空調(diào)送風(fēng)速度和送風(fēng)角度對(duì)可燃性冷媒R32泄漏擴(kuò)散規(guī)律的影響

金梧鳳，賈利芝，張燕

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空調(diào)送風(fēng)速度和送風(fēng)角度對(duì)可燃性冷媒R32泄漏擴(kuò)散規(guī)律的影響

金梧鳳1，賈利芝1，張燕2

（1天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300134；2北京清華同衡規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京100085）

R32以其良好的熱力性能和環(huán)保特性成為了極具潛力的替代制冷劑，然而其可燃性制約了它的廣泛應(yīng)用。從可燃性冷媒R32的泄漏擴(kuò)散對(duì)室內(nèi)安全性影響的角度出發(fā)，采用實(shí)驗(yàn)研究的方法，探索空調(diào)運(yùn)行條件下制冷劑泄漏規(guī)律及空調(diào)送風(fēng)速度和送風(fēng)角度對(duì)室內(nèi)R32濃度分布的影響。分析結(jié)果表明，空調(diào)運(yùn)行時(shí)制冷劑泄漏速率隨時(shí)間逐漸降低，泄漏過(guò)程可以分為高速泄漏階段和低速泄漏階段；分析空調(diào)送風(fēng)速度和送風(fēng)角度對(duì)室內(nèi)R32濃度分布的影響，得到不同送風(fēng)工況下室內(nèi)R32的濃度分布規(guī)律；對(duì)制冷劑泄漏條件下室內(nèi)環(huán)境安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明在R32開(kāi)始泄漏的很短時(shí)間內(nèi)，泄漏口附近出現(xiàn)可燃區(qū)域，但可燃區(qū)域滯留時(shí)間很短，危險(xiǎn)性較小。

R32；泄漏；送風(fēng)速度；送風(fēng)角度；對(duì)流作用；擴(kuò)散；安全性

引 言

隨著一系列環(huán)境問(wèn)題的凸顯，使得常規(guī)制冷劑如CFCs類和HCFCs類制冷劑先后被納入了禁止使用的行列。為了減少制冷空調(diào)行業(yè)對(duì)大氣環(huán)境的不良影響，氟里昂制冷劑的淘汰和替代成為研究的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)制冷劑R22的替代物主要有以下幾種[1-3]：R410A、R290、R32、R407C、R125和R1234yf等。將其與R22的熱工性能相比，可以發(fā)現(xiàn)各替代制冷劑的COP都沒(méi)有超過(guò)R22，但R32具有一定優(yōu)勢(shì)。R32的臭氧破壞潛能值（ODP）為0，全球氣候變暖潛能值（GWP）僅是R410a的1/3，且R32的單位容積制冷能力較高，相同制冷量下R32制冷劑充注量?jī)H是R22的57%。然而由于R32的可燃性，在使用中存在著火的危險(xiǎn)，制約了它的廣泛應(yīng)用。R32以其環(huán)保性和良好的熱力性能成為最具潛力的替代制冷劑。因此，對(duì)R32制冷劑在使用過(guò)程中的安全性的研究成為焦點(diǎn)。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已針對(duì)可燃性冷媒泄漏擴(kuò)散問(wèn)題開(kāi)展了泄漏擴(kuò)散模型、泄露擴(kuò)散后房間濃度分布以及對(duì)其安全性評(píng)價(jià)3方面的研究?，F(xiàn)將國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展和動(dòng)態(tài)總結(jié)如下。

（1）對(duì)制冷劑泄漏模型的研究。楊昭等[4-5]對(duì)制冷劑動(dòng)態(tài)泄漏模型進(jìn)行了研究。分析了各因素對(duì)制冷劑泄漏的影響。通過(guò)求解模型的解析解和數(shù)值解，分析有限時(shí)間泄漏擴(kuò)散的濃度分布。

