空调送风速度和送风角度对可燃性冷媒R32泄漏扩散规律的影响

金梧凤，贾利芝，张燕

（1天津商业大学天津市制冷技术重点实验室，天津300134；2北京清华同衡规划设计研究院，北京100085）

引 言

随着一系列环境问题的凸显，使得常规制冷剂如CFCs类和HCFCs类制冷剂先后被纳入了禁止使用的行列。为了减少制冷空调行业对大气环境的不良影响，氟里昂制冷剂的淘汰和替代成为研究的热点。传统制冷剂R22的替代物主要有以下几种[1-3]：R410A、R290、R32、R407C、R125和R1234yf等。将其与R22的热工性能相比，可以发现各替代制冷剂的COP都没有超过R22，但R32具有一定优势。R32的臭氧破坏潜能值（ODP）为0，全球气候变暖潜能值（GWP）仅是R410a的1/3，且R32的单位容积制冷能力较高，相同制冷量下R32制冷剂充注量仅是R22的57%。然而由于R32的可燃性，在使用中存在着火的危险，制约了它的广泛应用。R32以其环保性和良好的热力性能成为最具潜力的替代制冷剂。因此，对R32制冷剂在使用过程中的安全性的研究成为焦点。

目前国内外学者已针对可燃性冷媒泄漏扩散问题开展了泄漏扩散模型、泄露扩散后房间浓度分布以及对其安全性评价3方面的研究。现将国内外研究进展和动态总结如下。

（1）对制冷剂泄漏模型的研究。杨昭等[4-5]对制冷剂动态泄漏模型进行了研究。分析了各因素对制冷剂泄漏的影响。通过求解模型的解析解和数值解，分析有限时间泄漏扩散的浓度分布。

（2）对制冷剂泄漏扩散室内浓度分布的研究。李廷勋等[6-7]对房间空调器中R290制冷剂在室内泄漏进行了实验研究，实验中制冷剂泄漏量保持恒定。文中分析了泄漏速度和泄漏口位置等因素对制冷剂泄漏和室内浓度分布的影响。刘知新等[8]通过实验研究了家用空调器停机时R290制冷剂泄漏扩散规律，指出在关机状态下最大泄漏率大于800 g·min-1时，空调器正下方短时间内存在高浓度区域，可能会发生危险。Li等[9]通过模拟柜式和壁挂式空调器制冷剂泄漏时室内浓度分布，对比两者发现当柜式空调发生制冷剂泄漏时，会在房间下部产生集聚，而上部空间安全；壁挂式空调器发生制冷剂泄漏后出现沉降现象，房间中部浓度最低。张网等[10]对空调室内机制冷剂定流量泄漏进行实验研究，指出可燃区出现在泄漏口附近，可燃区域范围很小且仅仅出现在泄漏过程中；设备安装高度对室内浓度分布影响很大。徐帅帅等[11]通过模拟室外机在有空调送风房间发生制冷剂泄漏，分析了新风送风速度和泄漏速率对室内R32浓度分布的影响。

