R32制冷剂泄漏位置对浓度分布与室内安全性的实验研究

金梧凤 薛探栋 袁小勇 王志强

(天津商业大学 天津市制冷技术重点实验室 天津 300134)

R32作为一种节能环保的替代制冷剂，得到广泛应用[1-4]。但R32仍存在缺陷，即易燃且工作压力大，容易发生泄漏和和可燃的风险[5]，因此R32制冷剂在应用过程中的安全性研究已成为众多国内外学者关注的焦点。

由于可燃性制冷剂泄漏实验具有一定危险性，目前针对可燃制冷剂泄漏的研究主要集中于泄漏扩散的数值模型及室内安全性评价研究等方面。Jia Lizhi等[6-7]研究了分体式空调在运行状态下，空调送风速度、泄漏口位置、排风装置对室内R32浓度分布的影响，并进行了安全性分析，结果表明可燃区域主要在泄漏口附近，发生火灾风险的可能性较低。金梧凤等[8]实验研究了壁挂式空调在运行时蒸发器不同泄漏位置和不同泄漏速度下R32的泄漏扩散特性，结果表明，仅在蒸发器出口大流量泄漏时，室内机附近区域存在着火的可能性，排风作用可有效降低室内R32的浓度。田贯三等[9-11]建立了计算可燃工质泄漏后在房间内可燃工质浓度变化的模型。计算结果表明，小型空调器可燃工质泄漏引发的爆炸隐患仅局限于空调系统附近的局部区域内。刘全义等[12-14]通过建筑空调系统中可燃制冷剂的泄漏模型对制冷剂泄漏时的泄漏速度、房间尺寸、通风效果等因素进行了分析，得出随着泄漏速度的增加，室内安全性降低，新风量的增加会有效降低制冷剂浓度；房间尺寸对房间制冷剂浓度分布无显著影响。贾磊等[15]建立了R32泄漏点火模拟实验室。开展R32在不同泄漏速率下的自由沉降实验，研究表明，R32在垂直高度方向上存在明显的浓度梯度；在明火燃烧特性实验中发现，改变R32泄漏位置、蜡烛位置和数量、点火方式等，R32均不会发生火焰蔓延现象。李雨农[16]通过数值模拟研究了R32泄漏扩散规律，研究表明，无论是上方还是下方泄漏，泄漏所释放的制冷剂气体均表现出明显的沉降性。

综合研究现状可知，目前的制冷剂泄漏实验和相关数值模拟主要针对小型空调和固定泄漏点的研究。在实际情况下，由于多联机空调系统的大充注量，在制冷剂发生泄漏时，会对室内安全性造成较大影响，此外，由于空调安装位置和制冷剂管路的差异，发生泄漏的位置也会影响室内的浓度分布，从而威胁到室内安全。本文研究多联机空调系统中R32制冷剂在不同位置发生泄漏对室内制冷剂浓度分布规律和安全性的影响，为评价空调室内安全性以及预防制冷剂泄漏事故等提供依据。本文中的浓度均指体积分数。

1 实验研究

实验测试多联机空调机组制冷剂在小空间内的泄漏扩散规律，研究针对7.350～9.555 kW的多联机空调，泄漏量为3.6 kg。实验设置4个不同的泄漏点，通过改变制冷剂泄漏位置，研究制冷剂泄漏变化规律从而评价室内安全性。

1.1 实验台介绍

根据实验要求，搭建四周为不锈钢壁面的环境舱，舱室尺寸为3 m×4.4 m×2.25 m(长×宽×高)。测试系统主要分为：制冷剂泄漏系统、房间温湿度系统、浓度检测系统。测试系统原理如图1所示。

图1 可燃制冷剂泄漏测试系统原理Fig.1 Principle of combustible refrigerant leakage test system

R32泄漏系统主要包括电子秤、恒温水箱、制冷剂高压储存罐、压力表、流量调节阀、流量计和普通针阀。在泄漏过程中，通过电子秤记录制冷剂质量变化，采用恒温水箱恒温加热来恒定罐内压力。通过流量调节阀调节流量，使流量稳定。温湿度控制系统利用加湿器和电热膜对房间进行温湿度控制，温控器可以设定房间温度自行加热和停止。浓度检测系统主要由QD6310型探测器组成，在室内测点处布置气体浓度探测器检测房间内的浓度。实验中所用的设备和仪器如表1所示。

表1 实验主要设备仪器参数Tab.1 Instrument parameters of main experimental equipment

1.2 实验内容

根据空调系统的不同的安装方式设置4个不同的泄漏位置，此外，为了监测室内可燃性制冷剂R32的浓度变化，根据R32泄漏规律和大于空气密度的物理特性，在z=0.15、1.15、2.00 m平面不同位置处布置测点。测点位置分布在房间内浓度梯度加大的位置[17]，测点分布和泄漏位置如图2所示。

