R32制冷劑泄漏位置對濃度分布與室內安全性的實驗研究

金梧鳳 薛探棟 袁小勇 王志強

(天津商業大學 天津市制冷技術重點實驗室 天津 300134)

R32作為一種節能環保的替代制冷劑，得到廣泛應用[1-4]。但R32仍存在缺陷，即易燃且工作壓力大，容易發生泄漏和和可燃的風險[5]，因此R32制冷劑在應用過程中的安全性研究已成為眾多國內外學者關注的焦點。

由于可燃性制冷劑泄漏實驗具有一定危險性，目前針對可燃制冷劑泄漏的研究主要集中于泄漏擴散的數值模型及室內安全性評價研究等方面。Jia Lizhi等[6-7]研究了分體式空調在運行狀態下，空調送風速度、泄漏口位置、排風裝置對室內R32濃度分布的影響，并進行了安全性分析，結果表明可燃區域主要在泄漏口附近，發生火災風險的可能性較低。金梧鳳等[8]實驗研究了壁掛式空調在運行時蒸發器不同泄漏位置和不同泄漏速度下R32的泄漏擴散特性，結果表明，僅在蒸發器出口大流量泄漏時，室內機附近區域存在著火的可能性，排風作用可有效降低室內R32的濃度。田貫三等[9-11]建立了計算可燃工質泄漏后在房間內可燃工質濃度變化的模型。計算結果表明，小型空調器可燃工質泄漏引發的爆炸隱患僅局限于空調系統附近的局部區域內。劉全義等[12-14]通過建筑空調系統中可燃制冷劑的泄漏模型對制冷劑泄漏時的泄漏速度、房間尺寸、通風效果等因素進行了分析，得出隨著泄漏速度的增加，室內安全性降低，新風量的增加會有效降低制冷劑濃度；房間尺寸對房間制冷劑濃度分布無顯著影響。賈磊等[15]建立了R32泄漏點火模擬實驗室。開展R32在不同泄漏速率下的自由沉降實驗，研究表明，R32在垂直高度方向上存在明顯的濃度梯度；在明火燃燒特性實驗中發現，改變R32泄漏位置、蠟燭位置和數量、點火方式等，R32均不會發生火焰蔓延現象。李雨農[16]通過數值模擬研究了R32泄漏擴散規律，研究表明，無論是上方還是下方泄漏，泄漏所釋放的制冷劑氣體均表現出明顯的沉降性。

綜合研究現狀可知，目前的制冷劑泄漏實驗和相關數值模擬主要針對小型空調和固定泄漏點的研究。在實際情況下，由于多聯機空調系統的大充注量，在制冷劑發生泄漏時，會對室內安全性造成較大影響，此外，由于空調安裝位置和制冷劑管路的差異，發生泄漏的位置也會影響室內的濃度分布，從而威脅到室內安全。本文研究多聯機空調系統中R32制冷劑在不同位置發生泄漏對室內制冷劑濃度分布規律和安全性的影響，為評價空調室內安全性以及預防制冷劑泄漏事故等提供依據。本文中的濃度均指體積分數。

1 實驗研究

實驗測試多聯機空調機組制冷劑在小空間內的泄漏擴散規律，研究針對7.350～9.555 kW的多聯機空調，泄漏量為3.6 kg。實驗設置4個不同的泄漏點，通過改變制冷劑泄漏位置，研究制冷劑泄漏變化規律從而評價室內安全性。

1.1 實驗臺介紹

根據實驗要求，搭建四周為不銹鋼壁面的環境艙，艙室尺寸為3 m×4.4 m×2.25 m(長×寬×高)。測試系統主要分為：制冷劑泄漏系統、房間溫濕度系統、濃度檢測系統。測試系統原理如圖1所示。

圖1 可燃制冷劑泄漏測試系統原理Fig.1 Principle of combustible refrigerant leakage test system

R32泄漏系統主要包括電子秤、恒溫水箱、制冷劑高壓儲存罐、壓力表、流量調節閥、流量計和普通針閥。在泄漏過程中，通過電子秤記錄制冷劑質量變化，采用恒溫水箱恒溫加熱來恒定罐內壓力。通過流量調節閥調節流量，使流量穩定。溫濕度控制系統利用加濕器和電熱膜對房間進行溫濕度控制，溫控器可以設定房間溫度自行加熱和停止。濃度檢測系統主要由QD6310型探測器組成，在室內測點處布置氣體濃度探測器檢測房間內的濃度。實驗中所用的設備和儀器如表1所示。

表1 實驗主要設備儀器參數Tab.1 Instrument parameters of main experimental equipment

1.2 實驗內容

根據空調系統的不同的安裝方式設置4個不同的泄漏位置，此外，為了監測室內可燃性制冷劑R32的濃度變化，根據R32泄漏規律和大于空氣密度的物理特性，在z=0.15、1.15、2.00 m平面不同位置處布置測點。測點位置分布在房間內濃度梯度加大的位置[17]，測點分布和泄漏位置如圖2所示。