（3）对制冷剂泄漏扩散及安全性评价的研究。Colbourne等[12-13]介绍了一种定量风险评估（QRA）模型，用来评价碳氢化合物制冷剂在储存和设备静止时发生着火的可能性。田贯三等[14]对可燃制冷剂泄漏及爆炸危害评价进行研究，结果表明在小型空调器中使用可燃性制冷剂危险性很小，当室内存在有效点火源时可能会发生火灾。Zhang等[15]对R290制冷剂泄漏进行研究，得到当泄漏点附近有火源时制冷剂泄漏会发生着火。如果室内机塑料外壳被引燃，将会产生浓烟，对室内人员安全影响严重。Cheong等[16]利用示踪气体和静压差法，检测室内氢氟烃制冷剂浓度。Yajmar等[17]对比分析了R290、R32、R1234fy可燃制冷剂的热力性能以及火焰传播特性。实验结果表明R32制冷剂遇明火可燃，与R290制冷剂相比，其火焰传播速度较慢，着火危险性较低。Eiji等[18]对微可燃性冷媒的安全性进行研究，通过模拟和实验研究不同类型空调制冷剂泄漏扩散特性，实验表明壁挂式空调发生泄漏时地板附近制冷剂浓度没有达到可燃下限LFL，而柜式空调发生泄漏时地板附近浓度则超过可燃上限UFL。Andrew[19]对采用可燃性冷媒的冰箱进行测试，分析系统压力以及制冷剂泄漏时室内制冷剂浓度分布情况。Liu等[20]通过模拟分析泄漏速率、新风量等对室内R290浓度分布的影响，模拟结果表明泄漏率增加时着火危险性增加；相反随着新风量的增加室内R290浓度降低，房间内发生着火的危险性降低。刘全义等[21]对数值模拟进行改进，通过自定义泄漏曲线来接近实际运行工况，分析排风口位置对制冷剂泄漏形成浓度场的影响。结果表明对于重质气体泄漏，排风口设在房间下部能够有效降低室内重质可燃气体浓度。

从研究现状来看，对可燃性冷媒泄漏扩散的研究以数值模拟和理论分析为主，进行实验测试的较少，且目前的研究多是在维持泄漏量为定值情况下进行。而空调运行时制冷剂发生泄漏，泄漏口处压力会随泄漏的进行和空调压缩机的压缩而改变，制冷剂泄漏速率是随时间变化的。因此，采用定流量的方法研究制冷剂泄漏扩散规律与实际运行条件下制冷剂泄漏扩散规律存在着一定差别。因此，本文研究空调实际运行时可燃性冷媒R32泄漏和扩散规律，对R32制冷剂的安全使用和事故预防具有重要意义。

1 实验装置与实验内容

1.1 实验装置介绍

实验室为3.9 m×2.9 m×2.75 m的房间，室内侧墙2.2 m高处安装一台壁挂式空调器。根据天津地区气象参数计算选型，选择一台制冷量为3500 W、送风量600 m3·h-1的壁挂式空调器。空调送风速度分为低、中、高3档，根据实际测量3档的送风速度分别为3.8、5.8、7.6 m·s-1。送风角度（送风百叶与水平面之间所成的锐角如图1所示）根据实际测量分别为25°、34°、43°。

空调室内机和室外机由Z型支架进行固定，并将Z型支架安放在电子秤上，用于监测系统质量变化。通常情况下，制冷剂在室内泄漏发生在蒸发器入口管或蒸发器出口管与蒸发器的焊接处，泄漏口一般为条缝或孔口。本实验对制冷剂在蒸发器出口泄漏进行研究，在蒸发器出口管连接一个三通，将分出的支管伸入室内，模拟蒸发器出口孔口泄漏。该支管位于Y=0.23 m平面内并与墙壁之间成约60°夹角，实验中通过安装在支管上的阀门控制泄漏口的开关。本次实验所用支管管内径8 mm，泄漏阀阀芯通径约为5 mm，阀门开度维持在全开的1/8(全开需要转动8格，实验中只开启1格)，泄漏阀连接位置和泄漏口朝向见图1。实验中所用设备和仪器参数见表1。

图1 送风角度和泄漏口局部示意图 Fig.1 Define of air supply angle and position of leakage hole

表1 实验设备仪器参数 Table 1 Equipment and instrument parameters

1.2 实验内容

为探索不同空调送风条件下制冷剂泄漏扩散规律。实验中通过改变送风速度和送风角度，研究不同条件下，制冷剂泄漏变化规律以及室内制冷剂浓度分布。实验中通过电子秤检测制冷剂泄漏变化规律。为了监测室内可燃性冷媒R32的浓度变化，在泄漏口正对面处布置测点6，在Y=0.58 m平面不同位置处布置5个测点(1～5)，测点布置如图2所示。在各测点处分别固定一个R32气体浓度探测仪，监测室内R32浓度变化规律。