（2）對(duì)制冷劑泄漏擴(kuò)散室內(nèi)濃度分布的研究。李廷勛等[6-7]對(duì)房間空調(diào)器中R290制冷劑在室內(nèi)泄漏進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)中制冷劑泄漏量保持恒定。文中分析了泄漏速度和泄漏口位置等因素對(duì)制冷劑泄漏和室內(nèi)濃度分布的影響。劉知新等[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了家用空調(diào)器停機(jī)時(shí)R290制冷劑泄漏擴(kuò)散規(guī)律，指出在關(guān)機(jī)狀態(tài)下最大泄漏率大于800 g·min-1時(shí)，空調(diào)器正下方短時(shí)間內(nèi)存在高濃度區(qū)域，可能會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)。Li等[9]通過(guò)模擬柜式和壁掛式空調(diào)器制冷劑泄漏時(shí)室內(nèi)濃度分布，對(duì)比兩者發(fā)現(xiàn)當(dāng)柜式空調(diào)發(fā)生制冷劑泄漏時(shí)，會(huì)在房間下部產(chǎn)生集聚，而上部空間安全；壁掛式空調(diào)器發(fā)生制冷劑泄漏后出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，房間中部濃度最低。張網(wǎng)等[10]對(duì)空調(diào)室內(nèi)機(jī)制冷劑定流量泄漏進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，指出可燃區(qū)出現(xiàn)在泄漏口附近，可燃區(qū)域范圍很小且僅僅出現(xiàn)在泄漏過(guò)程中；設(shè)備安裝高度對(duì)室內(nèi)濃度分布影響很大。徐帥帥等[11]通過(guò)模擬室外機(jī)在有空調(diào)送風(fēng)房間發(fā)生制冷劑泄漏，分析了新風(fēng)送風(fēng)速度和泄漏速率對(duì)室內(nèi)R32濃度分布的影響。

（3）對(duì)制冷劑泄漏擴(kuò)散及安全性評(píng)價(jià)的研究。Colbourne等[12-13]介紹了一種定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估（QRA）模型，用來(lái)評(píng)價(jià)碳?xì)浠衔镏评鋭┰趦?chǔ)存和設(shè)備靜止時(shí)發(fā)生著火的可能性。田貫三等[14]對(duì)可燃制冷劑泄漏及爆炸危害評(píng)價(jià)進(jìn)行研究，結(jié)果表明在小型空調(diào)器中使用可燃性制冷劑危險(xiǎn)性很小，當(dāng)室內(nèi)存在有效點(diǎn)火源時(shí)可能會(huì)發(fā)生火災(zāi)。Zhang等[15]對(duì)R290制冷劑泄漏進(jìn)行研究，得到當(dāng)泄漏點(diǎn)附近有火源時(shí)制冷劑泄漏會(huì)發(fā)生著火。如果室內(nèi)機(jī)塑料外殼被引燃，將會(huì)產(chǎn)生濃煙，對(duì)室內(nèi)人員安全影響嚴(yán)重。Cheong等[16]利用示蹤氣體和靜壓差法，檢測(cè)室內(nèi)氫氟烴制冷劑濃度。Yajmar等[17]對(duì)比分析了R290、R32、R1234fy可燃制冷劑的熱力性能以及火焰?zhèn)鞑ヌ匦?。?shí)驗(yàn)結(jié)果表明R32制冷劑遇明火可燃，與R290制冷劑相比，其火焰?zhèn)鞑ニ俣容^慢，著火危險(xiǎn)性較低。Eiji等[18]對(duì)微可燃性冷媒的安全性進(jìn)行研究，通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)研究不同類型空調(diào)制冷劑泄漏擴(kuò)散特性，實(shí)驗(yàn)表明壁掛式空調(diào)發(fā)生泄漏時(shí)地板附近制冷劑濃度沒(méi)有達(dá)到可燃下限LFL，而柜式空調(diào)發(fā)生泄漏時(shí)地板附近濃度則超過(guò)可燃上限UFL。Andrew[19]對(duì)采用可燃性冷媒的冰箱進(jìn)行測(cè)試，分析系統(tǒng)壓力以及制冷劑泄漏時(shí)室內(nèi)制冷劑濃度分布情況。Liu等[20]通過(guò)模擬分析泄漏速率、新風(fēng)量等對(duì)室內(nèi)R290濃度分布的影響，模擬結(jié)果表明泄漏率增加時(shí)著火危險(xiǎn)性增加；相反隨著新風(fēng)量的增加室內(nèi)R290濃度降低，房間內(nèi)發(fā)生著火的危險(xiǎn)性降低。劉全義等[21]對(duì)數(shù)值模擬進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)自定義泄漏曲線來(lái)接近實(shí)際運(yùn)行工況，分析排風(fēng)口位置對(duì)制冷劑泄漏形成濃度場(chǎng)的影響。結(jié)果表明對(duì)于重質(zhì)氣體泄漏，排風(fēng)口設(shè)在房間下部能夠有效降低室內(nèi)重質(zhì)可燃?xì)怏w濃度。

