氨制冷机房门开启位置对氨气泄漏摩尔浓度的影响

曹 蕊, 孙 颖, 王 颖, 张 聪, 刘子豪

(哈尔滨商业大学 能源与建筑工程学院,哈尔滨150028)

目前,我国冷链发展越来越快,逐步向更安全、高效、节能等方向不断完善[1].冷库作为冷链中的重要一环,成为众多方案、工程中优化的重要对象.其中冷库工质的应用一直是人们热议的话题[2-7].氨因其价格便宜,获取较易,热物性良好且环保性好等优点,已被广泛应用[8].与此同时,氨还具有一定毒害性.在前几年相关事故中,氨泄漏造成了众多人员伤亡与财产损失[11-13],因此关于冷库氨泄漏的研究是有必要的.

冷库由于内部空间大,设备陈列不尽相同,传统实验很难精确而全面的获取冷库内气体流场变化[14-17],本文选取实际的氨制冷机房,运用CFD研究两制冷机房门不同相对开启位置对氨气泄漏造成的影响,并进行对比分析,从而为实际工程应用提供切实可行的建议.

1 氨气摩尔浓度对人体影响

氨无色但有强烈刺激气味,当氨气少量泄漏时,摩尔浓度约达到3×10-6kmol/m3操作人员便能发现泄漏并采取相应措施,为保证操作人员安全,需尽可能在摩尔浓度达到该值前进行撤离.氨气各摩尔浓度区间对人体影响如表1所示[18].

表1 不同摩尔浓度区间氨气对人体影响

2 研究对象及数学模型

2.1 机房尺寸及设备分布

本文以某一制冷机房作为研究对象,机房尺寸6 m×5 m×4 m.此制冷机房设有两门一窗,顶棚处设有与冷量相匹配的制冷事故风机.机房内各设备分布如图1所示.

1—低压级压缩机;2—高压级压缩机;3—贮液器;4—中间冷却器;5—气液分离器

2.2 数学模型

实际氨气泄漏工况下氨工质状态较为复杂,为准确的模拟结果对模型进行如下假设:实验过程中,制冷机房温度、压力等恒定不变,机房外围护结构不与外界发生任何热量交换,视为绝热状态;泄漏工质氨为气体,符合理想气体状态方程,状态稳定不发生改变;氨气泄漏过程中,不与外界工质发生任何反应;机房内空气流速恒定,重力加速度不变,不影响气体运动状态.氨气密度与周围环境空气密度不同,且氨气泄漏过程为等温过程,扩散控制方程包括连续性方程、能量守恒方程、动量守恒方程、组分运输方程[19].

1) 连续性方程

(1)

2) 能量守恒方程

(2)

3) 动量守恒方程

(3)

4) 组分运输方程

(4)

其中:Sm为质量源项,kg/(m3·s);E为内能,J;k为导热系数,W/(m·K);hi为i组分的焓,J/kg;Ji为扩散通量kg/(m2·s);Φ为能量耗散项, J/(m3·s);Sh为能量源项, J/(m3·s);τ为切应力,N/m2;mi为质量分数;Si为i组分的质量源项, kg/(m3·s).

3 实验与模拟验证

3.1 测量仪器及监测点分布

氨气泄漏量视为恒定,机房内温15 ℃,泄漏点位于贮液器上方的压力表处,且泄漏气体状态不随时间发生改变.机房内贮液器表压力为303.9 kPa,贮液器内贮存氨量充足.氨泄漏时,机房处于密闭状态.用BSQ-BNH3氨气检测仪进行氨气检测.该仪器内置高精度微型采样泵,可选多种量程范围,适用于不同情况下的氨气检测.在制冷机房内选取三个检测点,三个监测点均位于同一高度,并离泄漏点距离依次增加.持便携式氨气检测仪进行监测,监测点位置分布如图2所示.

图2 监测点空间布局

3.2 实验数据分析

分别在制冷机房三个监测点各测量三次数据,最后取平均值.每次测量前均打开制冷机房的所有门窗进行充分通风,分别记录下5、10、30 s及40 s时的氨气摩尔浓度值,实验时关紧所有门窗.测得的数值为摩尔浓度,转化为摩尔浓度后的氨气变化趋势如图3所示.

图3 各监测点氨气摩尔浓度随泄漏时间的变化

3.3 实验数据与模拟结果对比验证

根据实验系统进行模拟得出氨气摩尔浓度,氨气泄漏0～40 s内,以5 s为间隔的三个监测点实验测量结果与模拟结果氨气摩尔浓度数值对比如图4所示.

图4 各监测点氨气摩尔浓度实验结果与模拟结果比较

泄漏时间相同时,除个别测量点氨气摩尔浓度模拟值和实验值误差达到16%,其余测量点氨气摩尔浓度模拟值和实验值均大致相同,故视为模型基本正确,实验结果可靠.

4 机房门开启相对位置对氨气摩尔浓度的影响

根据上述建立的模型,模拟分析制冷机房门开启的相对位置对氨气泄漏摩尔浓度的影响,分为两种情况进行分析.

4.1 两扇机房门在相邻两墙开启时的氨气摩尔浓度分布

根据实际需要,通常制冷机房均设两扇机房门来适应生产运作及人员活动的需求.当操作人员发现氨气泄漏并进行疏散时,机房的两扇门打开.为探究氨气泄漏时操作人员口鼻处的氨气摩尔浓度,选取Z=1.6 m进行模拟分析.泄漏时间达28 s时,除门附近,水平面氨气摩尔浓度均达到1×10-5kmol/m3,操作人员开始产生眼睑肿胀,喉部有刺激感等生理反应;泄漏时间达33 s时,水平面氨气摩尔浓度达到4×10-5kmol/m3,操作人员生理反应进一步加剧;泄漏时间达37 s时,水平面氨气摩尔浓度达到1×10-4kmol/m3,可影响操作人员生命安全,三个泄露时间的氨气摩尔浓度分布如图5所示.认为此制冷机房发生氨气泄漏后,操作人员有约37 s时间进行疏散撤离.

