轻微易燃的制冷剂泄漏到房间的研究

1、轻微易燃的制冷剂泄漏到房间的研究摘要氯氟烃（CFC）和氢氯氟烃（HCFC）的使用已受到广泛限制。它们已被氢氟烃（HFC）替代，以保护臭氧层。然而，由于HFC的高全球变暖潜能值（GWP），制冷剂从正在使用中的或寿命终止的空调器中泄漏到空气中是一个严重的环境问题。因此，用低全球升温潜能值制冷剂替代氢氟碳化合物已被认为是解决这一问题的合理办法。在日本，低全球升温潜能值制冷剂如R1234yf，R1234ze和R32被认为是常规HFC制冷剂的替代品。然而，这些低GWP制冷剂通常是易燃的。当制冷剂泄漏到空间中时，如果制冷剂比空气重，它们倾向于在地板上聚集。如果制冷剂浓度高于低可燃极限（LFL），并存在点火

2、源，并且空气速度低于燃烧速度，则制冷剂可能会被点燃。当空调器发生泄漏时，由于制冷剂浓度在空调器出口附近为100，所以总是存在制冷剂浓度高于LFL的区域。因此，理解低GWP制冷剂的制冷剂扩散现象对于获得足够的信息以制定安全标准以评估使用这些制冷剂的风险是很重要的。数值分析是一种有效的工具，因为制冷剂在大空间中的扩散很难测量。在本研究中，当制冷剂从室内空调（RAC）和柜式空调（PAC）缓慢泄漏并迅速从冷却器进入大空间时，对扩散现象进行了数值分析。基于计算结果，检查制冷剂浓度分布，可燃区域的体积和位置以及它们的时间变化。一、介绍根据“京都议定书”，应减少温室气体如氢氟碳化物（HFC）的排放。 因此，

3、预期R32和R1234yf等具有低全球变暖潜能值的制冷剂（GWP）将成为下一代制冷剂。 然而，这些低全球升温潜能值的制冷剂通常是易燃的。表1列出了典型制冷剂的物理和可燃性（Takizawa，2012; JFMA，2012）。 这里，LFL是下燃烧极限，UFL是上燃烧极限，BV是燃烧速度，MIE是最小点火能量。为了获得评估使用这些制冷剂的风险所需的信息，在本研究中模拟了轻度易燃制冷剂的泄漏。当制冷剂泄漏到空间中时，当它们比空气重时，它们倾向于在地板上积累（Kataoka等人，1996）。如图1所示，当制冷剂浓度大于LFL，存在点火源，并且空气速度低于燃烧速度时，制冷剂可能点燃。当从室内空调（RA

4、C）发生泄漏时，总是存在制冷剂浓度高于LFL的区域，因为在泄漏端口的出口附近制冷剂浓度为100。因此，必须为含有易燃制冷剂的空调设备制定适当的安全标准，因为有爆炸的危险。了解制冷剂扩散现象对于制定安全标准很重要。还必须研究清楚参数对比空气重的制冷剂的扩散现象的影响。数值分析是用于该目的的有效工具，因为测量制冷剂在大空间中的扩散是非常困难的。 Goetzler和Burgos（2014）数值模拟了2L可燃性制冷剂泄漏到住宅空间的情况，以评估在制热，通风和空调（HVAC）系统和制冷系统中使用这些制冷剂的可行性。在本研究中，当制冷剂从室内空调（RAC），可变制冷剂流量（VRF）和冷冻机泄漏到大空间中时

5、的扩散现象进行了数值分析。基于计算结果，确定制冷剂浓度分布，可燃区域的体积和位置，以及它们随时间的变化。对于RAC，通过使用制冷剂泄漏实验的结果验证计算结果。二、计算方法表2列出了本研究考虑的泄漏情景。使用商业计算流体动力学（CFD）程序STAR-CD来模拟制冷剂扩散现象。三维空间中混合物的平流扩散问题由连续性方程，Navier-Stokes方程，能量守恒方程和对流扩散方程控制。假定空气和制冷剂都是理想气体，并且通过使用理想气体的状态方程计算密度。 PISO或SIMPLE用于压力 - 速度耦合方案，UD和MARS用于离散化方案。 在情况1-22（RAC和VRF）和23-32（冷却器）中分别使用