图2 测点及泄漏位置示意图Fig.2 Measurement points and leakage locations

实验开始前，通过恒温恒湿系统调节室内温湿度，使之保持稳定。4个阀门分别位于不同的泄漏点。在制冷剂泄漏时，制冷剂容器罐置于恒温水箱中，通过调节阀控制压力在1 MPa附近。浓度传感器记录房间内不同平面上的测点浓度值。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，改变泄漏口位置。各参数设定值如表2所示。

表2 参数设定值Tab.2 Parameter setting value

2 实验结果及分析讨论

R32气体的泄漏扩散过程中，制冷剂在门窗紧闭的封闭室内发生泄漏，泄漏源为连续源。由于压差的作用，在泄漏的瞬间变为气相，故本文讨论的为R32气体的连续泄漏。由ANSI/ASHRAE 34-2010标准[18]可知，R32的可燃下限LFL(lower flammable limit)体积分数为14.4%，可燃上限UFL(upper flammable limit)体积分数为31%，该区间段内为可燃危险区域。将室内R32的泄漏扩散过程分为4个时间区间，如图3所示。

图3 可燃风险时间划分示意图Fig.3 Diagram of combustible risk time division

观察各泄漏位置下的浓度变化，随着泄漏的进行，房间内会出现可燃区域，达到LFL的时间以及可燃区域的维持时间与浓度的扩散速率有直接关系，分析不同泄漏位置下各平面的浓度变化和各区间段时间。其中不同典型平面R32制冷剂浓度变化如表3、图4所示。

表3 各平面最大浓度及浓度变化速率Tab.3 Maximum concentration and concentration change rate in each plane

图4 不同泄漏位置下R32浓度变化Fig.4 Change of R32 concentration at different leakage locations

2.1 泄漏高度对室内浓度影响分析

R32气体的泄漏扩散过程大致可以分为初始泄漏阶段、上升迟滞阶段、沉降阶段。在初始泄漏阶段，R32由于自身的初始动量，加剧了与周围空气的混合[19]，此时，房间内浓度急剧升高，在约55 min时制冷剂气体泄漏完毕。但仍会在初始动量和惯性的作用下继续升高，在R32气体所具有的初始动量变为0后，室内浓度出现峰值。制冷剂由上升迟滞阶段进入沉降阶段，房间内R32气体会在浓度差作用下进行自由扩散，此时浓度开始下降，之后逐渐向房间下层扩散，最后浓度趋于平缓或降至LFL以下。

由表3和图4可知，在浓度上升阶段，位于泄漏位置1时，随着垂直高度的上升，浓度上升速率逐渐减小，在z=2.00 m平面处的上升速率达到最小值0.04%/min。当位于泄漏位置2时，以泄漏口平面为分界面，浓度向下扩散的速率明显大于向上扩散的速率，越接近房间上部区域，浓度变化越缓慢。当位于泄漏位置3时，R32制冷剂气体沿着房间高度向下扩散，各平面沿高度方向扩散速率无显著差异，均保持在约0.5%/min。室内浓度分布在高度上趋于一致。

在浓度下降阶段，制冷剂浓度下降速率较为缓慢，且随着泄露位置的升高，浓度沉降速率逐渐减小，位于泄漏位置3时，各平面的浓度沉降速率仅保持在约0.06%/min。这是由于在泄漏结束后封闭房间内空气流场稳定，不利于R32气体在房间内的扩散。

随着泄漏位置高度的增加，当泄漏开始后，各平面处的浓度值经过急剧上升后达到峰值，之后均有不同程度的下降。泄漏高度会对气体扩散造成较大影响，随着泄漏源释放高度的增加，R32气体在各平面上的扩散速率会逐渐减小，R32气体在沿房间高度方向上的浓度分布会更加均匀，减小了R32气体在房间底部的积聚。

2.2 泄漏方向对室内浓度影响分析

泄漏位置3和4分别位于房间上部和房间顶部天花板处，两者高度基本一致，但由于泄漏方向不同，造成室内浓度分布的差异。

对比泄漏位置3和4在各平面处的浓度变化(图4(c)、(d))可知，改变泄漏方向对房间中下部的浓度分布无显著影响，在浓度上升阶段，z=0.15、0.50、1.15 m平面的气体扩散速率均保持在约0.5%/min。在浓度沉降阶段，气体扩散速率均保持在约0.06%/min。

