R32 制冷剂泄漏速度对室内可燃风险的影响研究

杨清泉 袁小勇 金梧凤

（1.天津商业大学 天津 300400 2.天津市制冷技术重点实验室 天津 300400）

引言

在2007年的19届大会的《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔协定书》上，加速了淘汰有关HCFCs制冷剂的进程，于是逐渐出现了新型制冷剂二氟甲烷（R32）[1]，R32制冷剂因其ODP为0，GWP较低和良好的热工特性，在19年的基加利修正案上被定义为过渡性替代制冷剂而被长时间使用[2]，但R32属于A2L类制冷剂，具有可燃性，在其使用和运输过程中可能发生泄漏和燃烧爆炸事故，所以研究该制冷剂的泄漏、扩散特性，并对其进行安全性评价是非常必要的[3]。

目前，很多国内外学者在有关可燃性制冷剂R32的研究主要分成数值模拟和实验研究两个方向。数值模拟方面，杨昭等[4]针对高斯模型不能计算有限时间扩散的缺陷，研究了储罐系统泄漏时泄漏速度与时间的关系式，模拟并验证后得到了一个能更精确描述点源有限时间泄漏扩散模型。刘全义等[6]的研究结果可知，制冷剂发生泄漏时危险区主要在1.2 m以下。

实验研究方面，贾利芝[5]等以送风角度对R32扩散规律的影响进行了研究，结果表明，R32开始泄漏时，泄漏口附近会出现危险性较小，滞留时间较短的可燃区。Jin wufeng[6]等研究了R32在分离式壁挂空调的蒸发器不同位置泄漏时，得出了R32在空调运行时的扩散特性，同时知道了排风对浓度衰减影响强烈。袁小勇等[7]将室内R32浓度位于不可燃烧区间的时间段定义为安全时间，将R32浓度位于可燃区间时间段定义为危险时间，通过对多联机空调内使用R32制冷剂运行时，不同门窗开启度对室内R32的浓度分布的实验研究，得到在门窗开启时，危险时间将缩短至60 %以上的结论。

以上研究表明，国内外对于R32制冷剂泄漏的研究主要集中在空间内R32浓度分布的方向上，对于泄漏时R32浓度随时间的变化规律及其安全性研究较少，其中并未涉及到当R32泄漏时，对R32浓度首次达到LFL（可燃浓度下限14.4 v%）的时间进行研究。同时之前研究所定义的安全时间包括了仍有潜在的可燃风险的时间段（R32浓度超过UFL（可燃浓度上限31 v%）此时室内不可燃）。为了在R32泄漏时对消防做出及时响应，且更加全面了解R32制冷剂泄漏过程中室内处于不可燃时间内潜在的危险变化，搭建R32制冷剂泄漏实验室，通过改变制冷剂泄漏速度来研究R32制冷剂扩散浓度变化规律，对R32制冷剂泄漏的时间区间变化规律进行分析，并进行安全性评价，为有效预防R32制冷剂在室内不可燃时潜在的燃爆灾难提供了重要依据。

1 实验台和实验内容介绍

1.1 实验台

R32空调系统制冷剂泄漏测试系统流程图如图1所示，可简单分为三个部分：恒温恒湿控制段、R32制冷剂泄漏试验段和溶度检测段三部分组成。利用电热膜对房间加热和达到实验温度后保证室内温度恒定，在房间中部放置两台加湿器来保证室内湿度的恒定，使用轴流风机使室内空气均匀分布，统一室内各个位置温湿度情况，使用针阀来调节制冷剂泄漏速度，最后用气体浓度探测器检测室内R32的浓度值，实验中所用的设备和仪器如表1所示。

图1 R32空调系统制冷剂泄漏测试系统流程图

表1 实验仪器表

1.2 测点布置

实验室内制冷剂泄漏点和浓度测点位置如图2所示，该实验室的尺寸为：4.4 m×3 m×2.25 m，根据多联机实际安装位置确定制冷剂的泄漏位置位于天花板的中线上，泄漏方向朝下，距离最近一侧墙体0.5 m，高度为2.25 m。