從研究現(xiàn)狀來(lái)看，對(duì)可燃性冷媒泄漏擴(kuò)散的研究以數(shù)值模擬和理論分析為主，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試的較少，且目前的研究多是在維持泄漏量為定值情況下進(jìn)行。而空調(diào)運(yùn)行時(shí)制冷劑發(fā)生泄漏，泄漏口處壓力會(huì)隨泄漏的進(jìn)行和空調(diào)壓縮機(jī)的壓縮而改變，制冷劑泄漏速率是隨時(shí)間變化的。因此，采用定流量的方法研究制冷劑泄漏擴(kuò)散規(guī)律與實(shí)際運(yùn)行條件下制冷劑泄漏擴(kuò)散規(guī)律存在著一定差別。因此，本文研究空調(diào)實(shí)際運(yùn)行時(shí)可燃性冷媒R32泄漏和擴(kuò)散規(guī)律，對(duì)R32制冷劑的安全使用和事故預(yù)防具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置介紹

實(shí)驗(yàn)室為3.9 m×2.9 m×2.75 m的房間，室內(nèi)側(cè)墻2.2 m高處安裝一臺(tái)壁掛式空調(diào)器。根據(jù)天津地區(qū)氣象參數(shù)計(jì)算選型，選擇一臺(tái)制冷量為3500 W、送風(fēng)量600 m3·h-1的壁掛式空調(diào)器。空調(diào)送風(fēng)速度分為低、中、高3檔，根據(jù)實(shí)際測(cè)量3檔的送風(fēng)速度分別為3.8、5.8、7.6 m·s-1。送風(fēng)角度（送風(fēng)百葉與水平面之間所成的銳角如圖1所示）根據(jù)實(shí)際測(cè)量分別為25°、34°、43°。

空調(diào)室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)由Z型支架進(jìn)行固定，并將Z型支架安放在電子秤上，用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)質(zhì)量變化。通常情況下，制冷劑在室內(nèi)泄漏發(fā)生在蒸發(fā)器入口管或蒸發(fā)器出口管與蒸發(fā)器的焊接處，泄漏口一般為條縫或孔口。本實(shí)驗(yàn)對(duì)制冷劑在蒸發(fā)器出口泄漏進(jìn)行研究，在蒸發(fā)器出口管連接一個(gè)三通，將分出的支管伸入室內(nèi)，模擬蒸發(fā)器出口孔口泄漏。該支管位于=0.23 m平面內(nèi)并與墻壁之間成約60°夾角，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)安裝在支管上的閥門(mén)控制泄漏口的開(kāi)關(guān)。本次實(shí)驗(yàn)所用支管管內(nèi)徑8 mm，泄漏閥閥芯通徑約為5 mm，閥門(mén)開(kāi)度維持在全開(kāi)的1/8(全開(kāi)需要轉(zhuǎn)動(dòng)8格，實(shí)驗(yàn)中只開(kāi)啟1格)，泄漏閥連接位置和泄漏口朝向見(jiàn)圖1。實(shí)驗(yàn)中所用設(shè)備和儀器參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器參數(shù)

Table 1 Equipment and instrument parameters

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

為探索不同空調(diào)送風(fēng)條件下制冷劑泄漏擴(kuò)散規(guī)律。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)改變送風(fēng)速度和送風(fēng)角度，研究不同條件下，制冷劑泄漏變化規(guī)律以及室內(nèi)制冷劑濃度分布。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)電子秤檢測(cè)制冷劑泄漏變化規(guī)律。為了監(jiān)測(cè)室內(nèi)可燃性冷媒R32的濃度變化，在泄漏口正對(duì)面處布置測(cè)點(diǎn)6，在=0.58 m平面不同位置處布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)(1～5)，測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。在各測(cè)點(diǎn)處分別固定一個(gè)R32氣體濃度探測(cè)儀，監(jiān)測(cè)室內(nèi)R32濃度變化規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：首先給空調(diào)器充注制冷劑，由于制冷劑充注受到環(huán)境影響因此每次充注并不完全一樣，保持在780 g±70 g。其次，調(diào)整空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)至實(shí)驗(yàn)工況，為了得到穩(wěn)定的流場(chǎng)，維持空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)30 min左右。當(dāng)室內(nèi)流場(chǎng)穩(wěn)定后開(kāi)啟制冷劑泄漏閥，閥門(mén)開(kāi)度為全開(kāi)的1/8。在泄漏開(kāi)始后25 min左右制冷劑泄漏完畢，泄漏完成后仍保持室內(nèi)送風(fēng)不變運(yùn)行1 h，使室內(nèi)制冷劑與空氣充分混合。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)改變空調(diào)送風(fēng)速度和送風(fēng)角度，觀察不同送風(fēng)工況下室內(nèi)R32濃度分布。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析討論