图2 实验设备及测点布置 Fig.2 Experimental equipment and test points

实验步骤如下：首先给空调器充注制冷剂，由于制冷剂充注受到环境影响因此每次充注并不完全一样，保持在780 g±70 g。其次，调整空调运行状态至实验工况，为了得到稳定的流场，维持空调运 行状态30 min左右。当室内流场稳定后开启制冷剂泄漏阀，阀门开度为全开的1/8。在泄漏开始后25 min左右制冷剂泄漏完毕，泄漏完成后仍保持室内送风不变运行1 h，使室内制冷剂与空气充分混合。实验中通过改变空调送风速度和送风角度，观察不同送风工况下室内R32浓度分布。

2 实验结果及分析讨论

2.1 空调运行时制冷剂泄漏变化规律

图3为空调送风角度25°时，不同送风速度下R32的泄漏规律。由图3可以看出：在R32开始泄漏的前8 min制冷剂的泄漏量为充注量的80%左右，泄漏速率达到71.1 g·min-1，该阶段称为高速泄漏阶段。8 min之后至泄漏完成为低速泄漏阶段，泄漏速率约为6.52 g·min-1。这是由于在泄漏初期泄漏口处压力较高，且压缩机运行不断补充泄漏口处压力；随着制冷剂泄漏的进行，泄漏口处压力逐 渐减小。因此，在泄漏初期速度较快，随着时间的推移制冷剂泄漏速度逐渐减小。当泄漏口处制冷剂压力与环境压力一致时，制冷剂完成泄漏。

图3 不同送风速度下R32泄漏变化规律 Fig.3 R32 leakage variation of different air velocities

由以上分析可以看出在空调运行时R32泄漏速率随泄漏的进行逐渐下降；从整体上看空调运行时制冷剂泄漏过程分为两个阶段：高速泄漏和低速泄漏阶段。

2.2 空调运行时制冷剂扩散规律

根据实验中对制冷剂泄漏量变化的记录，可以看出制冷剂在开始泄漏后25 min左右完成泄漏，25～100 min之间仅空调室内机风机运行，制冷剂不再泄漏。因此，制冷剂的扩散可以分为泄漏扩散和对流扩散两个阶段。根据泄漏规律及R32较空气重的物理特性，本文分析了不同空调送风条件下泄漏口附近测点6的浓度变化，及X=0.4 m垂直面和Z=1.0 m处水平面浓度分布规律。

2.2.1 送风速度对室内R32浓度分布的影响 以下为送风角度25°空调送风速度分别为3.8、5.8、7.6 m·s-1时，室内各点浓度变化规律。首先，分析泄漏口附近测点6的浓度变化规律(图4)。由图4可以看出：在泄漏扩散阶段，测点6处浓度逐渐升高，随着制冷剂泄漏速度减慢，送风气流的扰动和沉降的共同作用，测点6处浓度迅速下降并趋于稳定；不同送风速度下，各点最大浓度及充分对流后各点浓度值见表2。由表2和图4可得测点6最大浓度16.09vol%，达到可燃下限浓度[LFL=14%(体积)]的114.9%；与其他测点浓度变化规律相比，测点6处制冷剂浓度最先开始升高，且浓度变化剧烈，最大浓度比其它各点大很多，这是由于测点6位于泄漏口正对面，对制冷剂泄漏响应较快。

图4 不同送风速度下测点6的浓度变化规律 Fig.4 Concentration variation of point 6 with different air velocities

