R32 制冷劑泄漏速度對室內可燃風險的影響研究

楊清泉 袁小勇 金梧鳳

（1.天津商業(yè)大學 天津 300400 2.天津市制冷技術重點實驗室 天津 300400）

引言

在2007年的19屆大會的《關于消耗臭氧層物質的蒙特利爾協(xié)定書》上，加速了淘汰有關HCFCs制冷劑的進程，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、擴散特性，并對其進行安全性評價是非常必要的[3]。

目前，很多國內外學者在有關可燃性制冷劑R32的研究主要分成數(shù)值模擬和實驗研究兩個方向。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散的缺陷，研究了儲罐系統(tǒng)泄漏時泄漏速度與時間的關系式，模擬并驗證后得到了一個能更精確描述點源有限時間泄漏擴散模型。劉全義等[6]的研究結果可知，制冷劑發(fā)生泄漏時危險區(qū)主要在1.2 m以下。

實驗研究方面，賈利芝[5]等以送風角度對R32擴散規(guī)律的影響進行了研究，結果表明，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在分離式壁掛空調的蒸發(fā)器不同位置泄漏時，得出了R32在空調運行時的擴散特性，同時知道了排風對濃度衰減影響強烈。袁小勇等[7]將室內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)機空調內使用R32制冷劑運行時，不同門窗開啟度對室內R32的濃度分布的實驗研究，得到在門窗開啟時，危險時間將縮短至60 %以上的結論。

以上研究表明，國內外對于R32制冷劑泄漏的研究主要集中在空間內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R32泄漏時，對R32濃度首次達到LFL（可燃濃度下限14.4 v%）的時間進行研究。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險的時間段（R32濃度超過UFL（可燃濃度上限31 v%）此時室內不可燃）。為了在R32泄漏時對消防做出及時響應，且更加全面了解R32制冷劑泄漏過程中室內處于不可燃時間內潛在的危險變化，搭建R32制冷劑泄漏實驗室，通過改變制冷劑泄漏速度來研究R32制冷劑擴散濃度變化規(guī)律，對R32制冷劑泄漏的時間區(qū)間變化規(guī)律進行分析，并進行安全性評價，為有效預防R32制冷劑在室內不可燃時潛在的燃爆災難提供了重要依據(jù)。

1 實驗臺和實驗內容介紹

1.1 實驗臺

R32空調系統(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制冷劑泄漏試驗段和溶度檢測段三部分組成。利用電熱膜對房間加熱和達到實驗溫度后保證室內溫度恒定，在房間中部放置兩臺加濕器來保證室內濕度的恒定，使用軸流風機使室內空氣均勻分布，統(tǒng)一室內各個位置溫濕度情況，使用針閥來調節(jié)制冷劑泄漏速度，最后用氣體濃度探測器檢測室內R32的濃度值，實驗中所用的設備和儀器如表1所示。

圖1 R32空調系統(tǒng)制冷劑泄漏測試系統(tǒng)流程圖

表1 實驗儀器表

1.2 測點布置

實驗室內制冷劑泄漏點和濃度測點位置如圖2所示，該實驗室的尺寸為：4.4 m×3 m×2.25 m，根據(jù)多聯(lián)機實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，距離最近一側墻體0.5 m，高度為2.25 m。

圖2 測點布置圖

根據(jù)《建筑物空調系統(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。所以本實驗采用控制變量法，門窗均關閉并且室內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處設置測點排，每排分布九個測點，九個測點分別以三個為一組，每組的豎直高度分別是0.15 m、0.5 m、1.15 m，組內每個測點距離墻分別為0.7 m、1.5 m、2.3 m、實時記錄R32制冷劑濃度變化，分別以三個平面的平均濃度進行分析。