2.1 空調(diào)運(yùn)行時(shí)制冷劑泄漏變化規(guī)律

圖3為空調(diào)送風(fēng)角度25°時(shí)，不同送風(fēng)速度下R32的泄漏規(guī)律。由圖3可以看出：在R32開(kāi)始泄漏的前8 min制冷劑的泄漏量為充注量的80%左右，泄漏速率達(dá)到71.1 g·min-1，該階段稱為高速泄漏階段。8 min之后至泄漏完成為低速泄漏階段，泄漏速率約為6.52 g·min-1。這是由于在泄漏初期泄漏口處壓力較高，且壓縮機(jī)運(yùn)行不斷補(bǔ)充泄漏口處壓力；隨著制冷劑泄漏的進(jìn)行，泄漏口處壓力逐漸減小。因此，在泄漏初期速度較快，隨著時(shí)間的推移制冷劑泄漏速度逐漸減小。當(dāng)泄漏口處制冷劑壓力與環(huán)境壓力一致時(shí)，制冷劑完成泄漏。

由以上分析可以看出在空調(diào)運(yùn)行時(shí)R32泄漏速率隨泄漏的進(jìn)行逐漸下降；從整體上看空調(diào)運(yùn)行時(shí)制冷劑泄漏過(guò)程分為兩個(gè)階段：高速泄漏和低速泄漏階段。

2.2 空調(diào)運(yùn)行時(shí)制冷劑擴(kuò)散規(guī)律

根據(jù)實(shí)驗(yàn)中對(duì)制冷劑泄漏量變化的記錄，可以看出制冷劑在開(kāi)始泄漏后25 min左右完成泄漏，25～100 min之間僅空調(diào)室內(nèi)機(jī)風(fēng)機(jī)運(yùn)行，制冷劑不再泄漏。因此，制冷劑的擴(kuò)散可以分為泄漏擴(kuò)散和對(duì)流擴(kuò)散兩個(gè)階段。根據(jù)泄漏規(guī)律及R32較空氣重的物理特性，本文分析了不同空調(diào)送風(fēng)條件下泄漏口附近測(cè)點(diǎn)6的濃度變化，及=0.4 m垂直面和=1.0 m處水平面濃度分布規(guī)律。

2.2.1 送風(fēng)速度對(duì)室內(nèi)R32濃度分布的影響 以下為送風(fēng)角度25°空調(diào)送風(fēng)速度分別為3.8、5.8、7.6 m·s-1時(shí)，室內(nèi)各點(diǎn)濃度變化規(guī)律。首先，分析泄漏口附近測(cè)點(diǎn)6的濃度變化規(guī)律(圖4)。由圖4可以看出：在泄漏擴(kuò)散階段，測(cè)點(diǎn)6處濃度逐漸升高，隨著制冷劑泄漏速度減慢，送風(fēng)氣流的擾動(dòng)和沉降的共同作用，測(cè)點(diǎn)6處濃度迅速下降并趨于穩(wěn)定；不同送風(fēng)速度下，各點(diǎn)最大濃度及充分對(duì)流后各點(diǎn)濃度值見(jiàn)表2。由表2和圖4可得測(cè)點(diǎn)6最大濃度16.09vol%，達(dá)到可燃下限濃度[LFL=14%(體積)]的114.9%；與其他測(cè)點(diǎn)濃度變化規(guī)律相比，測(cè)點(diǎn)6處制冷劑濃度最先開(kāi)始升高，且濃度變化劇烈，最大濃度比其它各點(diǎn)大很多，這是由于測(cè)點(diǎn)6位于泄漏口正對(duì)面，對(duì)制冷劑泄漏響應(yīng)較快。

