可燃冷媒制冷器具实验室防爆系统的设计与模拟

许治勇，李瑛，胡永攀

（上海理工大学，上海 200093）

1 前言

随着氟利昂对环境破坏的增大，为适应发展的新型制冷剂向着自然介质转变。EricGranryd和Pelletior提出利用丙烷（R290）代替R22 使用在家用热泵空调器中使压力降低了大约40%～50%。同样无可避免的R290的使用也是一路坎坷，在替代R22方面有多方优势［1-3］。但其唯一不足的是可燃性极大地限制了它的使用［4］。因此对以R290为首的可燃制冷剂的制冷器具器的防爆设计也变得意义非凡。国内外学者对此作了很多研究工作。大连理工大学通过对已有扩散模型进行了研究分析，从气体动力学入手，采用平板模型并在风洞试验的基础上对可燃及毒性气体的扩散过程进行了研究［5］。Montiel、Jo等人在研究气体管网泄漏危害后果的过程中，提出了气体泄漏的小孔模型、管道模型和大孔模型［6-7］，得到了较好的泄漏率计算结果。在此基础上，杨昭等人研究了气体动态泄漏的扩散危害分析［8］。而梁瑞等利用喷射火和蒸气云爆炸模型对可燃气体泄漏后发生火灾爆炸后果及其评价模型进行了研究［9］。

可燃冷媒制冷器具实验室被广泛用来检测可燃制冷剂的各种性能，把制冷器具实验室室内机与制冷系统仿真技术和数值模拟技术相结合，运用到实验室设计中具有很大的意义。而可燃冷媒器具实验室的另一个关键设计在于它的安全系统，因为它测试的是以可燃制冷剂为制冷媒介的制冷电器。本文采用Fluent数值模拟方法，分析实验室和房间内的平均浓度降低速度、局部浓度分布和速度场分布3个角度对比2种方案的效果状况，通过类似的模拟对比，选择符合紧急排风口和进风口最佳的风口大小及位置；最佳的进出风风速。

2 防爆系统的设计

2.1 防爆系统的作用

当测试可燃冷媒制冷器具时，如果发生可燃气体的泄露，需要尽快检测到泄露情况，如若发生泄露，需要立即进行排风，保证实验室房间内的可燃冷媒气体浓度在安全范围内［10］。所以防爆系统主要由安全报警系统和紧急排风系统两部分组成。

安全报警系统主要包括室内外侧的各浓度探头，和各探头对应的浓度反馈系统。紧急排风系统主要包括一个将实验室房间内的高浓度可燃冷媒抽到建筑物外的紧急防爆风机和一个将相应量的新风抽入实验室的进风入口及其抽出实验室的出风口。

2.2 可燃气体传感器的选择

催化型可燃气体传感器是通过利用催化燃烧的热效应原理，使检测元件和补偿元件配对构成测量电桥，在一定温度条件下，使得可燃气体在催化剂的作用下在检测元件载体表面发生无焰燃烧，载体温度升高，通过它内部的铂丝电阻也同步升高，从而使平衡电桥不再平衡，输出的电信号与可燃气体浓度成正比。通过测量铂丝电阻变化程度，可以得出可燃性气体的浓度。催化型可燃气体传感器主要用于可燃性气体的检测，它的输出信号线性好，测量指数可靠，价格便宜，并且不会与其他非可燃性气体发生交叉感染［11］。

设计中采用催化探头式气体传感器监视周围空气中可燃气体浓度在爆炸下限中从0～100%范围内的变化。该传感技术是催化燃烧型，由成对的探头组成，探头可在现场更换。催化探头对于种类繁多的可燃性气体有敏锐的反应。该技术对于可燃性气体普遍适用性，可用于对几种特定可燃性气体的探测和监视。催化燃烧探头式传感器技术上采用可燃性气体探测技术，无论对于有机气体还是无机气体。它的使用范围广，被誉为”不挑剔的传感器”，对于烷烃类及非烷烃类可燃气体均有较好的反应。传感器经特殊设计有防毒气功能，能在多数工业环境中可靠工作五到十年。在安装维护中，它的灵活性和低成本使它更容易被广泛认可。因此，本试验采用催化型可燃气体传感器。

2.3 安全报警系统的设计

安全报警系统是通过检测室内、室外两侧可燃气体浓度，控制排风系统和进风系统，从而保证实验室的安全性。并设计2个档位，分别代表浓度探头探测到的不同浓度值。

第1档浓度设定为爆炸极限浓度下限的10%，当检测到室内侧或室外侧浓度达到爆炸极限浓度下限的10%后，安全报警系统启动，发出声光报警，开启启动进风和排风风门、防爆排气风扇，同时切断被测机电源，并且开始监视浓度报警信号，如果在设定的时间内报警信号没有消除，则切断全部电源。

第2档浓度设定为爆炸极限浓度下限的25%，当检测到室内侧或室外侧浓度达到爆炸极限浓度下限的25%后，直接发出声光报警，切断全部电源并且保留防爆排气风扇运行。同时需要带气动风门压缩空气的低压报警。

由于进风、排风的风门通过电控气动装置执行开闭，故压缩空气源异常时会引起防爆排风装置失灵。因此平时只要设备开启，保护装置会连续监视压缩空气的压力，异常时会发出声光报警信号，提醒操作人员排除气源故障带气动风门压缩空气的低压报警。

