溫濕度對(duì)空氣中氫氣擴(kuò)散過(guò)程的影響

曹鵬 梁文清 錢華 鄭曉紅

東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院

0 引言

氫氣是一種很有發(fā)展前景的清潔能源，它 被廣泛應(yīng)用于航天發(fā)射、清 潔能源、化 學(xué)工業(yè)、燃 料電池等領(lǐng)域[1]。但是，在 氫氣的生產(chǎn)，儲(chǔ) 存，運(yùn) 輸和使用的過(guò)程中，氫 氣都有可能發(fā)生泄露。泄露的氫氣與周圍空氣混合，當(dāng) 氫氣的體積分?jǐn)?shù)為 4.1%～75%時(shí)[2]，就 有可能發(fā)生燃爆。

氫氣泄露的研究，目前主要分為實(shí)驗(yàn)，C FD 模擬與數(shù)學(xué)模型。已有實(shí)驗(yàn)雖然記錄了環(huán)境溫濕度，但 是沒(méi)有研究溫濕度的不同對(duì)擴(kuò)散過(guò)程的影響[3～5]，C FD 模擬與數(shù)學(xué)模型也缺乏相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行支撐[6～8]。本文的主要內(nèi)容，就 是探究短時(shí)間內(nèi)垂直向上泄露的氫氣在空氣中的擴(kuò)散特性，并 通過(guò)改變環(huán)境溫度、濕 度等，探究它們對(duì)氫氣泄露擴(kuò)散的影響，實(shí) 驗(yàn)所得結(jié)果也可作為其它CFD 模擬與數(shù)學(xué)模型的數(shù)據(jù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)主要模擬的是氫氣發(fā)生短時(shí)間泄露時(shí)的情況。氫氣的擴(kuò)散主要與浮力和擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)，在 標(biāo)準(zhǔn)溫度和標(biāo)準(zhǔn)壓力的情況下，氦 氣浮力與空氣密度的比值為86%，氫 氣浮力與空氣密度的比值為93%，氦 氣在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)為0.697 cm2/ s，氫氣在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)為0.756 cm2/ s，它 們的物理性質(zhì)相似[9]。并且氦氣沒(méi)有燃爆風(fēng)險(xiǎn)，已 有的實(shí)驗(yàn)也證明氦氣泄露后形成的濃度場(chǎng)與氫氣泄露后形成的濃度場(chǎng)相近[5]，所 以使用氦氣代替氫氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

氦氣泄露實(shí)驗(yàn)在多功能環(huán)境及氣流模擬艙（下文簡(jiǎn)稱為環(huán)境艙）（圖1）中進(jìn)行。環(huán)境艙內(nèi)部為一長(zhǎng)方體，內(nèi)側(cè)長(zhǎng)為4 m，寬為 3.7 m，高為 2.7 m，體積為39.96 m3。環(huán)境艙前側(cè)有一扇門和一面透明玻璃，左 右兩側(cè)有通風(fēng)口，門、玻 璃和通風(fēng)口的尺寸與位置見圖1。實(shí)驗(yàn)時(shí)，可 通過(guò)前側(cè)的透明玻璃觀察環(huán)境艙內(nèi)的情況。環(huán)境艙的左右兩側(cè)由多塊可拆卸的不銹鋼板拼接而成，前 后兩側(cè)與地面為膠合板，上 側(cè)為多孔不銹鋼板。為了減少環(huán)境艙四壁滲透風(fēng)對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，不 銹鋼板間的接縫處，門 縫和通風(fēng)口處都進(jìn)行了密封。

圖1 多功能環(huán)境及氣流模擬艙（環(huán)境艙）

氦氣儲(chǔ)存于環(huán)境艙外的高壓鋼瓶中，使 用減壓閥進(jìn)行減壓，并 由針閥調(diào)節(jié)流量，經(jīng) 過(guò) 2m 長(zhǎng)的導(dǎo)管輸入環(huán)境艙。氦氣的流量由位于針閥后側(cè)的流量表實(shí)時(shí)獲取，流 量的調(diào)節(jié)范圍為 0 NL/min～90 NL/min（20 ℃，1 atm）。環(huán)境艙內(nèi)的氦氣泄露口直徑為 2 mm，距 離環(huán)境艙左側(cè) 1.85 m，前 側(cè) 2 m，地 面 0.10 m，泄 露口具體位置見圖1。

