有限空间内氨气扩散过程分析

童良怀 周 文 石秀珍 常 波 孙伟明

（1.衢州市特种设备检验中心 衢州 324000）（2.浙江工业大学 杭州 310014）

1 绪论

氨气是一种用途广泛的重要无机化工产品[1]，按国际制冷剂统一符号为R717[2]。氨本身的性质物理化学性质和热力学特性推动了氨制冷剂在涉氨制冷企业制冷系统中的应用，尤其是在冷冻、冷藏行业的应用占有相当大的比例[3]。近几年来，食品行业内的氨制冷管道泄漏造成事故较为频繁[4-5]，相对于化工厂的氨制冷管道，食品行业的氨制冷管道进入的车间更加封闭，甚至很多厂房平时使用过程中都要求其处于封闭的状态下。近几年来，有很多学者[6-10]采用流动力学对氨泄漏扩展进行研究，但大多数学者都是研究了氨气在通风环境中受自然风或强制风作用下的模拟。而本文通过对有限空间的氨泄漏模拟和试验研究，给实际工程中预防氨泄漏事故产生有一定的参考意义。

2 有限空间氨泄漏扩散过程模拟分析

2.1 模型的建立

有限空间内氨泄漏模型尺寸为3.7m×3m×2.55m，房间内有三个氨泄漏测试点，并且放有三张桌子，具体如图1所示。该模型通过Gambit建立，在Gambit中，指定泄漏口为流体速度入口，墙壁和桌子边界的边界条件为壁面的定义，如图2所示。

图1 有限空间内氨泄漏模型图

图2 Gambit建模的网格示意图

2.2 泄漏量的计算

孔口泄漏可被看作是绝热过程，氨气按理想气体考虑，利用伯努利方程和绝热方程，考虑到气体实际泄漏过程中存在局部摩擦阻力损失，泄漏速度小于理论计算值，故用孔口流速系数φ进行修正，则泄漏速度计算公式和体积流量公式[11]如下：

式中：

φ——孔口流速系数，表示实际流速与理论流速之比，一般取值为0.97～0.98；

Q——体积流量，m3/s；

A——泄漏孔面积，即泄漏面积，m2；

Cd——流量系数，亦称泄漏系数；

p1——气体泄漏前压力，Pa；

p0——环境压力，Pa；

k——绝热指数，对于氨气一般取1.3。

2.3 模拟结果的分析

密闭环境下，当入口边界在压力为23kPa、32kPa时的泄漏情况。模拟空间内的氨气浓度随泄漏时间的变化而变化，选取泄漏压力为23kPa，泄漏时间为50s、100s、150s、200s时，观察模拟空间内的氨气浓度分布，如图3所示。

图3 不同时刻氨气浓度分布图

由图3可以看出氨气以射流的形式通过泄漏孔扩散到模拟空间里。氨气在初始动量的作用下向前运动，遇到墙壁后先是沿壁面扩散再向空间其他区域扩散。由于氨气的密度小于空气的密度，在扩散的过程中会向上浮动，空间内的氨气呈上下分层分布，上层的氨气浓度要大于下层的氨气浓度。

氨气在扩散过程中碰到墙壁后，氨气以射流轴线为中心向两侧扩散，向右扩散的部分氨气沿壁面继续向前运动，向左扩散的部分氨气遇到墙壁产生聚集，空间拐角处容易聚集氨气。在氨气扩散速度方向发生三次改变后，大部分的气体聚集在拐角处，少量的气体向模型中间区域扩散，氨气浓度水平截面上呈旋涡状分布，如图4所示。

图4 氨气浓度的旋涡状分布

从模拟结果看，氨气的浓度随着泄漏压力的增高而增加，当泄漏方向为水平或者朝上时，在无扰动情况下厂房顶部四个角落的氨浓度最大，厂房内顶部的氨气浓度大于地面的氨气浓度，而当泄漏方向朝下时，地面的氨气浓度先急剧上升然后氨气逐步往顶部扩散。