3 紧急排风系统的Fluent模拟设计

3.1 排风口和进风口的模拟

为了降低室内、室外侧可燃冷媒平均浓度，并避免实验室局部浓度过高，需要合理的设计防爆性能实验室紧急排风系统（包括进风口和排风口的设计）。在实验室搭建前，通过模拟排风口和进风口的位置，得到实验室内的速度场和浓度场，以确定紧急排风系统的最佳设计方案。

由于室内侧和室外侧的风口一致性，以模拟室外侧进风口和紧急排风口的位置为例，采用可燃制冷剂R32为工质模拟选择合适的设计方案［12］。

实验室尺寸：室外尺寸为7200 mm×5200 mm×3200 mm；室内侧尺寸为墙壁厚100 mm，房顶厚度300 mm。以房间里R32可燃制冷剂的浓度是76.5 g/m3（爆炸极限浓度下线的25%）为起始，其中7000 mm×2900 mm的一面墙上有一个固定的紧急出风口。首先固定出风口尺寸为300 mm×300 mm。为了保证室内的压力平衡并且尽快抽出R32，需要找到一个最佳的新风进口，在向外抽风的同时，有新风进入房间；新风进口大小也固定为300 mm×300 mm。新风进口风速与出风口风速保持一致为4 m/s。通过模拟确定哪一个是最佳的新风进口。

3.2 模拟方案的确定

2种进风口方案的确定：方案1进风口选在与紧急出风口同一面墙的斜对角对称位置，具体位置和尺寸见图1。方案2排风口位置不变，进风口位于房顶，具体位置和尺寸见图2。

图1 方案1进风口位置和尺寸示意

图2 方案2进风口位置图和尺寸示意

通过对比实验室内可燃制冷剂的浓度分布及浓度变化曲线寻找最佳进风口位置。分别记录运行后0.5，1，2，5 min时室外侧空间1 m高度层和2 m高度层的速度场和浓度场。

3.3 模拟结果

生成网格并代入物质传输方程后运行，得到2种方案的模拟结果。从平均浓度降低速度、局部浓度分布图和速度场分布3个角度对比2种方案的效果。

3.3.1 平均浓度降低速度

首先对2种进风口方案抽风的平均浓度随时间变化进行对比，见图3。对比2种方案在平均浓度随时间变化方面，从100s和300s时纵坐标的数值可以看出，方案2的浓度降低速度更快。从平均浓度降低速度角度看，方案2更优秀。

图3 方案1，2的平均浓度随时间的变化

3.3.2 局部浓度分布

对比2种方案的局部浓度分布。记录2种方案在0.5，1，2，5 min在空间高度为1 m和2 m平面上的浓度分布。挑选具有鲜明差别的对比图对比说明。如1 min时，室外侧空间1 m平面的R32浓度分布，见图4。

图4 方案1，2在1 min、1 m空间浓度分布

通过观察可以发现，方案1的浓度分布图中局部最高浓度分布在最左侧墙壁处，最高浓度达到6.21×10-2g/m3，而方案2的浓度分布图中最高浓度分布在左上方处，仅为5.93×10-2g/m3。方案2的局部浓度分布更均匀，效果更好。

图5 方案1，2在1 min、2m空间浓度分布

观察图5可以看到，2 m空间层2种方案的局部最高浓度大致相同，都为5.60×10-2g/m3左右。

在对比了多组数据后，可以得到结论：方案1在实验室的中上层空间浓度分布现象和方案2相差不多；而在实验室下层空间里的浓度分布，存在很多局部浓度过高现象。综合考虑，方案2在局部浓度分布均匀性方面更好。

3.3.3 速度场分布

减少流动死角可以更好地避免局部浓度过高的现象，因此对2种方案的速度场中的流动死角进行对比分析。记录2种方案在0.5，1，2，5 min在空间高度为1 m和2 m平面上的速度场，结果如图6所示。从图6可以看到，方案1在2 m高度空间中间部分的速度场几乎为0。通过对比明显可以看出方案2速度场的不流动区域更少。

图6 方案1，2在1 min、2 m空间的速度场

从图7同样可以看到，方案2在速度场的分布方面远远优于方案1。方案1中心区域存在较多的不流动区域。综合对比结果，从速度场分布的角度，方案2更加优秀。

图7 方案1，2在5 min、1 m空间的速度场

从平均浓度随时间变化、局部浓度分布和速度场分布情况3个角度的对比结果来看，方案2比方案1优秀。所以在进风口位置的选择上，最终选择方案2，将进风口设在房顶上。

通过类似的模拟对比，选择符合紧急排风口和进风口的最佳风口尺寸和最佳的进、出风风速。经过模拟和对比，最后在满足相应国标对换风次数的要求下，选择400 mm×400 mm的进出风口大小和2.25 m/s的进出口风速。

4 结语

本文针对可燃冷媒制冷器具测试实验室，设计了可燃冷媒制冷器具测试实验室安全报警系统和紧急排风系统，并通过Fluent模拟对紧急排风系统中不同排风口、进风口位置下的实验室内可燃制冷剂的浓度分布及浓度变化，确定了紧急排风系统的最佳设计方案使可燃冷媒制冷器具测试实验室的安全得到最大程度的保护。

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