图5 机房两门位于邻墙时Z=1.6 m 平面氨气摩尔浓度分布图

当两扇机房门设置在相邻两墙,泄漏时间达28 s时,Z=1.6 m平面沿X轴和Y轴的氨气摩尔浓度分布较不均匀.放置在相邻两墙的两扇门附近氨气摩尔浓度差异较大,泄漏源处氨气摩尔浓度分布较为密集,在泄漏源附近出现的涡旋部分氨气摩尔浓度形成一个小波峰,如图6所示.

图6 机房两门位于邻墙时Z=1.6 m平面沿X轴、Y轴方向氨气摩尔浓度分布

分别选取过泄漏源Z=0.8 m平面和机房棚顶Z=4 m平面进行氨气摩尔浓度分布研究.除机房门附近,选取的两平面氨气摩尔浓度分布相似,说明氨气有快速向上方扩散的特点;在泄漏源附近氨气摩尔浓度偏高,气体会遇墙反弹形成涡旋,如图7、8所示.

图7 机房两门位于邻墙时Z=0.8 m平面氨气摩尔浓度分布图

图8 机房两门位于邻墙时Z=4 m平面氨气摩尔浓度分布图

当两扇机房门设置在相邻两墙,泄漏时间达28 s时,Z=4 m平面沿X轴和Y轴的氨气摩尔浓度分布均较不均匀.X轴、Y轴氨气摩尔浓度分布均在泄漏源附近较为密集且摩尔浓度偏高,其他位置均呈现摩尔浓度分布分散,摩尔浓度差异大的特点,如图9所示.

图9 机房两门位于邻墙时Z=4 m平面沿X轴、Y轴方向氨气摩尔浓度分布

4.2 两扇机房门在相对墙时的氨气摩尔浓度分布

同选取Z=1.6 m平面进行研究,泄漏时间达23、 26、 33 s时,除机房门附近外,均分别到达轻微刺激、生理反应加剧、影响操作人员生命安全的氨气摩尔浓度.认为此制冷机房发生氨气泄漏后,操作人员有约33 s进行疏散撤离.机房门在对墙设立时的氨气摩尔浓度分布如图10所示.

图10 机房两门位于对墙时Z=1.6 m 平面氨气摩尔浓度分布图

当两扇机房门设置在相对两墙,泄漏时间达28 s时,Z=1.6 m平面沿X轴和Y轴的氨气摩尔浓度分布同样较不均匀,且整体氨气摩尔浓度略有增加,如图11所示.此时氨气摩尔浓度分布与两扇机房门设置在相邻两墙时的氨气摩尔浓度分布相似,但没有规律性,存在差异,说明两扇机房门开启相对位置会对氨气摩尔浓度造成影响.

图11 机房两门位于对墙时Z=1.6 m平面沿X轴、Y轴方向氨气摩尔浓度分布

泄漏时间达28 s时,分别选取过泄漏源Z=0.8 m平面和机房棚顶Z=4 m平面进行氨气摩尔浓度分布研究.除两扇门附近外,在相同泄漏时间下,两扇机房门相对开启时,两平面氨气摩尔浓度分布更加均匀,涡旋现象不明显,说明两扇门相对开启时,机房内气体流动加快;除泄漏源附近及两扇门附近,在相同泄漏时间下,机房门相对开启时两平面氨气摩尔浓度比机房门在相邻两墙开启时两平面氨气摩尔浓度高,说明两扇机房门相对开启虽然可以加快气体流动,但由于加剧机房内气体扰动程度,导致涡旋位置发生改变,并使氨气扩散加剧,两平面内氨气摩尔浓度均略有增加,如图12、13所示.

图12 机房两门位于对墙时Z=0.8 m平面氨气摩尔浓度分布图

图13 机房两门位于对墙时Z=4 m平面氨气摩尔浓度分布图

当两扇机房门设置在相对两墙,泄漏时间达28 s时,Z=4 m平面沿X轴的氨气摩尔浓度分布较为均匀,沿Y轴的氨气摩尔浓度分布较为分散.沿X轴方向靠近泄漏源处氨气摩尔浓度较高,沿Y轴各位置氨气分布相似,摩尔浓度差异不大,如图14所示.

5 结 论

氨虽然在一定程度上会造成人员的生命财产安全,但氨作为环保、价低的制冷工质,若设计操作规范,则很大程度上可以规避相应风险,减少人员发生毒害现象.本文对实际的制冷机房进行简化模拟,根据制冷机房门不同位置得出氨气扩散结果,并对有限空间内制冷机房门的分布位置进行合理建议,有利于增加操作人员反应逃生时间,主要结论如下:

1) 泄漏点附近氨气摩尔浓度高于周围氨气摩尔浓度,氨气向周围扩散,触墙反弹形成涡旋.两扇机房门在相对两墙开启时,虽然一定程度上可以加快气体流动,利于氨气排出,但由于改变了气流组织的分布,使氨气扩散范围增大,涡旋中心位置向门侧移动,缩短了安全的疏散时间,不利于氨气泄漏时操作人员的逃生.

2) 两扇门位置位于相邻两墙,并间隔一定距离时,既有利于氨气摩尔浓度的降低,又能减少气流紊乱和氨气扩散速度,有利于增加操作人员的有效逃生时间.