其次，分析X=0.4 m平面上制冷剂浓度分布， 如图5所示。由图5和表2可以看出：在浓度最大时刻，测点2处制冷剂浓度较低，仅为可燃浓度下限的11.7%，测点3和测点1处制冷剂浓度分别为R32可燃下限的17.1%和15.7%（表2）；由于送风气流和沉降的共同作用，测点3较测点1处R32浓度高约0.20%，高出1点浓度的8.7%。由于空调送风的对流扩散作用，对流扩散阶段各点浓度比最大浓度下降54.5%；对比3个测点可以发现测点2浓度下降速率较低，造成这一结果的原因，一是测点2处起始浓度最低，二是测点2位于送风死角，送风对浓度变化影响微弱；测点3比测点1处制冷剂 浓度下降速率略高，在对流扩散结束时刻，空调送风速度3.8、5.8、7.6 m·s-1时测点3与测点1间浓度差分别为-0.007%、0.054%、0.042%，高出测点1浓度的-0.8%、4.3%、5.1%，这是由于送风速度有向下的分量，导致在对流扩散作用下整体浓度差异减小，但送风速度越大对流扩散结束时刻垂直方向上浓度差与上部浓度的比值越大。

表2 不同送风速度下典型时刻各点浓度 Table 2 Concentration at typical times of different air velocities

图5 不同送风速度下X=0.4 m平面制冷剂浓度分布 Fig.5 Concentration distribution on planeX=0.4 m ofdifferent air velocities

最后，分析位于Z=1.0 m水平面上浓度变化规律。图6为送风角度25°，不同送风速度下测点2、测点4、测点5浓度变化规律。由图6可以看出，在浓度最大时刻，测点2浓度最低，测点4与测点5处制冷剂浓度约为可燃浓度下限的18.7%和15.9%（表2）；由于制冷剂射流沿程不断卷吸空气以及浓度差射流的弯曲作用使得制冷剂浓度沿程减小，测点4处比测点5处的制冷剂浓度高约0.39%，高出测点5处浓度的17.1%；随着送风速度的增加测点5与测点4间浓度差先增加后减小，这是由于送风加剧了制冷剂射流卷吸周围空气，增加了浓度衰减，随着送风速度进一步增加制冷剂与空气混合更加充分，浓度差逐渐减小。在对流扩散阶段，各点浓度相比于最大浓度约下降54.1%；对比测点2、测点4、测点5处制冷剂浓度变化，可以发现位于送风死角的测点2浓度下降较慢，测点4处制冷剂浓度下降速率略高于测点5，这是由于测点4位于室内送风主流区，对流扩散作用明显；在对流扩散结束时测点4与测点5间浓度差下降为0.11%，仍高出测5点浓度的9.9%，这是由于在对流扩散阶段对流起主要作用，使室内制冷剂浓度分布更加均匀。

图6 不同送风速度下Z=1.0 m平面制冷剂浓度变化 Fig.6 Concentration distribution on plane Z=1.0 m of different air velocities

通过以上分析发现室内机蒸发器出口发生泄漏时，在泄漏扩散阶段室内机附近垂直方向上制冷 剂发生集聚，房间下部浓度比房间上部制冷剂浓度高约8.7%；在水平方向上室内主流区测点4的浓度比远处测点5的浓度高约17.1%。从各点最大浓度来看，除泄漏口附近测点浓度超过可燃下限外，虽然房间下部及送风主流区制冷剂浓度较高，但房间下部最大制冷剂浓度（以测点3为例）仅是可燃浓度下限的20.8%，房间送风主流区最大浓度（以测点4为例）仅是可燃浓度下限的22.1%，安全性较高，房间其他位置处浓度更低，更为安全。在对流扩散阶段送风气流扰动使得各点制冷剂浓度下降50%左右，安全性进一步提升；受对流扩散作用的影响水平和垂直方向测点间浓度差也随之减小；但送风速度越大对流扩散结束时刻垂直方向上浓度差与上部浓度的比值越大。

