of Education of the People’s Republic of China, Tianjin University of commerce, Tianjin, 300134，China; 2. Tsinghua Tong Heng Planning Design and Research Institute Co., Ltd., Beijing, 100085, China; 3. LG Electronics (Tianjin) Electric Appliance Company, Tianjin, 300400,China)

R32 is a potential alternative refrigerant for its environmental protection capability and thermal performance. But the slight flammability limits its application. Therefore, safety analysis is needed. This paper studied the influence of different leakage locations and rates on the indoor R32 distribution with air conditioner operating, and obtained the R32 leakage and diffusion characteristics. It showed that the leakage at the evaporator of indoor unit can be divided into two processes, fast leakage stage and slow. Outlet leakage of the evaporator is more dangerous than the inlet. And only large leakage flow in evaporator outlet can cause high R32 concentration near the indoor unit,reaching 16.79%, which exceeds the lower flammable limit (14.4%) 16.6%. If flammable concentration exists for 22 s, the fire probability exists but it's low. Air exhausting can decrease the concentration of indoor R32 effectively.

refrigerant; leakage; split-type air-conditioner; evaporator; R32

2015年3月9日

0253- 4339(2015) 06- 0010- 07

10.3969/j.issn.0253- 4339.2015.06.010

TB64;TM925.12；TB664

A

金梧鳳，男，博士，副教授，天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津商業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，13802186472，E-mail: kob@tjcu.edu.cn。研究方向：暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能及優(yōu)化。