6、标准的和可实现的k-湍流模型（表2）。 对于边界条件，假设在入口边界处的恒定流量，并且假设对应于大气压力的恒定压力或在出口边界处的自由流出条件。假定空气和制冷剂都是理想气体，并且通过使用理想气体的状态方程计算密度。 PISO或SIMPLE用于压力 - 速度耦合方案，UD和MARS用于离散化方案。 在情况1-22（RAC和VRF）和23-32（冷却器）中分别使用标准的和可实现的k-湍流模型（表2）。 对于边界条件，假设在入口边界处的恒定流量，并且假设对应于大气压力的恒定压力或在出口边界处的自由流出条件。三、分析模型图2显示了分析的几何形状。 这些几何形状的细节在下面描述。（a）从安装在室内的室内

7、空调机组泄漏制冷剂被模拟为从壁挂式室内RAC单元泄漏到尺寸为2.8m×2.5m×2.4m的空间中。 室内机位于其中一个墙壁中心地板上1.8米处。室内机的尺寸为0.6m×0.24m×0.3m，室内机的出风口尺寸为0.6m×0.06m。制冷剂从该空气出口泄漏。 使用约200,000个非等距网格点来离散控制方程。模拟的制冷剂是R32，R1234yf和R290（丙烷）。（b）地面安装的室内RAC单位的泄漏制冷剂被模拟为从地面安装的室内RAC单元泄漏到尺寸等于用于从壁挂式室内RAC单元泄漏的空间的空间。从落地式室内单元泄漏的制冷剂的空间的尺寸等于从壁装式

8、室内单元泄漏的制冷剂的尺寸。室内机位于墙壁中央的地板上。 室内机的尺寸为0.7m×0.21m×0.6m，室内机的出口尺寸为0.46m×0.045m。制冷剂从该空气出口泄漏。 使用大约240,000个非等距网格点来离散控制方程。模拟的制冷剂是R32和R1234yf。（c）室外RAC单位的泄漏制冷剂被模拟为从放置在尺寸为5.0m×1.2m×1.1m的阳台上的室外单元泄漏。 室外机位于阳台左侧的地板上。室外机的尺寸为0.77m×0.29m×0.68m，室外机具有直径为0.4m的风扇。制冷剂从风扇泄漏。此外，假设速度为0.5m /

9、s的风吹在阳台周围。使用大约350,000个非等距网格点来离散控制方程。模拟的制冷剂是R32和R1234yf。（d）可变制冷剂流量的泄漏制冷剂被模拟为从放置在尺寸为6.5m×6.5m×2.7m的办公室的VRF泄漏。 VRF的室内机位于办公室中心的天花板上。该室内机具有尺寸为0.45m×0.0645m的空气出口和直径为0.37m的吸入口。制冷剂从空气出口泄漏并被抽吸。办公室还有一个尺寸为0.2米×0.2米的新风供应口和排气格栅，门下的间隙为1.5米×0.01米。使用约200,000个非等距网格点来离散控制方程。模拟的制冷剂是R32和R1234yf

10、。当泄漏速度高于燃烧速度时，可能没有可燃容积。 因此，对于（a） - （d）的计算，泄漏流被设置为非常缓慢以考虑高风险情况。（e）水冷式冷水机的泄漏制冷剂被模拟为从放置在尺寸为1.28m×1.28m×1.28m的机器室中的水冷冷水机泄漏。冷水机位于距离墙壁1.01m处，并且假设具有距离地板150mm的长度为100mm的喷嘴形泄漏端口。喷嘴的内径取决于泄漏类型：对于快速泄漏，= 4.0mm，对于爆裂泄漏，= 8.0mm。四、结果与讨论表3给出了计算结果。术语（V·t）表示可燃气体体积和存在时间的乘积。该值与燃烧风险相关，称为可燃体积时间（FVT）。术语VFL表示可燃

11、气体体积，术语VBVFL表示空气速度低于燃烧速度的可燃气体体积。 （a）壁挂式室内RAC单元的泄漏情况1-8的表3中的计算结果表示壁挂式室内RAC单元的泄漏。情况1如图3和图4所示。作为代表性结果。图3示出了当VFL达到其最大值时的LFL等值面，图4表示（VFL·t）和VFL如何随时间变化。FVT非常小，即使轻微易燃的制冷剂从壁挂式室内单元泄漏。如情况1-6的结果所示，考虑燃烧速度时确定的FVT值等于零。这些结果表明，即使存在点火源，由于制冷剂泄漏引起的对流，也不会发生点火。因此，如果在室内单元内部不存在点火源，则不发生燃烧。对于情况7，尽管计算值高于丙烷的最大允许填充比，但制冷剂泄