2.2.2 送风角度对室内R32浓度分布的影响 以下为送风速度7.6 m·s-1送风角度分别为25°、34°、43°时室内各测点制冷剂浓度变化规律。首先分析泄漏口附近测点6处浓度变化规律。由图7可以看出：在开始阶段测点6的制冷剂浓度迅速升高，随着制冷剂泄漏速度减慢和送风气流的扰动，其浓度迅速下降并趋于稳定。不同送风角度下各点最大浓度和对流扩散结束时制冷剂浓度值列入表3。由图7和表3可以看出测点6处最大浓度约为16.82%，超过了可燃下限20.1%，比其他测点浓度大很多，且浓度变化剧烈，这是由于测点6位于泄漏口正对面，对制冷剂泄漏的响应较快。

图7 不同送风角度下测点6浓度变化规律 Fig.7 Concentration variation of point 6 with different air supply angles

表3 不同送风角度下典型时刻各点浓度 Table 3 Concentration at typical times of different air supply angles

其次，分析X=0.4 m平面上浓度分布。图8为送风速度7.6 m·s-1送风角度分别为25°、34°、43°时测点1～3的浓度变化规律。由图8可以看出：不同送风角度下同一个测点的R32浓度上升速率相 近，达到稳定时受各工况泄漏量差异的影响其浓度略有差异；由表3和图8看出在最大浓度时刻，3种送风角度下测点2的平均浓度约为可燃浓度下限的11.7%，测点3与测点1处平均浓度为可燃浓度下限的18.0%和16.9%，测点3处制冷剂浓度比测点1平均高约0.15%，超过测点1处浓度的6.5%。在对流扩散阶段，随着对流扩散的进行，各点浓度比最大浓度下降约59.4%；送风死角处测点2浓度下降速率较低，测点3处制冷剂浓度下降速率比测点1略快；在对流扩散结束时，测点3比测点1的浓度平均高约为0.07%，高出测点1处浓度的2.86%。

图8 不同送风角度下X=0.4 m平面制冷剂浓度分布 Fig.8 Concentration distribution on planeX=0.4 m of different air supply angles

最后，分析位于Z=1.0 m水平面浓度变化规律。图9为送风速度7.6 m·s-1不同送风角度下测点2、测点4、测点5的浓度变化规律。对比这3个测点可以发现，在浓度最大时刻，位于送风死角的测点2浓度较低，其平均浓度约为LFL的11.7%；测点4和测点5的平均浓度约是LFL的19.5%和16.8%；由于制冷剂射流沿射程增加不断卷吸空气以及浓度差射流的弯曲的作用，导致测点4处浓度比测点5处制冷剂浓度高约0.37%，超出测点5浓度的13.8%。随着对流扩散的进行，各测点的浓度逐渐减小，位于但送风死角的测点2浓度下降较慢，位于室内送风主流区的测点4处浓度下降速率略大于测点5，对流扩散结束时刻各点浓度约是最大浓度的58.4%；随着对流扩散的进行测点4与测点5间浓度差也逐渐减小。对流扩散结束时刻，送风角度25°、34°、43°测点4与测点5处浓度差分别为0.07%、0.08%、0.12%，这是由于送风角度的增加导致送风气流的弯曲，使得测点4与测点5间浓度差增大。

图9 不同送风角度下Z=1.0 m平面制冷剂浓度分布 Fig.9 Concentration distribution on plane Z=1.0 m of different air supply angles

通过以上分析发现室内机蒸发器出口发生泄漏时，在泄漏扩散阶段室内机附近垂直方向上制冷剂发生集聚，房间下部浓度比房间上部浓度高约6.5%；在水平方向上，室内主流区测点4的浓度比远处测点5的浓度高约13.8%。从最大浓度来看，除泄漏口附近测点外，房间下部及送风主流区制冷剂浓度较高，但房间下部R32最大浓度仅是可燃浓度下限的20.1%，房间送风主流区最大浓度仅是可燃浓度下限的21.6%，安全性较高，房间其他位置处浓度更低，更为安全。在对流扩散阶段，送风气流扰动使得各点制冷剂浓度比最大浓度降低约59.0%左右，安全性进一步提升；随着对流扩散的进行，水平和垂直方向测点间浓度差随之减小；而送风角度的增加使对流扩散结束时水平方向浓度差增大。