其次，分析=0.4 m平面上制冷劑濃度分布，如圖5所示。由圖5和表2可以看出：在濃度最大時(shí)刻，測(cè)點(diǎn)2處制冷劑濃度較低，僅為可燃濃度下限的11.7%，測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)1處制冷劑濃度分別為R32可燃下限的17.1%和15.7%（表2）；由于送風(fēng)氣流和沉降的共同作用，測(cè)點(diǎn)3較測(cè)點(diǎn)1處R32濃度高約0.20%，高出1點(diǎn)濃度的8.7%。由于空調(diào)送風(fēng)的對(duì)流擴(kuò)散作用，對(duì)流擴(kuò)散階段各點(diǎn)濃度比最大濃度下降54.5%；對(duì)比3個(gè)測(cè)點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)2濃度下降速率較低，造成這一結(jié)果的原因，一是測(cè)點(diǎn)2處起始濃度最低，二是測(cè)點(diǎn)2位于送風(fēng)死角，送風(fēng)對(duì)濃度變化影響微弱；測(cè)點(diǎn)3比測(cè)點(diǎn)1處制冷劑濃度下降速率略高，在對(duì)流擴(kuò)散結(jié)束時(shí)刻，空調(diào)送風(fēng)速度3.8、5.8、7.6 m·s-1時(shí)測(cè)點(diǎn)3與測(cè)點(diǎn)1間濃度差分別為-0.007%、0.054%、0.042%，高出測(cè)點(diǎn)1濃度的-0.8%、4.3%、5.1%，這是由于送風(fēng)速度有向下的分量，導(dǎo)致在對(duì)流擴(kuò)散作用下整體濃度差異減小，但送風(fēng)速度越大對(duì)流擴(kuò)散結(jié)束時(shí)刻垂直方向上濃度差與上部濃度的比值越大。

表2 不同送風(fēng)速度下典型時(shí)刻各點(diǎn)濃度

Table 2 Concentration at typical times of different air velocities

最后，分析位于=1.0 m水平面上濃度變化規(guī)律。圖6為送風(fēng)角度25°，不同送風(fēng)速度下測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)5濃度變化規(guī)律。由圖6可以看出，在濃度最大時(shí)刻，測(cè)點(diǎn)2濃度最低，測(cè)點(diǎn)4與測(cè)點(diǎn)5處制冷劑濃度約為可燃濃度下限的18.7%和15.9%（表2）；由于制冷劑射流沿程不斷卷吸空氣以及濃度差射流的彎曲作用使得制冷劑濃度沿程減小，測(cè)點(diǎn)4處比測(cè)點(diǎn)5處的制冷劑濃度高約0.39%，高出測(cè)點(diǎn)5處濃度的17.1%；隨著送風(fēng)速度的增加測(cè)點(diǎn)5與測(cè)點(diǎn)4間濃度差先增加后減小，這是由于送風(fēng)加劇了制冷劑射流卷吸周圍空氣，增加了濃度衰減，隨著送風(fēng)速度進(jìn)一步增加制冷劑與空氣混合更加充分，濃度差逐漸減小。在對(duì)流擴(kuò)散階段，各點(diǎn)濃度相比于最大濃度約下降54.1%；對(duì)比測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)5處制冷劑濃度變化，可以發(fā)現(xiàn)位于送風(fēng)死角的測(cè)點(diǎn)2濃度下降較慢，測(cè)點(diǎn)4處制冷劑濃度下降速率略高于測(cè)點(diǎn)5，這是由于測(cè)點(diǎn)4位于室內(nèi)送風(fēng)主流區(qū)，對(duì)流擴(kuò)散作用明顯；在對(duì)流擴(kuò)散結(jié)束時(shí)測(cè)點(diǎn)4與測(cè)點(diǎn)5間濃度差下降為0.11%，仍高出測(cè)5點(diǎn)濃度的9.9%，這是由于在對(duì)流擴(kuò)散階段對(duì)流起主要作用，使室內(nèi)制冷劑濃度分布更加均勻。

通過(guò)以上分析發(fā)現(xiàn)室內(nèi)機(jī)蒸發(fā)器出口發(fā)生泄漏時(shí)，在泄漏擴(kuò)散階段室內(nèi)機(jī)附近垂直方向上制冷劑發(fā)生集聚，房間下部濃度比房間上部制冷劑濃度高約8.7%；在水平方向上室內(nèi)主流區(qū)測(cè)點(diǎn)4的濃度比遠(yuǎn)處測(cè)點(diǎn)5的濃度高約17.1%。從各點(diǎn)最大濃度來(lái)看，除泄漏口附近測(cè)點(diǎn)濃度超過(guò)可燃下限外，雖然房間下部及送風(fēng)主流區(qū)制冷劑濃度較高，但房間下部最大制冷劑濃度（以測(cè)點(diǎn)3為例）僅是可燃濃度下限的20.8%，房間送風(fēng)主流區(qū)最大濃度（以測(cè)點(diǎn)4為例）僅是可燃濃度下限的22.1%，安全性較高，房間其他位置處濃度更低，更為安全。在對(duì)流擴(kuò)散階段送風(fēng)氣流擾動(dòng)使得各點(diǎn)制冷劑濃度下降50%左右，安全性進(jìn)一步提升；受對(duì)流擴(kuò)散作用的影響水平和垂直方向測(cè)點(diǎn)間濃度差也隨之減??；但送風(fēng)速度越大對(duì)流擴(kuò)散結(jié)束時(shí)刻垂直方向上濃度差與上部濃度的比值越大。

