R32 制冷劑泄漏速度對室內(nèi)可燃風(fēng)險的影響研究

楊清泉 袁小勇 金梧鳳

（1.天津商業(yè)大學(xué) 天津 300400 2.天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300400）

引言

在2007年的19屆大會的《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾協(xié)定書》上，加速了淘汰有關(guān)HCFCs制冷劑的進(jìn)程，于是逐漸出現(xiàn)了新型制冷劑二氟甲烷（R32）[1]，R32制冷劑因其ODP為0，GWP較低和良好的熱工特性，在19年的基加利修正案上被定義為過渡性替代制冷劑而被長時間使用[2]，但R32屬于A2L類制冷劑，具有可燃性，在其使用和運(yùn)輸過程中可能發(fā)生泄漏和燃燒爆炸事故，所以研究該制冷劑的泄漏、擴(kuò)散特性，并對其進(jìn)行安全性評價是非常必要的[3]。

目前，很多國內(nèi)外學(xué)者在有關(guān)可燃性制冷劑R32的研究主要分成數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究兩個方向。數(shù)值模擬方面，楊昭等[4]針對高斯模型不能計算有限時間擴(kuò)散的缺陷，研究了儲罐系統(tǒng)泄漏時泄漏速度與時間的關(guān)系式，模擬并驗(yàn)證后得到了一個能更精確描述點(diǎn)源有限時間泄漏擴(kuò)散模型。劉全義等[6]的研究結(jié)果可知，制冷劑發(fā)生泄漏時危險區(qū)主要在1.2 m以下。

實(shí)驗(yàn)研究方面，賈利芝[5]等以送風(fēng)角度對R32擴(kuò)散規(guī)律的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，R32開始泄漏時，泄漏口附近會出現(xiàn)危險性較小，滯留時間較短的可燃區(qū)。Jin wufeng[6]等研究了R32在分離式壁掛空調(diào)的蒸發(fā)器不同位置泄漏時，得出了R32在空調(diào)運(yùn)行時的擴(kuò)散特性，同時知道了排風(fēng)對濃度衰減影響強(qiáng)烈。袁小勇等[7]將室內(nèi)R32濃度位于不可燃燒區(qū)間的時間段定義為安全時間，將R32濃度位于可燃區(qū)間時間段定義為危險時間，通過對多聯(lián)機(jī)空調(diào)內(nèi)使用R32制冷劑運(yùn)行時，不同門窗開啟度對室內(nèi)R32的濃度分布的實(shí)驗(yàn)研究，得到在門窗開啟時，危險時間將縮短至60 %以上的結(jié)論。

以上研究表明，國內(nèi)外對于R32制冷劑泄漏的研究主要集中在空間內(nèi)R32濃度分布的方向上，對于泄漏時R32濃度隨時間的變化規(guī)律及其安全性研究較少，其中并未涉及到當(dāng)R32泄漏時，對R32濃度首次達(dá)到LFL（可燃濃度下限14.4 v%）的時間進(jìn)行研究。同時之前研究所定義的安全時間包括了仍有潛在的可燃風(fēng)險的時間段（R32濃度超過UFL（可燃濃度上限31 v%）此時室內(nèi)不可燃）。為了在R32泄漏時對消防做出及時響應(yīng)，且更加全面了解R32制冷劑泄漏過程中室內(nèi)處于不可燃時間內(nèi)潛在的危險變化，搭建R32制冷劑泄漏實(shí)驗(yàn)室，通過改變制冷劑泄漏速度來研究R32制冷劑擴(kuò)散濃度變化規(guī)律，對R32制冷劑泄漏的時間區(qū)間變化規(guī)律進(jìn)行分析，并進(jìn)行安全性評價，為有效預(yù)防R32制冷劑在室內(nèi)不可燃時潛在的燃爆災(zāi)難提供了重要依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)臺和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容介紹