2.3 空调运行工况下R32制冷剂的安全性评价

由表2和表3可以发现除泄漏口正对面的测点6外，室内各测点的最大浓度均不超过制冷剂R32可燃浓度下限，这是由于制冷剂泄漏口局部必然会出现可燃区域；泄漏口正对面的测点6受制冷剂泄漏变化规律影响最大，变化最为剧烈，在开始泄漏后的很短时间内达到R32的可燃范围。实验各工况中测点6的最大浓度以及在可燃范围内滞留时间列在表4中。实验中室内机下方送风死角处测点2的浓度最小，实验各工况下测点2的最大浓度约为1.83%，仅是R32可燃下限的13.1%。室内人员活动区浓度最大点为测点4，最大浓度约为3.02%，仅是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对面的测点6的浓度达到可燃范围，但其在可燃范围内停留的时间仅有77 s左右，发生着火的可能性不大；同时，制冷剂发生着火，除应满足浓度在可燃范围内，还应满足点火源能量大于R32的最小点火能、空气速度小于R32的燃烧速度。由于泄漏口位于房间的上部，在该位置满足着火所需的条件相对而言较为困难。

表4 各工况下室内出现可燃区情况 Table 4 Combustible zone of different conditions

综上所述可以认为在空调运行时R32制冷剂发生泄漏，危险性较低。即便制冷剂泄漏着火也只存在泄漏口附近局部区域，不会发生在室内人员活动区域。因此，以R32制冷剂为冷媒的家用空调器在运行工况下有一定的安全性。

3 结 论

通过实验研究的方法，探索空调运行时R32制冷剂泄漏扩散规律，并分析空调送风速度和送风角度对室内R32浓度分布的影响，得到以下结论。

（1）空调运行条件下随制冷剂泄漏的进行泄漏速率逐渐下降；泄漏过程分为高速泄漏阶段和低速泄漏两个阶段，泄漏速率分别为71.1 g·min-1和6.52 g·min-1。

（2）空调室内机发生制冷剂泄漏时，泄漏口附近制冷剂浓度最高，可能达到可燃范围；房间下部以及送风主流区浓度较高，但其浓度仅为可燃浓度下限的15%～20%，较安全；经过对流扩散后，室内各点浓度较最大浓度下降约50%，室内安全性进一步提高。

（3）空调运行时R32发生泄漏，室内R32浓度分布是对流、扩散和沉降共同作用的结果。在泄漏扩散阶段不同位置处制冷剂浓度大小主要由制冷剂射流与送风气流共同决定；在垂直方向上R32制冷剂集聚在房间下部，水平方向制冷剂浓度沿程衰减。在对流扩散阶段，室内R32浓度分布由对流扩散作用决定；室内不同测点间浓度差在对流扩散的作用下逐渐减小。送风速度越大，对流扩散结束时刻垂直方向上浓度差与上部浓度的比值越大；随着送风角度的增加使得对流扩散结束时水平方向上制冷剂浓度差增大。

（4）当室内机蒸发器出口发生制冷剂泄漏时，泄漏口附近的局部区域制冷剂浓度在可燃范围内。实验中只有测点6在可燃范围内，但从测点6在可燃区内滞留时间来看，发生着火的危险性不大。

符 号 说 明

Cend——对流扩散结束时制冷剂浓度值，%

Cmax——制冷剂最大浓度值，%

ΔC——制冷剂最大浓度时刻与对流扩散结束时刻相对浓度差，%

Tstart——制冷剂开始泄漏时刻，s

Tsustain——在可燃范围内持续的时间，s

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