2.2.2 送風(fēng)角度對(duì)室內(nèi)R32濃度分布的影響 以下為送風(fēng)速度7.6 m·s-1送風(fēng)角度分別為25°、34°、43°時(shí)室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)制冷劑濃度變化規(guī)律。首先分析泄漏口附近測(cè)點(diǎn)6處濃度變化規(guī)律。由圖7可以看出：在開(kāi)始階段測(cè)點(diǎn)6的制冷劑濃度迅速升高，隨著制冷劑泄漏速度減慢和送風(fēng)氣流的擾動(dòng)，其濃度迅速下降并趨于穩(wěn)定。不同送風(fēng)角度下各點(diǎn)最大濃度和對(duì)流擴(kuò)散結(jié)束時(shí)制冷劑濃度值列入表3。由圖7和表3可以看出測(cè)點(diǎn)6處最大濃度約為16.82%，超過(guò)了可燃下限20.1%，比其他測(cè)點(diǎn)濃度大很多，且濃度變化劇烈，這是由于測(cè)點(diǎn)6位于泄漏口正對(duì)面，對(duì)制冷劑泄漏的響應(yīng)較快。

表3 不同送風(fēng)角度下典型時(shí)刻各點(diǎn)濃度

Table 3 Concentration at typical times of different air supply angles

其次，分析=0.4 m平面上濃度分布。圖8為送風(fēng)速度7.6 m·s-1送風(fēng)角度分別為25°、34°、43°時(shí)測(cè)點(diǎn)1～3的濃度變化規(guī)律。由圖8可以看出：不同送風(fēng)角度下同一個(gè)測(cè)點(diǎn)的R32濃度上升速率相近，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)受各工況泄漏量差異的影響其濃度略有差異；由表3和圖8看出在最大濃度時(shí)刻，3種送風(fēng)角度下測(cè)點(diǎn)2的平均濃度約為可燃濃度下限的11.7%，測(cè)點(diǎn)3與測(cè)點(diǎn)1處平均濃度為可燃濃度下限的18.0%和16.9％，測(cè)點(diǎn)3處制冷劑濃度比測(cè)點(diǎn)1平均高約0.15%，超過(guò)測(cè)點(diǎn)1處濃度的6.5%。在對(duì)流擴(kuò)散階段，隨著對(duì)流擴(kuò)散的進(jìn)行，各點(diǎn)濃度比最大濃度下降約59.4%；送風(fēng)死角處測(cè)點(diǎn)2濃度下降速率較低，測(cè)點(diǎn)3處制冷劑濃度下降速率比測(cè)點(diǎn)1略快；在對(duì)流擴(kuò)散結(jié)束時(shí)，測(cè)點(diǎn)3比測(cè)點(diǎn)1的濃度平均高約為0.07%，高出測(cè)點(diǎn)1處濃度的2.86%。

最后，分析位于=1.0 m水平面濃度變化規(guī)律。圖9為送風(fēng)速度7.6 m·s-1不同送風(fēng)角度下測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)5的濃度變化規(guī)律。對(duì)比這3個(gè)測(cè)點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，在濃度最大時(shí)刻，位于送風(fēng)死角的測(cè)點(diǎn)2濃度較低，其平均濃度約為L(zhǎng)FL的11.7%；測(cè)點(diǎn)4和測(cè)點(diǎn)5的平均濃度約是LFL的19.5%和16.8%；由于制冷劑射流沿射程增加不斷卷吸空氣以及濃度差射流的彎曲的作用，導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)4處濃度比測(cè)點(diǎn)5處制冷劑濃度高約0.37%，超出測(cè)點(diǎn)5濃度的13.8%。隨著對(duì)流擴(kuò)散的進(jìn)行，各測(cè)點(diǎn)的濃度逐漸減小，位于但送風(fēng)死角的測(cè)點(diǎn)2濃度下降較慢，位于室內(nèi)送風(fēng)主流區(qū)的測(cè)點(diǎn)4處濃度下降速率略大于測(cè)點(diǎn)5，對(duì)流擴(kuò)散結(jié)束時(shí)刻各點(diǎn)濃度約是最大濃度的58.4%；隨著對(duì)流擴(kuò)散的進(jìn)行測(cè)點(diǎn)4與測(cè)點(diǎn)5間濃度差也逐漸減小。對(duì)流擴(kuò)散結(jié)束時(shí)刻，送風(fēng)角度25°、34°、43°測(cè)點(diǎn)4與測(cè)點(diǎn)5處濃度差分別為0.07%、0.08%、0.12%，這是由于送風(fēng)角度的增加導(dǎo)致送風(fēng)氣流的彎曲，使得測(cè)點(diǎn)4與測(cè)點(diǎn)5間濃度差增大。