圖2 測點及泄漏位置示意圖Fig.2 Measurement points and leakage locations

實驗開始前，通過恒溫恒濕系統調節室內溫濕度，使之保持穩定。4個閥門分別位于不同的泄漏點。在制冷劑泄漏時，制冷劑容器罐置于恒溫水箱中，通過調節閥控制壓力在1 MPa附近。濃度傳感器記錄房間內不同平面上的測點濃度值。每次泄漏結束后，開啟排風系統，待房間初始濃度和初始流場均恢復穩定后，改變泄漏口位置。各參數設定值如表2所示。

表2 參數設定值Tab.2 Parameter setting value

2 實驗結果及分析討論

R32氣體的泄漏擴散過程中，制冷劑在門窗緊閉的封閉室內發生泄漏，泄漏源為連續源。由于壓差的作用，在泄漏的瞬間變為氣相，故本文討論的為R32氣體的連續泄漏。由ANSI/ASHRAE 34-2010標準[18]可知，R32的可燃下限LFL(lower flammable limit)體積分數為14.4%，可燃上限UFL(upper flammable limit)體積分數為31%，該區間段內為可燃危險區域。將室內R32的泄漏擴散過程分為4個時間區間，如圖3所示。

圖3 可燃風險時間劃分示意圖Fig.3 Diagram of combustible risk time division

觀察各泄漏位置下的濃度變化，隨著泄漏的進行，房間內會出現可燃區域，達到LFL的時間以及可燃區域的維持時間與濃度的擴散速率有直接關系，分析不同泄漏位置下各平面的濃度變化和各區間段時間。其中不同典型平面R32制冷劑濃度變化如表3、圖4所示。

表3 各平面最大濃度及濃度變化速率Tab.3 Maximum concentration and concentration change rate in each plane

圖4 不同泄漏位置下R32濃度變化Fig.4 Change of R32 concentration at different leakage locations

2.1 泄漏高度對室內濃度影響分析

R32氣體的泄漏擴散過程大致可以分為初始泄漏階段、上升遲滯階段、沉降階段。在初始泄漏階段，R32由于自身的初始動量，加劇了與周圍空氣的混合[19]，此時，房間內濃度急劇升高，在約55 min時制冷劑氣體泄漏完畢。但仍會在初始動量和慣性的作用下繼續升高，在R32氣體所具有的初始動量變為0后，室內濃度出現峰值。制冷劑由上升遲滯階段進入沉降階段，房間內R32氣體會在濃度差作用下進行自由擴散，此時濃度開始下降，之后逐漸向房間下層擴散，最后濃度趨于平緩或降至LFL以下。

由表3和圖4可知，在濃度上升階段，位于泄漏位置1時，隨著垂直高度的上升，濃度上升速率逐漸減小，在z=2.00 m平面處的上升速率達到最小值0.04%/min。當位于泄漏位置2時，以泄漏口平面為分界面，濃度向下擴散的速率明顯大于向上擴散的速率，越接近房間上部區域，濃度變化越緩慢。當位于泄漏位置3時，R32制冷劑氣體沿著房間高度向下擴散，各平面沿高度方向擴散速率無顯著差異，均保持在約0.5%/min。室內濃度分布在高度上趨于一致。

在濃度下降階段，制冷劑濃度下降速率較為緩慢，且隨著泄露位置的升高，濃度沉降速率逐漸減小，位于泄漏位置3時，各平面的濃度沉降速率僅保持在約0.06%/min。這是由于在泄漏結束后封閉房間內空氣流場穩定，不利于R32氣體在房間內的擴散。

隨著泄漏位置高度的增加，當泄漏開始后，各平面處的濃度值經過急劇上升后達到峰值，之后均有不同程度的下降。泄漏高度會對氣體擴散造成較大影響，隨著泄漏源釋放高度的增加，R32氣體在各平面上的擴散速率會逐漸減小，R32氣體在沿房間高度方向上的濃度分布會更加均勻，減小了R32氣體在房間底部的積聚。

2.2 泄漏方向對室內濃度影響分析

泄漏位置3和4分別位于房間上部和房間頂部天花板處，兩者高度基本一致，但由于泄漏方向不同，造成室內濃度分布的差異。

對比泄漏位置3和4在各平面處的濃度變化(圖4(c)、(d))可知，改變泄漏方向對房間中下部的濃度分布無顯著影響，在濃度上升階段，z=0.15、0.50、1.15 m平面的氣體擴散速率均保持在約0.5%/min。在濃度沉降階段，氣體擴散速率均保持在約0.06%/min。

