可燃冷媒制冷器具實驗室防爆系統(tǒng)的設(shè)計與模擬

許治勇，李瑛，胡永攀

（上海理工大學(xué)，上海 200093）

1 前言

隨著氟利昂對環(huán)境破壞的增大，為適應(yīng)發(fā)展的新型制冷劑向著自然介質(zhì)轉(zhuǎn)變。EricGranryd和Pelletior提出利用丙烷（R290）代替R22 使用在家用熱泵空調(diào)器中使壓力降低了大約40%～50%。同樣無可避免的R290的使用也是一路坎坷，在替代R22方面有多方優(yōu)勢［1-3］。但其唯一不足的是可燃性極大地限制了它的使用［4］。因此對以R290為首的可燃制冷劑的制冷器具器的防爆設(shè)計也變得意義非凡。國內(nèi)外學(xué)者對此作了很多研究工作。大連理工大學(xué)通過對已有擴散模型進行了研究分析，從氣體動力學(xué)入手，采用平板模型并在風(fēng)洞試驗的基礎(chǔ)上對可燃及毒性氣體的擴散過程進行了研究［5］。Montiel、Jo等人在研究氣體管網(wǎng)泄漏危害后果的過程中，提出了氣體泄漏的小孔模型、管道模型和大孔模型［6-7］，得到了較好的泄漏率計算結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，楊昭等人研究了氣體動態(tài)泄漏的擴散危害分析［8］。而梁瑞等利用噴射火和蒸氣云爆炸模型對可燃氣體泄漏后發(fā)生火災(zāi)爆炸后果及其評價模型進行了研究［9］。

可燃冷媒制冷器具實驗室被廣泛用來檢測可燃制冷劑的各種性能，把制冷器具實驗室室內(nèi)機與制冷系統(tǒng)仿真技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合，運用到實驗室設(shè)計中具有很大的意義。而可燃冷媒器具實驗室的另一個關(guān)鍵設(shè)計在于它的安全系統(tǒng)，因為它測試的是以可燃制冷劑為制冷媒介的制冷電器。本文采用Fluent數(shù)值模擬方法，分析實驗室和房間內(nèi)的平均濃度降低速度、局部濃度分布和速度場分布3個角度對比2種方案的效果狀況，通過類似的模擬對比，選擇符合緊急排風(fēng)口和進風(fēng)口最佳的風(fēng)口大小及位置；最佳的進出風(fēng)風(fēng)速。

2 防爆系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 防爆系統(tǒng)的作用

當(dāng)測試可燃冷媒制冷器具時，如果發(fā)生可燃氣體的泄露，需要盡快檢測到泄露情況，如若發(fā)生泄露，需要立即進行排風(fēng)，保證實驗室房間內(nèi)的可燃冷媒氣體濃度在安全范圍內(nèi)［10］。所以防爆系統(tǒng)主要由安全報警系統(tǒng)和緊急排風(fēng)系統(tǒng)兩部分組成。

安全報警系統(tǒng)主要包括室內(nèi)外側(cè)的各濃度探頭，和各探頭對應(yīng)的濃度反饋系統(tǒng)。緊急排風(fēng)系統(tǒng)主要包括一個將實驗室房間內(nèi)的高濃度可燃冷媒抽到建筑物外的緊急防爆風(fēng)機和一個將相應(yīng)量的新風(fēng)抽入實驗室的進風(fēng)入口及其抽出實驗室的出風(fēng)口。

2.2 可燃氣體傳感器的選擇

催化型可燃氣體傳感器是通過利用催化燃燒的熱效應(yīng)原理，使檢測元件和補償元件配對構(gòu)成測量電橋，在一定溫度條件下，使得可燃氣體在催化劑的作用下在檢測元件載體表面發(fā)生無焰燃燒，載體溫度升高，通過它內(nèi)部的鉑絲電阻也同步升高，從而使平衡電橋不再平衡，輸出的電信號與可燃氣體濃度成正比。通過測量鉑絲電阻變化程度，可以得出可燃性氣體的濃度。催化型可燃氣體傳感器主要用于可燃性氣體的檢測，它的輸出信號線性好，測量指數(shù)可靠，價格便宜，并且不會與其他非可燃性氣體發(fā)生交叉感染［11］。