通過(guò)以上分析發(fā)現(xiàn)室內(nèi)機(jī)蒸發(fā)器出口發(fā)生泄漏時(shí)，在泄漏擴(kuò)散階段室內(nèi)機(jī)附近垂直方向上制冷劑發(fā)生集聚，房間下部濃度比房間上部濃度高約6.5%；在水平方向上，室內(nèi)主流區(qū)測(cè)點(diǎn)4的濃度比遠(yuǎn)處測(cè)點(diǎn)5的濃度高約13.8%。從最大濃度來(lái)看，除泄漏口附近測(cè)點(diǎn)外，房間下部及送風(fēng)主流區(qū)制冷劑濃度較高，但房間下部R32最大濃度僅是可燃濃度下限的20.1%，房間送風(fēng)主流區(qū)最大濃度僅是可燃濃度下限的21.6%，安全性較高，房間其他位置處濃度更低，更為安全。在對(duì)流擴(kuò)散階段，送風(fēng)氣流擾動(dòng)使得各點(diǎn)制冷劑濃度比最大濃度降低約59.0%左右，安全性進(jìn)一步提升；隨著對(duì)流擴(kuò)散的進(jìn)行，水平和垂直方向測(cè)點(diǎn)間濃度差隨之減??；而送風(fēng)角度的增加使對(duì)流擴(kuò)散結(jié)束時(shí)水平方向濃度差增大。

2.3 空調(diào)運(yùn)行工況下R32制冷劑的安全性評(píng)價(jià)

由表2和表3可以發(fā)現(xiàn)除泄漏口正對(duì)面的測(cè)點(diǎn)6外，室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的最大濃度均不超過(guò)制冷劑R32可燃濃度下限，這是由于制冷劑泄漏口局部必然會(huì)出現(xiàn)可燃區(qū)域；泄漏口正對(duì)面的測(cè)點(diǎn)6受制冷劑泄漏變化規(guī)律影響最大，變化最為劇烈，在開(kāi)始泄漏后的很短時(shí)間內(nèi)達(dá)到R32的可燃范圍。實(shí)驗(yàn)各工況中測(cè)點(diǎn)6的最大濃度以及在可燃范圍內(nèi)滯留時(shí)間列在表4中。實(shí)驗(yàn)中室內(nèi)機(jī)下方送風(fēng)死角處測(cè)點(diǎn)2的濃度最小，實(shí)驗(yàn)各工況下測(cè)點(diǎn)2的最大濃度約為1.83%，僅是R32可燃下限的13.1%。室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)濃度最大點(diǎn)為測(cè)點(diǎn)4，最大濃度約為3.02%，僅是R32冷媒可燃下限的21.6%。由表2～表4可以看出只有位于泄漏口對(duì)面的測(cè)點(diǎn)6的濃度達(dá)到可燃范圍，但其在可燃范圍內(nèi)停留的時(shí)間僅有77 s左右，發(fā)生著火的可能性不大；同時(shí)，制冷劑發(fā)生著火，除應(yīng)滿足濃度在可燃范圍內(nèi)，還應(yīng)滿足點(diǎn)火源能量大于R32的最小點(diǎn)火能、空氣速度小于R32的燃燒速度。由于泄漏口位于房間的上部，在該位置滿足著火所需的條件相對(duì)而言較為困難。

表4 各工況下室內(nèi)出現(xiàn)可燃區(qū)情況

Table 4 Combustible zone of different conditions

綜上所述可以認(rèn)為在空調(diào)運(yùn)行時(shí)R32制冷劑發(fā)生泄漏，危險(xiǎn)性較低。即便制冷劑泄漏著火也只存在泄漏口附近局部區(qū)域，不會(huì)發(fā)生在室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)域。因此，以R32制冷劑為冷媒的家用空調(diào)器在運(yùn)行工況下有一定的安全性。