图2 测点布置图

根据《建筑物空调系统可燃制冷剂泄漏浓度场分布》可知[8]，在泄漏口的周围制冷剂浓度比较大，制冷剂主要分布区在房间的下层，且在房间一半高度以下。所以本实验采用控制变量法，门窗均关闭并且室内各个位置温湿度基本相同的情况下，分别在距离墙壁0.5 m、1.5 m、2.5 m处设置测点排，每排分布九个测点，九个测点分别以三个为一组，每组的竖直高度分别是0.15 m、0.5 m、1.15 m，组内每个测点距离墙分别为0.7 m、1.5 m、2.3 m、实时记录R32制冷剂浓度变化，分别以三个平面的平均浓度进行分析。

1.3 实验内容

1.3.1 R32泄漏时间的相关定义

R32泄漏浓度变化趋势如图3所示，具体说明了T1至T5的具体含义。依据R32泄漏时的浓度变化规律，将R32浓度达到可燃区间的时间分成T1，T2，T3，T4。将R32浓度首次达到LFL（可燃浓度下限14.4 v%）的时间定义为安全响应时间，以此用于代表消防的响应时间；根据R32浓度可燃区间，将泄漏发生的时间过程划分成危险时间和不可燃时间；依据浓度是否在UFL(可燃浓度上限31 v%)以上，又将不可燃时间细分成相对危险时间和安全时间。

图3 R32泄漏浓度变化趋势图

在相对危险时间内，R32浓度会下降至可燃区间（LFL～UFL），因此室内有可燃风险，而安全时间内，R32浓度在LFL以下，室内安全。

1.3.2 实验过程

在实验中，保持门窗关闭，在制冷剂泄漏时，保证管内压力不变，泄漏高度恒定为天花板处，各泄漏速度的制冷剂的泄漏总量均为3.6 kg。室内温湿度分别控制在25 ℃、45 %。通过浓度传感器记录房间内不同平面的测点的浓度值。每次泄漏结束后，开启排风系统，待房间初始浓度和初始流场均恢复稳定后，改变泄漏速度，再进行测量。

2 实验结果分析

2.1 室内R32浓度动态分布特性分析

为了更好地解释R32泄漏时的浓度变化规律，引用重气云团理论进行说明。R32属于重气云团[10-14],其具体过程为R32的瞬间泄漏形成了重气云团运动，云团运动卷吸周围空气，最后被卷吸空气稀释的云团进行重力扩散向仅仅依靠浓度差作为动力源的非重力扩散转变。

不同泄漏速度下各平面R32的泄漏情况如图4所示，R32浓度有着相同的变化趋势：其浓度逐渐上升达到最大值后，开始下降,最后达到浓度平衡。无论泄漏速度为何值，泄漏速度曲线的最高点均超过UFL，且最终浓度均降至LFL以下。

图4 不同泄漏速度下各平面R32的泄漏情况

因为室内封闭，R32浓度仅依靠室内空气进行稀释，R32未泄漏完毕时，室内低R32浓度累积速度远大于因泄漏引发空气卷吸而被稀释的速度，浓度快速升高；又因为泄漏点开口向下，重气沉降，因此R32在房间底部富集，最终在泄漏结束时，R32浓度超过UFL，达到最大值。在达到浓度最大值后，由于无R32进行补充，其浓度开始下降，最终浓度下降至LFL以下。

2.2 室内安全响应时间分析

各平面安全响应时间随泄漏速度变化的规律如图5所示。同一平内，随着泄漏速度增加，安全响应时间呈下降趋势；以0.15 m平面为例，当泄漏速度从15递增至90时，安全响应时间从77 mins依次下降至41 mins，31 mins，27 mins，23 mins，22 mins，泄漏速度为15 L/min的安全响应时间是90 L/min的2.5倍，安全响应时间差可达55min；相同泄漏速度下，平面越高安全响应时间越长，15 L/min时1.15m平面比0.15m平面的安全响应时间延迟了12 min，三个平面的安全响应时间随着泄漏速度增加而逐渐接近，在泄漏速度为90 L/min时，三个平面的安全响应时间相同。

发生泄漏时，R32先经过高平面后扩散沉降聚集在房间底部,再向四周扩散，因此室内底部安全响应时间最短；随着泄漏速度的提升，R32到达房间底部的时间缩短，气流引起的卷积作用加强，沉降在房间底部后向四周扩散的速度加快，R23从低平面扩散至较高平面的时间变短，安全响应时间随着泄漏速度的增加而逐渐接近，最终在泄漏速度为90 L/min时三个平面安全响应时间相同。