在z=2.00 m平面处，气体扩散速率差异较大，这是由于在泄漏位置3时，其泄漏方向为水平射出，在初始动量一定的情况下，R32向四周扩散的初始动量最大，所以R32在泄漏口平面处浓度值最大，向周围空间扩散的最快。泄漏位置4位于房间天花板处，射流方向垂直向下，R32在竖直方向的初始动量最大，并在重力作用下，制冷剂气体由房间上部很快到达地面。导致房间底部的R32浓度远大于房间上部。

在泄漏位置3和泄漏位置4处，由于制冷剂气体射流方向的差异，造成泄漏口附近平面的浓度差异较大，而对房间其他区域的浓度影响较小。

3 各区间可燃风险时间分析

首次达到LFL的时间T1为制冷剂泄漏时房间内的安全时间，可燃危险区间维持时间分为T2和T4两个区间段，该区间段内，室内存在可燃区域，直接影响室内安全性。各区间段持续时间如表4所示。

表4 各区间段持续时间Tab.4 Duration of each segment

3.1 首次达到LFL的时间

由表4可知，T1在泄漏位置1和2处变化尤为剧烈。泄漏位置1附近平面T1最小，泄漏开始后5 min，z=0.15 m平面处率先达到LFL，随着泄漏扩散的进行，各平面浓度逐步到达LFL，z=0.15 m平面以上进入可燃区域，并逐渐向房间上部区域移动，如图5所示。而随着泄漏位置高度的上升，泄漏位置3和4在各水平面的T1变化趋于平缓，如图6所示。

图5 A-1局部放大曲线Fig.5 A-1 local amplification curve

图6 各监测平面安全响应时间变化Fig.6 Changes in safety response time of each monitoring plane

在制冷剂发生泄漏时，为防止室内出现可燃区域，应当在不同泄漏位置下T1最小的平面处安装浓度报警器。对比4种不同的泄漏位置，在泄漏位置1、3、4处时，z=0.15 m平面安全时间最短，当泄漏位置位于中部时，z=1.15 m平面安全时间最短，浓度率先达到LFL，在此处安装浓度报警器的响应时间最短，可以有效提高室内安全性。

3.2 可燃危险时间

对比各泄漏位置下可燃危险时间(T2+T4)变化，如图7所示。当位于泄漏位置1时，可燃危险时间值在z=1.15 m处最大，在该平面处的安全性最低。随着泄漏位置高度的上升，z=0.15 m和z=0.50 m平面处的可燃危险时间逐渐增大。当位于泄漏位置3时，z=0.15 m平面处的可燃危险时间最长，而越靠近房间上部时区域时，可燃危险时间越越小。当位于泄漏位置4，泄漏方向垂直向下时，z=2.00 m平面处的可燃危险时间相比于泄漏位置3时变化最显著，可燃危险时间减小约78%。

图7 各泄漏位置下的可燃时间变化Fig.7 Changes of combustible time at each leakage position

综上所述，当改变泄漏位置时，房间上部区域的可燃危险时间始终最小，安全性最高，泄漏点高度上升时，房间底部的可燃危险逐渐增大。泄漏方向的改变对泄漏口附近平面的可燃风险影响最大。因此，为了稀释和快速排出房间中下部的大量制冷剂气体，优先采用上送下排[20]的通风方式可以有效提高室内安全性。

4 结论

通过实验研究的方法，对比分析了不同泄漏位置R32制冷剂的浓度扩散规律，并通过分析各平面达到可燃危险的持续时间进行室内安全性评价。得到如下结论：

1)在制冷剂泄漏阶段，随着泄漏位置的改变，R32制冷剂在室内分布差异较大，在各泄漏位置处，室内浓度均会超过LFL(14.4%)，泄漏结束后，各平面的浓度均会逐渐降低并趋于平缓。

2)随着泄漏位置高度的增加，制冷剂浓度扩散速率逐渐趋于一致，浓度上升速率和浓度下降速率分别保持在约0.5%/min和0.06%/min。此外，制冷剂气体从房间上部水平射出改为从天花板顶部垂直向下泄漏时，泄漏口附近平面处最大浓度及浓度扩散速率均减小约50%。

3)当泄漏位置位于房间底部、上部和顶部时，Z=0.15 m平面处最先达到LFL，在此处的安全时间仅为5 min。而当泄漏位置位于房间中部时，Z=1.15 m平面处的安全时间为7 min。针对可能发生泄漏的位置，应在房间底部或中部泄漏口附近安装浓度传感器并采取上送下排的通风方式等安全预防措施以提高室内安全性。

4)分析R32气体泄漏位置的改变对室内的安全性影响。当改变泄漏位置时，房间上部的安全性始终最高。随着泄漏点高度的上升，房间下部的可燃危险时间逐渐增大。当改变泄漏方向时，制冷剂从天花板顶部垂直向下泄漏时，房间顶部的可燃危险时间减小78%，泄漏口附近安全性提高。