1.1 實(shí)驗(yàn)臺

R32空調(diào)系統(tǒng)制冷劑泄漏測試系統(tǒng)流程圖如圖1所示，可簡單分為三個部分：恒溫恒濕控制段、R32制冷劑泄漏試驗(yàn)段和溶度檢測段三部分組成。利用電熱膜對房間加熱和達(dá)到實(shí)驗(yàn)溫度后保證室內(nèi)溫度恒定，在房間中部放置兩臺加濕器來保證室內(nèi)濕度的恒定，使用軸流風(fēng)機(jī)使室內(nèi)空氣均勻分布，統(tǒng)一室內(nèi)各個位置溫濕度情況，使用針閥來調(diào)節(jié)制冷劑泄漏速度，最后用氣體濃度探測器檢測室內(nèi)R32的濃度值，實(shí)驗(yàn)中所用的設(shè)備和儀器如表1所示。

圖1 R32空調(diào)系統(tǒng)制冷劑泄漏測試系統(tǒng)流程圖

表1 實(shí)驗(yàn)儀器表

1.2 測點(diǎn)布置

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制冷劑泄漏點(diǎn)和濃度測點(diǎn)位置如圖2所示，該實(shí)驗(yàn)室的尺寸為：4.4 m×3 m×2.25 m，根據(jù)多聯(lián)機(jī)實(shí)際安裝位置確定制冷劑的泄漏位置位于天花板的中線上，泄漏方向朝下，距離最近一側(cè)墻體0.5 m，高度為2.25 m。

圖2 測點(diǎn)布置圖

根據(jù)《建筑物空調(diào)系統(tǒng)可燃制冷劑泄漏濃度場分布》可知[8]，在泄漏口的周圍制冷劑濃度比較大，制冷劑主要分布區(qū)在房間的下層，且在房間一半高度以下。所以本實(shí)驗(yàn)采用控制變量法，門窗均關(guān)閉并且室內(nèi)各個位置溫濕度基本相同的情況下，分別在距離墻壁0.5 m、1.5 m、2.5 m處設(shè)置測點(diǎn)排，每排分布九個測點(diǎn)，九個測點(diǎn)分別以三個為一組，每組的豎直高度分別是0.15 m、0.5 m、1.15 m，組內(nèi)每個測點(diǎn)距離墻分別為0.7 m、1.5 m、2.3 m、實(shí)時記錄R32制冷劑濃度變化，分別以三個平面的平均濃度進(jìn)行分析。

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.3.1 R32泄漏時間的相關(guān)定義

R32泄漏濃度變化趨勢如圖3所示，具體說明了T1至T5的具體含義。依據(jù)R32泄漏時的濃度變化規(guī)律，將R32濃度達(dá)到可燃區(qū)間的時間分成T1，T2，T3，T4。將R32濃度首次達(dá)到LFL（可燃濃度下限14.4 v%）的時間定義為安全響應(yīng)時間，以此用于代表消防的響應(yīng)時間；根據(jù)R32濃度可燃區(qū)間，將泄漏發(fā)生的時間過程劃分成危險時間和不可燃時間；依據(jù)濃度是否在UFL(可燃濃度上限31 v%)以上，又將不可燃時間細(xì)分成相對危險時間和安全時間。

圖3 R32泄漏濃度變化趨勢圖

在相對危險時間內(nèi)，R32濃度會下降至可燃區(qū)間（LFL～UFL），因此室內(nèi)有可燃風(fēng)險，而安全時間內(nèi)，R32濃度在LFL以下，室內(nèi)安全。

1.3.2 實(shí)驗(yàn)過程

在實(shí)驗(yàn)中，保持門窗關(guān)閉，在制冷劑泄漏時，保證管內(nèi)壓力不變，泄漏高度恒定為天花板處，各泄漏速度的制冷劑的泄漏總量均為3.6 kg。室內(nèi)溫濕度分別控制在25 ℃、45 %。通過濃度傳感器記錄房間內(nèi)不同平面的測點(diǎn)的濃度值。每次泄漏結(jié)束后，開啟排風(fēng)系統(tǒng)，待房間初始濃度和初始流場均恢復(fù)穩(wěn)定后，改變泄漏速度，再進(jìn)行測量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 室內(nèi)R32濃度動態(tài)分布特性分析