2.3 室内不可燃时间分析

由于不可燃时间分成相对危险时间和安全时间，因此先从相对危险时间和安全时间进行分析。

不同平面下各泄漏速度所对应的相对危险时间以及相对危险时间占比变化情况如表4所示。由表可看出，随着泄漏速度的增加，相对危险时间值和相对危险时间占比皆呈下降趋势；以其中最危险的0.15 m平面为讨论要点，该平面各泄漏速度下，相对危险时间和安全时间以及相对危险时间比的变化情况。随着泄漏速度从15 L/min逐次递增至90 L/min，相对危险时间从450 mins分别递减至 272 mins，260 mins，247 mins，240 mins，235 mins最大时间差为215 mins；相对危险时间比也随之从91.28 %下降至44.68 %。在不可燃时间内，泄漏速度为15 L/min时相对危险时间占比最高，室内最有可能再次发生燃烧事故。

表4 各泄漏速度下相对危险时间占比表

相对危险时间下降的原因有：一是在浓度上升至最大值阶段，泄漏速度越快，室内R32浓度越快达到其最大浓度值，所占的相对危险时间越少；二是在室内浓度从最大值下降到UFL阶段，室内R32浓度主要受卷吸效应的影响，泄漏速度大和重力沉降引起湍流运动加剧,使得气体云与周围环境的气体交换变得剧烈,空气被卷吸使R32气体云浓度被加速稀释下降至UFL以下，缩短了相对危险时间。

而对于安全时间来说，在重气效应完全消失，重气扩散转为由大气湍流支配扩散的非重气扩散时，泄漏速度快使得湍流卷吸周围空气所形成的涡旋场在短时间内仍然对R32进行稀释，加速了室内R32浓度下降至LFL以下的时间，延长了安全时间。

不同平面下R32泄漏速度对应的室内不可燃时间变化规律如图7所示，不可燃时间随着泄漏速度的增加呈现先下降后上升的趋势，拐点出现在泄漏速度为30 L/min时。

图7 各平面R32泄漏速度对应的不可燃时间

当泄漏速度从15 L/min提升至30 L/min时，卷吸周围空气所形成的涡旋场较弱，对室内R32浓度加速稀释时间短，主要作用于相对危险时间段内，相对危险时间被缩短幅度大；当涡旋场消失后开始依靠浓度进行非重力扩散时，起始浓度较高，降至LFL以下时间较长，安全时间较短，安全时间延长幅度不如相对危险时间缩短幅度大，故不可燃时间被缩短。当泄漏速度从30 L/min提升45 L/min乃至更高时，泄漏速度越大，产生的涡旋场越强，加速稀释的时间越长，当涡旋场消失以后室内浓度越低，下降至LFL的时间越短，安全时间长，故不可燃时间被延长。

3 结论

1）随着泄漏速度的增加安全响应时间缩短，同一平面内最大安全响应时间差高达55 mins。安全响应时间随着平面高度增加而减少，0.15 m平面对发生R32泄漏事故的响应最及时。

2）构成不可燃时间的相对危险时间与安全时间随泄漏速度变化趋势相反，其随着泄漏速度增加呈递减趋势，最大时间差为215 mins。在不可燃时间内，泄漏速度为15 L/min时相对危险时间占比最高，室内最有可能再次发生燃烧事故。

3）室内的不可燃时间随着泄漏速度的增加呈现下降后上升的趋势；在泄漏速度为30 L/min时，不可燃时间最短，速度为90 L/min时不可燃时间最长。

4）考虑到室内发生R32泄漏的时候室内安全性问题，由此提出建议：

①结合R32泄漏时不同平面高度的R32浓度变化规律，可将R32警报器安装于0.15 m平面处，在室内发生R32泄漏时做到及时响应，保护室内人员财产安全。

②若发生小流速（＜30 L/min）泄漏时，室内相对危险时间占比高，该时间内R32浓度有较大下降至可燃区间的风险，因此即使处于不可燃时间亦应严禁烟火，并及时打开门窗进行通风换气，通知相关人员，做好消防工作。