溫濕度對空氣中氫氣擴散過程的影響

曹鵬 梁文清 錢華 鄭曉紅

東南大學能源與環境學院

0 引言

氫氣是一種很有發展前景的清潔能源，它 被廣泛應用于航天發射、清 潔能源、化 學工業、燃 料電池等領域[1]。但是，在 氫氣的生產，儲 存，運 輸和使用的過程中，氫 氣都有可能發生泄露。泄露的氫氣與周圍空氣混合，當 氫氣的體積分數為 4.1%～75%時[2]，就 有可能發生燃爆。

氫氣泄露的研究，目前主要分為實驗，C FD 模擬與數學模型。已有實驗雖然記錄了環境溫濕度，但 是沒有研究溫濕度的不同對擴散過程的影響[3～5]，C FD 模擬與數學模型也缺乏相關實驗數據進行支撐[6～8]。本文的主要內容，就 是探究短時間內垂直向上泄露的氫氣在空氣中的擴散特性，并 通過改變環境溫度、濕 度等，探究它們對氫氣泄露擴散的影響，實 驗所得結果也可作為其它CFD 模擬與數學模型的數據支撐。

1 實驗

該實驗主要模擬的是氫氣發生短時間泄露時的情況。氫氣的擴散主要與浮力和擴散系數有關，在 標準溫度和標準壓力的情況下，氦 氣浮力與空氣密度的比值為86%，氫 氣浮力與空氣密度的比值為93%，氦 氣在空氣中的擴散系數為0.697 cm2/ s，氫氣在空氣中的擴散系數為0.756 cm2/ s，它 們的物理性質相似[9]。并且氦氣沒有燃爆風險，已 有的實驗也證明氦氣泄露后形成的濃度場與氫氣泄露后形成的濃度場相近[5]，所 以使用氦氣代替氫氣進行實驗。

1.1 實驗裝置

氦氣泄露實驗在多功能環境及氣流模擬艙（下文簡稱為環境艙）（圖1）中進行。環境艙內部為一長方體，內側長為4 m，寬為 3.7 m，高為 2.7 m，體積為39.96 m3。環境艙前側有一扇門和一面透明玻璃，左 右兩側有通風口，門、玻 璃和通風口的尺寸與位置見圖1。實驗時，可 通過前側的透明玻璃觀察環境艙內的情況。環境艙的左右兩側由多塊可拆卸的不銹鋼板拼接而成，前 后兩側與地面為膠合板，上 側為多孔不銹鋼板。為了減少環境艙四壁滲透風對實驗的影響，不 銹鋼板間的接縫處，門 縫和通風口處都進行了密封。

圖1 多功能環境及氣流模擬艙（環境艙）

氦氣儲存于環境艙外的高壓鋼瓶中，使 用減壓閥進行減壓，并 由針閥調節流量，經 過 2m 長的導管輸入環境艙。氦氣的流量由位于針閥后側的流量表實時獲取，流 量的調節范圍為 0 NL/min～90 NL/min（20 ℃，1 atm）。環境艙內的氦氣泄露口直徑為 2 mm，距 離環境艙左側 1.85 m，前 側 2 m，地 面 0.10 m，泄 露口具體位置見圖1。

氦氣濃度由氦氣濃度傳感器測得，該 傳感器輸入15 V 直流電壓信號，輸 出 8～20 mA 的電流信號，測 量精度為0.1%（體積分數），響 應時間為50 ms。氦 氣濃度傳感器的布置如圖2 所示，共 在環境艙中布置25 個測點。其中1～4 點位于泄露源的正上方，分 別距離泄露口9 cm、19 cm、29 cm、39 cm。5～8 點、9～12 點、13～16、17～20 點與泄露口的垂直距離分別與 1～4 點相同，與泄露口間的水平距離分別為 1 cm、3 cm、5 cm、6 cm。21 點位于泄露口正上方的屋頂處，22～25 點分別位于環境艙的四壁。其中，1～21 點為定點，22～25 點為可在四壁進行移動的動點。環境艙的溫度和濕度由置于環境艙內的TSI VELOCICALC 測得。

圖2 氦氣濃度傳感器布置圖

1.2 實驗步驟

為了探究環境溫度、濕 度等對空氣中氫氣擴散過程的影響，在 流量為15 NL/min 的情況下，分 別調整環境溫度與濕度進行實驗。實驗時，各 參數如表 1 所示。

表1 實驗參數表

氦氣濃度傳感器輸出的電流信號由34970A 數據采集儀進行采集。每 次氦氣泄露時間為60 s，泄 露流量恒定，在 泄露前10 s 打開 34970A 數據采集儀，在 泄露停止30 s 后關閉34970A 數據采集儀，對從氦氣開始泄露前到停止泄露后的整個過程進行記錄。實驗時，保證環境艙內無風，溫 度、濕 度均勻恒定。

2 結果與討論

在進行實驗的過程中，21～25 測點的氦氣體積分數始終為零，即 氦氣始終未擴散到環境艙四壁與屋頂處，所 以將氦氣在環境艙中的60 s 定流量泄露過程視為氦氣在無障礙的空間中進行的短時間定流量泄露過程。