為了更好地解釋R32泄漏時的濃度變化規(guī)律，引用重氣云團(tuán)理論進(jìn)行說明。R32屬于重氣云團(tuán)[10-14],其具體過程為R32的瞬間泄漏形成了重氣云團(tuán)運(yùn)動，云團(tuán)運(yùn)動卷吸周圍空氣，最后被卷吸空氣稀釋的云團(tuán)進(jìn)行重力擴(kuò)散向僅僅依靠濃度差作為動力源的非重力擴(kuò)散轉(zhuǎn)變。

不同泄漏速度下各平面R32的泄漏情況如圖4所示，R32濃度有著相同的變化趨勢：其濃度逐漸上升達(dá)到最大值后，開始下降,最后達(dá)到濃度平衡。無論泄漏速度為何值，泄漏速度曲線的最高點(diǎn)均超過UFL，且最終濃度均降至LFL以下。

圖4 不同泄漏速度下各平面R32的泄漏情況

因?yàn)槭覂?nèi)封閉，R32濃度僅依靠室內(nèi)空氣進(jìn)行稀釋，R32未泄漏完畢時，室內(nèi)低R32濃度累積速度遠(yuǎn)大于因泄漏引發(fā)空氣卷吸而被稀釋的速度，濃度快速升高；又因?yàn)樾孤c(diǎn)開口向下，重氣沉降，因此R32在房間底部富集，最終在泄漏結(jié)束時，R32濃度超過UFL，達(dá)到最大值。在達(dá)到濃度最大值后，由于無R32進(jìn)行補(bǔ)充，其濃度開始下降，最終濃度下降至LFL以下。

2.2 室內(nèi)安全響應(yīng)時間分析

各平面安全響應(yīng)時間隨泄漏速度變化的規(guī)律如圖5所示。同一平內(nèi)，隨著泄漏速度增加，安全響應(yīng)時間呈下降趨勢；以0.15 m平面為例，當(dāng)泄漏速度從15遞增至90時，安全響應(yīng)時間從77 mins依次下降至41 mins，31 mins，27 mins，23 mins，22 mins，泄漏速度為15 L/min的安全響應(yīng)時間是90 L/min的2.5倍，安全響應(yīng)時間差可達(dá)55min；相同泄漏速度下，平面越高安全響應(yīng)時間越長，15 L/min時1.15m平面比0.15m平面的安全響應(yīng)時間延遲了12 min，三個平面的安全響應(yīng)時間隨著泄漏速度增加而逐漸接近，在泄漏速度為90 L/min時，三個平面的安全響應(yīng)時間相同。

發(fā)生泄漏時，R32先經(jīng)過高平面后擴(kuò)散沉降聚集在房間底部,再向四周擴(kuò)散，因此室內(nèi)底部安全響應(yīng)時間最短；隨著泄漏速度的提升，R32到達(dá)房間底部的時間縮短，氣流引起的卷積作用加強(qiáng)，沉降在房間底部后向四周擴(kuò)散的速度加快，R23從低平面擴(kuò)散至較高平面的時間變短，安全響應(yīng)時間隨著泄漏速度的增加而逐漸接近，最終在泄漏速度為90 L/min時三個平面安全響應(yīng)時間相同。

2.3 室內(nèi)不可燃時間分析

由于不可燃時間分成相對危險時間和安全時間，因此先從相對危險時間和安全時間進(jìn)行分析。

不同平面下各泄漏速度所對應(yīng)的相對危險時間以及相對危險時間占比變化情況如表4所示。由表可看出，隨著泄漏速度的增加，相對危險時間值和相對危險時間占比皆呈下降趨勢；以其中最危險的0.15 m平面為討論要點(diǎn)，該平面各泄漏速度下，相對危險時間和安全時間以及相對危險時間比的變化情況。隨著泄漏速度從15 L/min逐次遞增至90 L/min，相對危險時間從450 mins分別遞減至 272 mins，260 mins，247 mins，240 mins，235 mins最大時間差為215 mins；相對危險時間比也隨之從91.28 %下降至44.68 %。在不可燃時間內(nèi)，泄漏速度為15 L/min時相對危險時間占比最高，室內(nèi)最有可能再次發(fā)生燃燒事故。