氦氣濃度由氦氣濃度傳感器測(cè)得，該 傳感器輸入15 V 直流電壓信號(hào)，輸 出 8～20 mA 的電流信號(hào)，測(cè) 量精度為0.1%（體積分?jǐn)?shù)），響 應(yīng)時(shí)間為50 ms。氦 氣濃度傳感器的布置如圖2 所示，共 在環(huán)境艙中布置25 個(gè)測(cè)點(diǎn)。其中1～4 點(diǎn)位于泄露源的正上方，分 別距離泄露口9 cm、19 cm、29 cm、39 cm。5～8 點(diǎn)、9～12 點(diǎn)、13～16、17～20 點(diǎn)與泄露口的垂直距離分別與 1～4 點(diǎn)相同，與泄露口間的水平距離分別為 1 cm、3 cm、5 cm、6 cm。21 點(diǎn)位于泄露口正上方的屋頂處，22～25 點(diǎn)分別位于環(huán)境艙的四壁。其中，1～21 點(diǎn)為定點(diǎn)，22～25 點(diǎn)為可在四壁進(jìn)行移動(dòng)的動(dòng)點(diǎn)。環(huán)境艙的溫度和濕度由置于環(huán)境艙內(nèi)的TSI VELOCICALC 測(cè)得。

圖2 氦氣濃度傳感器布置圖

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

為了探究環(huán)境溫度、濕 度等對(duì)空氣中氫氣擴(kuò)散過(guò)程的影響，在 流量為15 NL/min 的情況下，分 別調(diào)整環(huán)境溫度與濕度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，各 參數(shù)如表 1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

氦氣濃度傳感器輸出的電流信號(hào)由34970A 數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行采集。每 次氦氣泄露時(shí)間為60 s，泄 露流量恒定，在 泄露前10 s 打開 34970A 數(shù)據(jù)采集儀，在 泄露停止30 s 后關(guān)閉34970A 數(shù)據(jù)采集儀，對(duì)從氦氣開始泄露前到停止泄露后的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行記錄。實(shí)驗(yàn)時(shí)，保證環(huán)境艙內(nèi)無(wú)風(fēng)，溫 度、濕 度均勻恒定。

2 結(jié)果與討論

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，21～25 測(cè)點(diǎn)的氦氣體積分?jǐn)?shù)始終為零，即 氦氣始終未擴(kuò)散到環(huán)境艙四壁與屋頂處，所 以將氦氣在環(huán)境艙中的60 s 定流量泄露過(guò)程視為氦氣在無(wú)障礙的空間中進(jìn)行的短時(shí)間定流量泄露過(guò)程。

2.1 溫度對(duì)空氣中氦氣擴(kuò)散過(guò)程的影響

在氦氣泄露流量為 15 NL/min，相對(duì)濕度為 60%的情況下，環(huán) 境溫度分別設(shè)定為 15 ℃，20 ℃和 25 ℃，在泄露初期，各 測(cè)點(diǎn)的氦氣體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化如圖3 所示。

圖3 氦氣體積分?jǐn)?shù)隨溫度變化圖（泄露初期）

由圖 3 可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氦氣發(fā)生短時(shí)間持續(xù)泄露時(shí)，在 浮力與擴(kuò)散力等的作用下，泄 露口周圍各點(diǎn)的氦氣濃度迅速增加，然 后趨于穩(wěn)定。在中心軸線和水平距離1 cm 處，隨 著高度的增加，濃 度的增速和所能達(dá)到的最大值逐漸減小。在水平距離 3 cm，5 cm 和6 cm 處，隨 著高度的增加，濃 度的增速和所能達(dá)到的最大值先增加后減小。這是由于隨著高度的增加，氦 氣射流與周圍空氣的卷吸作用減弱，氦 氣濃度由中心軸線向四周衰減減慢，所 以在3 cm、5 cm、6 cm 處濃度增速和所能達(dá)到的最大值隨高度的變化趨勢(shì)與中心軸線處不同。由圖3 還可以發(fā)現(xiàn)，隨 著溫度的升高，測(cè) 點(diǎn)1 處氦氣濃度的增速加快，所能達(dá)到的最大氦氣濃度增大，這 表明了溫度的增加使得泄露口處氦氣濃度的沿垂直方向的衰減減慢。同一高度上的各相鄰測(cè)點(diǎn)間氦氣濃度的增速隨著溫度的上升而逐漸接近。這是由于溫度的升高使的氦氣沿徑向的擴(kuò)散能力加強(qiáng)，各 測(cè)點(diǎn)間的濃度衰減減慢，濃 度增速接近。