設(shè)計中采用催化探頭式氣體傳感器監(jiān)視周圍空氣中可燃氣體濃度在爆炸下限中從0～100%范圍內(nèi)的變化。該傳感技術(shù)是催化燃燒型，由成對的探頭組成，探頭可在現(xiàn)場更換。催化探頭對于種類繁多的可燃性氣體有敏銳的反應(yīng)。該技術(shù)對于可燃性氣體普遍適用性，可用于對幾種特定可燃性氣體的探測和監(jiān)視。催化燃燒探頭式傳感器技術(shù)上采用可燃性氣體探測技術(shù)，無論對于有機氣體還是無機氣體。它的使用范圍廣，被譽為”不挑剔的傳感器”，對于烷烴類及非烷烴類可燃氣體均有較好的反應(yīng)。傳感器經(jīng)特殊設(shè)計有防毒氣功能，能在多數(shù)工業(yè)環(huán)境中可靠工作五到十年。在安裝維護中，它的靈活性和低成本使它更容易被廣泛認可。因此，本試驗采用催化型可燃氣體傳感器。

2.3 安全報警系統(tǒng)的設(shè)計

安全報警系統(tǒng)是通過檢測室內(nèi)、室外兩側(cè)可燃氣體濃度，控制排風(fēng)系統(tǒng)和進風(fēng)系統(tǒng)，從而保證實驗室的安全性。并設(shè)計2個檔位，分別代表濃度探頭探測到的不同濃度值。

第1檔濃度設(shè)定為爆炸極限濃度下限的10%，當(dāng)檢測到室內(nèi)側(cè)或室外側(cè)濃度達到爆炸極限濃度下限的10%后，安全報警系統(tǒng)啟動，發(fā)出聲光報警，開啟啟動進風(fēng)和排風(fēng)風(fēng)門、防爆排氣風(fēng)扇，同時切斷被測機電源，并且開始監(jiān)視濃度報警信號，如果在設(shè)定的時間內(nèi)報警信號沒有消除，則切斷全部電源。

第2檔濃度設(shè)定為爆炸極限濃度下限的25%，當(dāng)檢測到室內(nèi)側(cè)或室外側(cè)濃度達到爆炸極限濃度下限的25%后，直接發(fā)出聲光報警，切斷全部電源并且保留防爆排氣風(fēng)扇運行。同時需要帶氣動風(fēng)門壓縮空氣的低壓報警。

由于進風(fēng)、排風(fēng)的風(fēng)門通過電控氣動裝置執(zhí)行開閉，故壓縮空氣源異常時會引起防爆排風(fēng)裝置失靈。因此平時只要設(shè)備開啟，保護裝置會連續(xù)監(jiān)視壓縮空氣的壓力，異常時會發(fā)出聲光報警信號，提醒操作人員排除氣源故障帶氣動風(fēng)門壓縮空氣的低壓報警。

3 緊急排風(fēng)系統(tǒng)的Fluent模擬設(shè)計

3.1 排風(fēng)口和進風(fēng)口的模擬

為了降低室內(nèi)、室外側(cè)可燃冷媒平均濃度，并避免實驗室局部濃度過高，需要合理的設(shè)計防爆性能實驗室緊急排風(fēng)系統(tǒng)（包括進風(fēng)口和排風(fēng)口的設(shè)計）。在實驗室搭建前，通過模擬排風(fēng)口和進風(fēng)口的位置，得到實驗室內(nèi)的速度場和濃度場，以確定緊急排風(fēng)系統(tǒng)的最佳設(shè)計方案。

由于室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)的風(fēng)口一致性，以模擬室外側(cè)進風(fēng)口和緊急排風(fēng)口的位置為例，采用可燃制冷劑R32為工質(zhì)模擬選擇合適的設(shè)計方案［12］。

實驗室尺寸：室外尺寸為7200 mm×5200 mm×3200 mm；室內(nèi)側(cè)尺寸為墻壁厚100 mm，房頂厚度300 mm。以房間里R32可燃制冷劑的濃度是76.5 g/m3（爆炸極限濃度下線的25%）為起始，其中7000 mm×2900 mm的一面墻上有一個固定的緊急出風(fēng)口。首先固定出風(fēng)口尺寸為300 mm×300 mm。為了保證室內(nèi)的壓力平衡并且盡快抽出R32，需要找到一個最佳的新風(fēng)進口，在向外抽風(fēng)的同時，有新風(fēng)進入房間；新風(fēng)進口大小也固定為300 mm×300 mm。新風(fēng)進口風(fēng)速與出風(fēng)口風(fēng)速保持一致為4 m/s。通過模擬確定哪一個是最佳的新風(fēng)進口。

3.2 模擬方案的確定

2種進風(fēng)口方案的確定：方案1進風(fēng)口選在與緊急出風(fēng)口同一面墻的斜對角對稱位置，具體位置和尺寸見圖1。方案2排風(fēng)口位置不變，進風(fēng)口位于房頂，具體位置和尺寸見圖2。