3 結(jié) 論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究的方法，探索空調(diào)運(yùn)行時(shí)R32制冷劑泄漏擴(kuò)散規(guī)律，并分析空調(diào)送風(fēng)速度和送風(fēng)角度對(duì)室內(nèi)R32濃度分布的影響，得到以下結(jié)論。

（1）空調(diào)運(yùn)行條件下隨制冷劑泄漏的進(jìn)行泄漏速率逐漸下降；泄漏過(guò)程分為高速泄漏階段和低速泄漏兩個(gè)階段，泄漏速率分別為71.1 g·min-1和6.52 g·min-1。

（2）空調(diào)室內(nèi)機(jī)發(fā)生制冷劑泄漏時(shí)，泄漏口附近制冷劑濃度最高，可能達(dá)到可燃范圍；房間下部以及送風(fēng)主流區(qū)濃度較高，但其濃度僅為可燃濃度下限的15%～20%，較安全；經(jīng)過(guò)對(duì)流擴(kuò)散后，室內(nèi)各點(diǎn)濃度較最大濃度下降約50%，室內(nèi)安全性進(jìn)一步提高。

（3）空調(diào)運(yùn)行時(shí)R32發(fā)生泄漏，室內(nèi)R32濃度分布是對(duì)流、擴(kuò)散和沉降共同作用的結(jié)果。在泄漏擴(kuò)散階段不同位置處制冷劑濃度大小主要由制冷劑射流與送風(fēng)氣流共同決定；在垂直方向上R32制冷劑集聚在房間下部，水平方向制冷劑濃度沿程衰減。在對(duì)流擴(kuò)散階段，室內(nèi)R32濃度分布由對(duì)流擴(kuò)散作用決定；室內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)間濃度差在對(duì)流擴(kuò)散的作用下逐漸減小。送風(fēng)速度越大，對(duì)流擴(kuò)散結(jié)束時(shí)刻垂直方向上濃度差與上部濃度的比值越大；隨著送風(fēng)角度的增加使得對(duì)流擴(kuò)散結(jié)束時(shí)水平方向上制冷劑濃度差增大。

（4）當(dāng)室內(nèi)機(jī)蒸發(fā)器出口發(fā)生制冷劑泄漏時(shí)，泄漏口附近的局部區(qū)域制冷劑濃度在可燃范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)中只有測(cè)點(diǎn)6在可燃范圍內(nèi)，但從測(cè)點(diǎn)6在可燃區(qū)內(nèi)滯留時(shí)間來(lái)看，發(fā)生著火的危險(xiǎn)性不大。

符 號(hào) 說(shuō) 明

end——對(duì)流擴(kuò)散結(jié)束時(shí)制冷劑濃度值，%

max——制冷劑最大濃度值，%

D——制冷劑最大濃度時(shí)刻與對(duì)流擴(kuò)散結(jié)束時(shí)刻相對(duì)濃度差，%

start——制冷劑開(kāi)始泄漏時(shí)刻，s

sustain——在可燃范圍內(nèi)持續(xù)的時(shí)間，s

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Effect of air supply velocity and angle on R32 leakage and diffusion

JIN Wufeng1, JIA Lizhi1, ZHANG Yan2

（1Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology, Tianjin University of Commerce, Tianjin 300134, China;2Tsinghua Tong Heng Planning Design and Research Institute, Beijing 100085, China）

With good thermal performance and environmental characteristics, R32 is a candidate for replacement of R22, but it is not adopted because of its slight flammability. This paper, in the view of indoor security, analyzes the leakage variation and the effect of supply air velocity and angle on the concentration distribution when the refrigerant leaks from the indoor unit with the air conditioner operating. The experimental results show that the refrigerant leakage rate decreases with time when the air-conditioning system works. The refrigerant leakage can be classified into two stages, fast leak and slow leak. Indoor environment security is evaluated and the results show that the combustible zone only appears near the leakage hole and its residence time is very short. Thus the risk level of using R32 as the refrigerant of air conditioner is low with the air conditioner operating.

R32；leakage；supply air velocity；supply air angle；convection；diffusion；security

10.11949/j.issn.0438-1157.20141782

TQ 021.4

A

0438—1157（2015）06—2351—08

2014-12-02收到初稿，2015-03-19收到修改稿。

聯(lián)系人及第一作者：金梧鳳（1964—），男，博士，副教授。

天津市創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（TD12-5048）。

2014-12-02.

JIN Wufeng, kob@tjcuu.edu.cn

supported by the Tianjin Innovative Research Groups (TD12-5048).