3 有限空间氨泄漏试验

实验所选用的场地与模拟的空间一致，是一个长3.7m、宽3m、高2.55m的长方体房间，房间5面墙上封闭，1面墙上开有门以及通风口，实验时门以塑料胶带密封。为保证实验结果贴近现实，保持实验房间原本面貌，对其中的杂物不做清理。图5为氨气泄漏实验室。泄漏源与氨气探测器的具体位置见表1。

图5 氨气泄漏试验房布置

表1 泄漏源及氨气探测器的位置

在试验过程中分别对密闭环境下泄漏压力为23kPa、32kPa进行试验，根据试验无纸记录仪的数据，为了方便观察测点的氨气质量浓度变化，等时间间隔选取数据生成图6所示的三个测点的氨泄漏浓度数据。

图6中，两幅横坐标都为氨气泄漏时间，纵坐标分别为氨气的质量浓度。实验用的氨气探测器采集氨气的浓度范围为0～100ml/m3，经式（3）[12]转化后，氨气探测器的范围转化为0～136.1 mg/m3。

式中：

Cm——氨气的质量浓度，mg/m3；

M——气体相对分子量，实验气体是氨气，M=17；

Cv——氨气的体积浓度，ml/m3；

t——温度，℃，实验温度为9℃，取t=9℃；

p——实验室内的压力，Pa，取p=101325Pa。

图6 试验过程中氨气质量浓度变化

而且已知氨气探测器系统是一阶系统，系统输入与输出关系为式中：

Y(s)——输出信号；

R(s)——输入信号；

Tc——时间常数。

得输出响应：

对两边取拉普拉斯反变换，得到输出响应

式中：

t—氨气泄漏的时间，s。

故实验测得氨气浓度与模拟计算得到的浓度之间存在滞后时间差Tc，查看传感器说明书得此传感器Tc=35s。将模拟得到的氨气浓度作为输入信号R（s）得出输出信号Y（s），再对输出信号取拉普拉斯反变换，得到模拟数据在实验仪器下的氨气浓度，将此氨气浓度与实验得到的氨气浓度进行对比。

从图7和图8可以看出，通过拉普拉斯反变换后，试验过程中的氨浓度变化值与模拟得出的氨浓度变化趋势基本一致，但两者不能完全重合。主要是因为Fluent计算过程本身就存在误差、建模情况不可能完全和试验情况一样、数据采集系统的精确性和试验房间的密封性等影响会导致误差的存在。不过通过对最大差值进行计算得到试验值与模拟值的最大误差不超过15%，所以在工程中可以认为模拟是可靠的，该模型适合用于氨泄漏的模拟分析。

图7 泄漏为23kPa时3个测点实验值与模拟值的对比

图8 泄漏为32kPa时3个测点实验值与模拟值的对比

4 结论

1）建立有限空间内氨泄漏试验平台对氨泄漏过程进行试验，通过试验与模拟得到的氨气质量浓度变化曲线对比发现，两者的变化趋势基本一致最大误差不超过15%，认为模型是可靠的。

2）通过Gambit建立三维有限元模型并采用FLUENT软件对有限空间内氨泄漏进行模拟，得到氨气扩散过程的分析。从模拟结果看，当泄漏方向为水平或者朝上时，在无扰动情况下厂房顶部四个角落的氨浓度最大，厂房内顶部的氨气浓度大于地面的氨气浓度，而当泄漏方向朝下时，地面的氨气浓度先急剧上升然后氨气逐步往顶部扩散。可以说当泄漏方位朝下时对厂房内的人员造成的危险性最大。

3）建立的三维有限空间内的氨泄漏模型能有效地预测氨泄漏后房间内氨气的运动变化情况，该方法可以为工程中涉氨厂房内排风扇的布置，浓度测点的布置提供参考。

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