氦氣濃度穩(wěn)定后各測(cè)點(diǎn)的氦氣體積分?jǐn)?shù)如圖 4所示。由圖4 可以發(fā)現(xiàn)，待 泄露的氦氣穩(wěn)定后，在 中心軸線處和水平距離1 cm 處，氦 氣濃度隨著高度的增加而減少，在 水平距離 3 cm，5 c m 和 6 cm 處，隨 著高度的增加，氦氣濃度先增大后減小。氦氣濃度沿水平方向的衰減速率隨著高度的增加而逐漸下降。由圖 4 還可以發(fā)現(xiàn)，隨 著溫度的升高，測(cè) 點(diǎn) 1 的濃度升高，同 一高度上的測(cè)點(diǎn)濃度沿著水平方向衰減減慢。雖然圖 4中顯示氦氣體積分?jǐn)?shù)大于 4%的測(cè)點(diǎn)數(shù)量并未隨溫度發(fā)生變化，但 是，由 于隨著溫度的升高，氦 氣沿著水平方向的濃度衰減減慢，其大于 4%的區(qū)域半徑將會(huì)增大，即 對(duì)處于相同泄露情況的氫氣來(lái)講，其 可發(fā)生燃爆區(qū)域的半徑會(huì)隨著溫度的上升而增大。

圖4 穩(wěn)定后各測(cè)點(diǎn)氦氣體積分?jǐn)?shù)

2.2 濕度對(duì)空氣中氦氣擴(kuò)散過(guò)程的影響

在氦氣的泄露流量為 15 NL/min，環(huán) 境溫度為20 ℃的情況下，相對(duì)濕度φ分別設(shè)定為50%，60%和70%，在 氦氣泄露初期，各 測(cè)點(diǎn)的氦氣體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化如圖5 所示。

圖5 氦氣體積分?jǐn)?shù)隨相對(duì)濕度變化圖（泄露初期）

由圖5 可以發(fā)現(xiàn)，隨著相對(duì)濕度的增加，測(cè)點(diǎn) 5處氦氣濃度的增速加快，所 能達(dá)到的氦氣最大體積分?jǐn)?shù)增大，測(cè) 點(diǎn)1 和測(cè)點(diǎn)5 的氦氣濃度增速逐漸接近。

氦氣濃度穩(wěn)定后各測(cè)點(diǎn)的氦氣體積分?jǐn)?shù)如圖 6所示。由圖6 可以發(fā)現(xiàn)，隨 著濕度的上升，測(cè) 點(diǎn)4 處的氦氣體積分?jǐn)?shù)下降，測(cè) 點(diǎn)1 和測(cè)點(diǎn)5 的濃度差減小，即 氦氣在中心軸線處的衰減加快，在 泄露口處沿水平方向的衰減減慢。雖然圖 6 中顯示氦氣體積分?jǐn)?shù)大于4%的測(cè)點(diǎn)數(shù)量并未隨濕度發(fā)生變化，但 是，由 于隨著濕度的升高，氦氣沿著垂直方向的濃度衰減加快，大 于4%的區(qū)域高度將會(huì)減小，即對(duì)處于相同泄露情況的氫氣來(lái)講，其 可發(fā)生燃爆區(qū)域的高度會(huì)隨著濕度的上升而減小。

圖6 穩(wěn)定后各測(cè)點(diǎn)氦氣體積分?jǐn)?shù)

3 結(jié)論

本文使用氦氣代替氫氣，在 環(huán)境艙中模擬了無(wú)障礙空間中氫氣短時(shí)間定流垂直向上泄露，并 且分別調(diào)整了環(huán)境溫度與濕度，探 究環(huán)境溫濕度對(duì)空氣中氫氣擴(kuò)散過(guò)程的影響。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng) 處于無(wú)障礙空間的氦氣發(fā)生短時(shí)間定流量垂直向上泄露時(shí)，在 泄露口周圍迅速形成了一個(gè)穩(wěn)定的濃度場(chǎng)。在中心軸線處，氦 氣的濃度隨著高度的增加而減少，在 非中心軸線處，氦 氣濃度隨高度的增加先增加再減小。隨著高度的增加，氦 氣沿水平方向的衰減逐漸減慢。

溫度和濕度的變化會(huì)影響泄露口附近的氦氣濃度，同 時(shí)，溫 度的上升會(huì)使得氦氣沿水平方向的濃度衰減減慢，濕 度的上升會(huì)使得中心軸線處的氦氣濃度沿高度方向濃度衰減加快。因此對(duì)于泄露時(shí)的氫氣來(lái)講，更 低的環(huán)境溫度和更高的環(huán)境濕度將對(duì)縮小可燃爆區(qū)域的范圍更有利。