在z=2.00 m平面處，氣體擴散速率差異較大，這是由于在泄漏位置3時，其泄漏方向為水平射出，在初始動量一定的情況下，R32向四周擴散的初始動量最大，所以R32在泄漏口平面處濃度值最大，向周圍空間擴散的最快。泄漏位置4位于房間天花板處，射流方向垂直向下，R32在豎直方向的初始動量最大，并在重力作用下，制冷劑氣體由房間上部很快到達地面。導致房間底部的R32濃度遠大于房間上部。

在泄漏位置3和泄漏位置4處，由于制冷劑氣體射流方向的差異，造成泄漏口附近平面的濃度差異較大，而對房間其他區域的濃度影響較小。

3 各區間可燃風險時間分析

首次達到LFL的時間T1為制冷劑泄漏時房間內的安全時間，可燃危險區間維持時間分為T2和T4兩個區間段，該區間段內，室內存在可燃區域，直接影響室內安全性。各區間段持續時間如表4所示。

表4 各區間段持續時間Tab.4 Duration of each segment

3.1 首次達到LFL的時間

由表4可知，T1在泄漏位置1和2處變化尤為劇烈。泄漏位置1附近平面T1最小，泄漏開始后5 min，z=0.15 m平面處率先達到LFL，隨著泄漏擴散的進行，各平面濃度逐步到達LFL，z=0.15 m平面以上進入可燃區域，并逐漸向房間上部區域移動，如圖5所示。而隨著泄漏位置高度的上升，泄漏位置3和4在各水平面的T1變化趨于平緩，如圖6所示。

圖5 A-1局部放大曲線Fig.5 A-1 local amplification curve

圖6 各監測平面安全響應時間變化Fig.6 Changes in safety response time of each monitoring plane

在制冷劑發生泄漏時，為防止室內出現可燃區域，應當在不同泄漏位置下T1最小的平面處安裝濃度報警器。對比4種不同的泄漏位置，在泄漏位置1、3、4處時，z=0.15 m平面安全時間最短，當泄漏位置位于中部時，z=1.15 m平面安全時間最短，濃度率先達到LFL，在此處安裝濃度報警器的響應時間最短，可以有效提高室內安全性。

3.2 可燃危險時間

對比各泄漏位置下可燃危險時間(T2+T4)變化，如圖7所示。當位于泄漏位置1時，可燃危險時間值在z=1.15 m處最大，在該平面處的安全性最低。隨著泄漏位置高度的上升，z=0.15 m和z=0.50 m平面處的可燃危險時間逐漸增大。當位于泄漏位置3時，z=0.15 m平面處的可燃危險時間最長，而越靠近房間上部時區域時，可燃危險時間越越小。當位于泄漏位置4，泄漏方向垂直向下時，z=2.00 m平面處的可燃危險時間相比于泄漏位置3時變化最顯著，可燃危險時間減小約78%。

圖7 各泄漏位置下的可燃時間變化Fig.7 Changes of combustible time at each leakage position

綜上所述，當改變泄漏位置時，房間上部區域的可燃危險時間始終最小，安全性最高，泄漏點高度上升時，房間底部的可燃危險逐漸增大。泄漏方向的改變對泄漏口附近平面的可燃風險影響最大。因此，為了稀釋和快速排出房間中下部的大量制冷劑氣體，優先采用上送下排[20]的通風方式可以有效提高室內安全性。

4 結論

通過實驗研究的方法，對比分析了不同泄漏位置R32制冷劑的濃度擴散規律，并通過分析各平面達到可燃危險的持續時間進行室內安全性評價。得到如下結論：

1)在制冷劑泄漏階段，隨著泄漏位置的改變，R32制冷劑在室內分布差異較大，在各泄漏位置處，室內濃度均會超過LFL(14.4%)，泄漏結束后，各平面的濃度均會逐漸降低并趨于平緩。

2)隨著泄漏位置高度的增加，制冷劑濃度擴散速率逐漸趨于一致，濃度上升速率和濃度下降速率分別保持在約0.5%/min和0.06%/min。此外，制冷劑氣體從房間上部水平射出改為從天花板頂部垂直向下泄漏時，泄漏口附近平面處最大濃度及濃度擴散速率均減小約50%。

3)當泄漏位置位于房間底部、上部和頂部時，Z=0.15 m平面處最先達到LFL，在此處的安全時間僅為5 min。而當泄漏位置位于房間中部時，Z=1.15 m平面處的安全時間為7 min。針對可能發生泄漏的位置，應在房間底部或中部泄漏口附近安裝濃度傳感器并采取上送下排的通風方式等安全預防措施以提高室內安全性。

4)分析R32氣體泄漏位置的改變對室內的安全性影響。當改變泄漏位置時，房間上部的安全性始終最高。隨著泄漏點高度的上升，房間下部的可燃危險時間逐漸增大。當改變泄漏方向時，制冷劑從天花板頂部垂直向下泄漏時，房間頂部的可燃危險時間減小78%，泄漏口附近安全性提高。