1.3 實驗內容

1.3.1 R32泄漏時間的相關定義

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濃度達到可燃區(qū)間的時間分成T1，T2，T3，T4。將R32濃度首次達到LFL（可燃濃度下限14.4 v%）的時間定義為安全響應時間，以此用于代表消防的響應時間；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，R32濃度會下降至可燃區(qū)間（LFL～UFL），因此室內有可燃風險，而安全時間內，R32濃度在LFL以下，室內安全。

1.3.2 實驗過程

在實驗中，保持門窗關閉，在制冷劑泄漏時，保證管內壓力不變，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。室內溫濕度分別控制在25 ℃、45 %。通過濃度傳感器記錄房間內不同平面的測點的濃度值。每次泄漏結束后，開啟排風系統(tǒng)，待房間初始濃度和初始流場均恢復穩(wěn)定后，改變泄漏速度，再進行測量。

2 實驗結果分析

2.1 室內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，引用重氣云團理論進行說明。R32屬于重氣云團[10-14],其具體過程為R32的瞬間泄漏形成了重氣云團運動，云團運動卷吸周圍空氣，最后被卷吸空氣稀釋的云團進行重力擴散向僅僅依靠濃度差作為動力源的非重力擴散轉變。

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：其濃度逐漸上升達到最大值后，開始下降,最后達到濃度平衡。無論泄漏速度為何值，泄漏速度曲線的最高點均超過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

因為室內封閉，R32濃度僅依靠室內空氣進行稀釋，R32未泄漏完畢時，室內低R32濃度累積速度遠大于因泄漏引發(fā)空氣卷吸而被稀釋的速度，濃度快速升高；又因為泄漏點開口向下，重氣沉降，因此R32在房間底部富集，最終在泄漏結束時，R32濃度超過UFL，達到最大值。在達到濃度最大值后，由于無R32進行補充，其濃度開始下降，最終濃度下降至LFL以下。

2.2 室內安全響應時間分析

各平面安全響應時間隨泄漏速度變化的規(guī)律如圖5所示。同一平內，隨著泄漏速度增加，安全響應時間呈下降趨勢；以0.15 m平面為例，當泄漏速度從15遞增至90時，安全響應時間從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的安全響應時間是90 L/min的2.5倍，安全響應時間差可達55min；相同泄漏速度下，平面越高安全響應時間越長，15 L/min時1.15m平面比0.15m平面的安全響應時間延遲了12 min，三個平面的安全響應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時間相同。

發(fā)生泄漏時，R32先經(jīng)過高平面后擴散沉降聚集在房間底部,再向四周擴散，因此室內底部安全響應時間最短；隨著泄漏速度的提升，R32到達房間底部的時間縮短，氣流引起的卷積作用加強，沉降在房間底部后向四周擴散的速度加快，R23從低平面擴散至較高平面的時間變短，安全響應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時間相同。

2.3 室內不可燃時間分析

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行分析。

不同平面下各泄漏速度所對應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，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，泄漏速度為15 L/min時相對危險時間占比最高，室內最有可能再次發(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R32濃度越快達到其最大濃度值，所占的相對危險時間越少；二是在室內濃度從最大值下降到UFL階段，室內R32濃度主要受卷吸效應的影響，泄漏速度大和重力沉降引起湍流運動加劇,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，在重氣效應完全消失，重氣擴散轉為由大氣湍流支配擴散的非重氣擴散時，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仍然對R32進行稀釋，加速了室內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泄漏速度對應的室內不可燃時間變化規(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泄漏速度對應的不可燃時間

當泄漏速度從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R32濃度加速稀釋時間短，主要作用于相對危險時間段內，相對危險時間被縮短幅度大；當渦旋場消失后開始依靠濃度進行非重力擴散時，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，加速稀釋的時間越長，當渦旋場消失以后室內濃度越低，下降至LFL的時間越短，安全時間長，故不可燃時間被延長。

3 結論

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

2）構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，泄漏速度為15 L/min時相對危險時間占比最高，室內最有可能再次發(fā)生燃燒事故。

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

①結合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，在室內發(fā)生R32泄漏時做到及時響應，保護室內人員財產(chǎn)安全。

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