表4 各泄漏速度下相對危險時間占比表

相對危險時間下降的原因有：一是在濃度上升至最大值階段，泄漏速度越快，室內(nèi)R32濃度越快達(dá)到其最大濃度值，所占的相對危險時間越少；二是在室內(nèi)濃度從最大值下降到UFL階段，室內(nèi)R32濃度主要受卷吸效應(yīng)的影響，泄漏速度大和重力沉降引起湍流運(yùn)動加劇,使得氣體云與周圍環(huán)境的氣體交換變得劇烈,空氣被卷吸使R32氣體云濃度被加速稀釋下降至UFL以下，縮短了相對危險時間。

而對于安全時間來說，在重氣效應(yīng)完全消失，重氣擴(kuò)散轉(zhuǎn)為由大氣湍流支配擴(kuò)散的非重氣擴(kuò)散時，泄漏速度快使得湍流卷吸周圍空氣所形成的渦旋場在短時間內(nèi)仍然對R32進(jìn)行稀釋，加速了室內(nèi)R32濃度下降至LFL以下的時間，延長了安全時間。

不同平面下R32泄漏速度對應(yīng)的室內(nèi)不可燃時間變化規(guī)律如圖7所示，不可燃時間隨著泄漏速度的增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，拐點(diǎn)出現(xiàn)在泄漏速度為30 L/min時。

圖7 各平面R32泄漏速度對應(yīng)的不可燃時間

當(dāng)泄漏速度從15 L/min提升至30 L/min時，卷吸周圍空氣所形成的渦旋場較弱，對室內(nèi)R32濃度加速稀釋時間短，主要作用于相對危險時間段內(nèi)，相對危險時間被縮短幅度大；當(dāng)渦旋場消失后開始依靠濃度進(jìn)行非重力擴(kuò)散時，起始濃度較高，降至LFL以下時間較長，安全時間較短，安全時間延長幅度不如相對危險時間縮短幅度大，故不可燃時間被縮短。當(dāng)泄漏速度從30 L/min提升45 L/min乃至更高時，泄漏速度越大，產(chǎn)生的渦旋場越強(qiáng)，加速稀釋的時間越長，當(dāng)渦旋場消失以后室內(nèi)濃度越低，下降至LFL的時間越短，安全時間長，故不可燃時間被延長。

3 結(jié)論

1）隨著泄漏速度的增加安全響應(yīng)時間縮短，同一平面內(nèi)最大安全響應(yīng)時間差高達(dá)55 mins。安全響應(yīng)時間隨著平面高度增加而減少，0.15 m平面對發(fā)生R32泄漏事故的響應(yīng)最及時。

2）構(gòu)成不可燃時間的相對危險時間與安全時間隨泄漏速度變化趨勢相反，其隨著泄漏速度增加呈遞減趨勢，最大時間差為215 mins。在不可燃時間內(nèi)，泄漏速度為15 L/min時相對危險時間占比最高，室內(nèi)最有可能再次發(fā)生燃燒事故。

3）室內(nèi)的不可燃時間隨著泄漏速度的增加呈現(xiàn)下降后上升的趨勢；在泄漏速度為30 L/min時，不可燃時間最短，速度為90 L/min時不可燃時間最長。

4）考慮到室內(nèi)發(fā)生R32泄漏的時候室內(nèi)安全性問題，由此提出建議：

①結(jié)合R32泄漏時不同平面高度的R32濃度變化規(guī)律，可將R32警報器安裝于0.15 m平面處，在室內(nèi)發(fā)生R32泄漏時做到及時響應(yīng)，保護(hù)室內(nèi)人員財產(chǎn)安全。

②若發(fā)生小流速（＜30 L/min）泄漏時，室內(nèi)相對危險時間占比高，該時間內(nèi)R32濃度有較大下降至可燃區(qū)間的風(fēng)險，因此即使處于不可燃時間亦應(yīng)嚴(yán)禁煙火，并及時打開門窗進(jìn)行通風(fēng)換氣，通知相關(guān)人員，做好消防工作。