圖1 方案1進風(fēng)口位置和尺寸示意

圖2 方案2進風(fēng)口位置圖和尺寸示意

通過對比實驗室內(nèi)可燃制冷劑的濃度分布及濃度變化曲線尋找最佳進風(fēng)口位置。分別記錄運行后0.5，1，2，5 min時室外側(cè)空間1 m高度層和2 m高度層的速度場和濃度場。

3.3 模擬結(jié)果

生成網(wǎng)格并代入物質(zhì)傳輸方程后運行，得到2種方案的模擬結(jié)果。從平均濃度降低速度、局部濃度分布圖和速度場分布3個角度對比2種方案的效果。

3.3.1 平均濃度降低速度

首先對2種進風(fēng)口方案抽風(fēng)的平均濃度隨時間變化進行對比，見圖3。對比2種方案在平均濃度隨時間變化方面，從100s和300s時縱坐標(biāo)的數(shù)值可以看出，方案2的濃度降低速度更快。從平均濃度降低速度角度看，方案2更優(yōu)秀。

圖3 方案1，2的平均濃度隨時間的變化

3.3.2 局部濃度分布

對比2種方案的局部濃度分布。記錄2種方案在0.5，1，2，5 min在空間高度為1 m和2 m平面上的濃度分布。挑選具有鮮明差別的對比圖對比說明。如1 min時，室外側(cè)空間1 m平面的R32濃度分布，見圖4。

圖4 方案1，2在1 min、1 m空間濃度分布

通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，方案1的濃度分布圖中局部最高濃度分布在最左側(cè)墻壁處，最高濃度達到6.21×10-2g/m3，而方案2的濃度分布圖中最高濃度分布在左上方處，僅為5.93×10-2g/m3。方案2的局部濃度分布更均勻，效果更好。

圖5 方案1，2在1 min、2m空間濃度分布

觀察圖5可以看到，2 m空間層2種方案的局部最高濃度大致相同，都為5.60×10-2g/m3左右。

在對比了多組數(shù)據(jù)后，可以得到結(jié)論：方案1在實驗室的中上層空間濃度分布現(xiàn)象和方案2相差不多；而在實驗室下層空間里的濃度分布，存在很多局部濃度過高現(xiàn)象。綜合考慮，方案2在局部濃度分布均勻性方面更好。

3.3.3 速度場分布

減少流動死角可以更好地避免局部濃度過高的現(xiàn)象，因此對2種方案的速度場中的流動死角進行對比分析。記錄2種方案在0.5，1，2，5 min在空間高度為1 m和2 m平面上的速度場，結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看到，方案1在2 m高度空間中間部分的速度場幾乎為0。通過對比明顯可以看出方案2速度場的不流動區(qū)域更少。

圖6 方案1，2在1 min、2 m空間的速度場

從圖7同樣可以看到，方案2在速度場的分布方面遠遠優(yōu)于方案1。方案1中心區(qū)域存在較多的不流動區(qū)域。綜合對比結(jié)果，從速度場分布的角度，方案2更加優(yōu)秀。

圖7 方案1，2在5 min、1 m空間的速度場

從平均濃度隨時間變化、局部濃度分布和速度場分布情況3個角度的對比結(jié)果來看，方案2比方案1優(yōu)秀。所以在進風(fēng)口位置的選擇上，最終選擇方案2，將進風(fēng)口設(shè)在房頂上。

通過類似的模擬對比，選擇符合緊急排風(fēng)口和進風(fēng)口的最佳風(fēng)口尺寸和最佳的進、出風(fēng)風(fēng)速。經(jīng)過模擬和對比，最后在滿足相應(yīng)國標(biāo)對換風(fēng)次數(shù)的要求下，選擇400 mm×400 mm的進出風(fēng)口大小和2.25 m/s的進出口風(fēng)速。

4 結(jié)語

本文針對可燃冷媒制冷器具測試實驗室，設(shè)計了可燃冷媒制冷器具測試實驗室安全報警系統(tǒng)和緊急排風(fēng)系統(tǒng)，并通過Fluent模擬對緊急排風(fēng)系統(tǒng)中不同排風(fēng)口、進風(fēng)口位置下的實驗室內(nèi)可燃制冷劑的濃度分布及濃度變化，確定了緊急排風(fēng)系統(tǒng)的最佳設(shè)計方案使可燃冷媒制冷器具測試實驗室的安全得到最大程度的保護。

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