2.1 溫度對空氣中氦氣擴散過程的影響

在氦氣泄露流量為 15 NL/min，相對濕度為 60%的情況下，環 境溫度分別設定為 15 ℃，20 ℃和 25 ℃，在泄露初期，各 測點的氦氣體積分數隨時間變化如圖3 所示。

圖3 氦氣體積分數隨溫度變化圖（泄露初期）

由圖 3 可以發現，當氦氣發生短時間持續泄露時，在 浮力與擴散力等的作用下，泄 露口周圍各點的氦氣濃度迅速增加，然 后趨于穩定。在中心軸線和水平距離1 cm 處，隨 著高度的增加，濃 度的增速和所能達到的最大值逐漸減小。在水平距離 3 cm，5 cm 和6 cm 處，隨 著高度的增加，濃 度的增速和所能達到的最大值先增加后減小。這是由于隨著高度的增加，氦 氣射流與周圍空氣的卷吸作用減弱，氦 氣濃度由中心軸線向四周衰減減慢，所 以在3 cm、5 cm、6 cm 處濃度增速和所能達到的最大值隨高度的變化趨勢與中心軸線處不同。由圖3 還可以發現，隨 著溫度的升高，測 點1 處氦氣濃度的增速加快，所能達到的最大氦氣濃度增大，這 表明了溫度的增加使得泄露口處氦氣濃度的沿垂直方向的衰減減慢。同一高度上的各相鄰測點間氦氣濃度的增速隨著溫度的上升而逐漸接近。這是由于溫度的升高使的氦氣沿徑向的擴散能力加強，各 測點間的濃度衰減減慢，濃 度增速接近。

氦氣濃度穩定后各測點的氦氣體積分數如圖 4所示。由圖4 可以發現，待 泄露的氦氣穩定后，在 中心軸線處和水平距離1 cm 處，氦 氣濃度隨著高度的增加而減少，在 水平距離 3 cm，5 c m 和 6 cm 處，隨 著高度的增加，氦氣濃度先增大后減小。氦氣濃度沿水平方向的衰減速率隨著高度的增加而逐漸下降。由圖 4 還可以發現，隨 著溫度的升高，測 點 1 的濃度升高，同 一高度上的測點濃度沿著水平方向衰減減慢。雖然圖 4中顯示氦氣體積分數大于 4%的測點數量并未隨溫度發生變化，但 是，由 于隨著溫度的升高，氦 氣沿著水平方向的濃度衰減減慢，其大于 4%的區域半徑將會增大，即 對處于相同泄露情況的氫氣來講，其 可發生燃爆區域的半徑會隨著溫度的上升而增大。

圖4 穩定后各測點氦氣體積分數

2.2 濕度對空氣中氦氣擴散過程的影響

在氦氣的泄露流量為 15 NL/min，環 境溫度為20 ℃的情況下，相對濕度φ分別設定為50%，60%和70%，在 氦氣泄露初期，各 測點的氦氣體積分數隨時間變化如圖5 所示。

圖5 氦氣體積分數隨相對濕度變化圖（泄露初期）

由圖5 可以發現，隨著相對濕度的增加，測點 5處氦氣濃度的增速加快，所 能達到的氦氣最大體積分數增大，測 點1 和測點5 的氦氣濃度增速逐漸接近。

氦氣濃度穩定后各測點的氦氣體積分數如圖 6所示。由圖6 可以發現，隨 著濕度的上升，測 點4 處的氦氣體積分數下降，測 點1 和測點5 的濃度差減小，即 氦氣在中心軸線處的衰減加快，在 泄露口處沿水平方向的衰減減慢。雖然圖 6 中顯示氦氣體積分數大于4%的測點數量并未隨濕度發生變化，但 是，由 于隨著濕度的升高，氦氣沿著垂直方向的濃度衰減加快，大 于4%的區域高度將會減小，即對處于相同泄露情況的氫氣來講，其 可發生燃爆區域的高度會隨著濕度的上升而減小。

圖6 穩定后各測點氦氣體積分數

3 結論

本文使用氦氣代替氫氣，在 環境艙中模擬了無障礙空間中氫氣短時間定流垂直向上泄露，并 且分別調整了環境溫度與濕度，探 究環境溫濕度對空氣中氫氣擴散過程的影響。

實驗結果表明，當 處于無障礙空間的氦氣發生短時間定流量垂直向上泄露時，在 泄露口周圍迅速形成了一個穩定的濃度場。在中心軸線處，氦 氣的濃度隨著高度的增加而減少，在 非中心軸線處，氦 氣濃度隨高度的增加先增加再減小。隨著高度的增加，氦 氣沿水平方向的衰減逐漸減慢。

溫度和濕度的變化會影響泄露口附近的氦氣濃度，同 時，溫 度的上升會使得氦氣沿水平方向的濃度衰減減慢，濕 度的上升會使得中心軸線處的氦氣濃度沿高度方向濃度衰減加快。因此對于泄露時的氫氣來講，更 低的環境溫度和更高的環境濕度將對縮小可燃爆區域的范圍更有利。