12、漏表现出很大的危险，因为FVT值与其他情况相比非常高。对于情况8，丙烷的MIE低于R32和R1234yf的MIE，丙烷的熄灭距离非常窄。因此，丙烷的泄漏是危险的，因为火焰容易传递。 （b）地面安装的室内RAC单元的泄漏表3中的案例9和10的计算结果表示来自地板安装的室内RAC单元的泄漏。情况10在图3和图4作为代表性结果。根据表3，项（VFL·t）和（VBVFL·t）非常相似。这些结果表明，空气速度低于燃烧区域中的燃烧速度。因此，如果点火源存在于燃烧区域中，则在整个燃烧区域中存在燃烧的风险。此外，由于R1234yf的LFL低于R32的LFL，R1234yf的存在时间比R32

13、的存在时间长。因此，R1234yf的风险高于R32。因此，当在空调中使用可燃制冷剂时，需要安全规则，因为从安装在地面的室内单元泄漏的风险高于来自安装在墙上的室内单元的泄漏风险。 （c）室外空调室单位的泄漏 情况11和12的表3中的计算结果表示室外RAC单元的泄漏。情况12在图3和图4作为代表性结果。表3中的结果表明，由于与对于安装在地面的室内单元中解释的相同的原因，可燃气体体积长时间存在。因此，为了安全起见，具有排水沟和底切的阳台是优选的，因为室外单元在地板附近具有风扇，这可能导致可燃区域遍布整个阳台区域。 （d）可变制冷剂流量的泄漏 情况13-22的表3中的计算结果表示来自VRF的泄漏。情况

14、15示于图3和图4作为代表性结果。根据表3，作为空气供应源的空气出口的存在影响FVT和存在时间。此外，由于大量制冷剂泄漏，VRF的释放周期大于150分钟。因此，尽管可燃气体体积小，但是FVT（VFL·t）比来自壁挂式RAC单元的泄漏长。另一方面，当考虑空气速度时，FVT显着降低。对于R1234yf，点燃的风险非常低，因为燃烧速度低。对于R32，当在空调中使用可燃性制冷剂时，需要涉及例如制冷剂泄漏传感器，报警器和通风的安全规定。（e）水冷式冷水机的泄漏情况23-32的表3中的计算结果表示来自水冷冷却器的泄漏。 情况25-28如图3和图4作为代表性结果。对于情况26,27和29，在制冷剂

15、完全泄漏后的100秒时停止计算，但此时存在可燃区域。因此，实际存在时间和FVT必须大于表3中列出的值。此外，尽管本研究未考虑湿度，但应考虑湿度，以防R1234ze（E）泄漏，因为这种制冷剂在湿度是零的情况下不易燃。这些结果表明，通风气流对FVT有很大的影响，类似于VRF结果。例如，足够的空气通风量（X = 5）对R32和R1234yf的快速泄漏的影响对于情况24和25以及情况27和28分别是明显的。根据结果，对于R32和R1234yf两者的快速泄漏，（VFL·t）非常小并且（VBVFL·t）等于零。这是因为通风空气使制冷剂通过排气管道流动到出口。 这个结果可归因于有足够的空

16、气通风量。另一方面，对于非通气情况，R1234yf的FVT大于R32的FVT，因为如前所述，前者具有较低的LFL和较后者更长的存在时间。五、制冷剂泄漏实验（a）实验方法和条件在与RAC的数值计算中使用的尺寸相同的实验室中测量制冷剂浓度。图5显示了实验系统的图。来自气瓶的制冷剂通过蒸发潜热冷却，并通过恒温槽升温至规定温度。质量流量由质量流量控制器控制。制冷剂泄漏到实验室中，并且通过浓度传感器测量制冷剂浓度。 实验在与用于情况1,3和9相同的条件下进行，这些被列在表2中。（b）结果和讨论图6比较了实验和计算结果。在低测量点，来自壁装式室内单元的实验泄漏表明制冷剂浓度较高，而制冷剂到达时间也相对于计

17、算结果显示出正倾斜度。然而，对于壁挂式室内机，低测量点处的制冷剂浓度低于泄漏结束时的计算结果;因此，实验结果表明壁挂式室内机比计算结果更安全。对于从地面安装的室内单元泄漏的实验，在地板上测量的制冷剂浓度几乎等于计算结果。然而，在地板上的浓度变得小于LFL之前的时间比计算结果中的时间短得多。这是由没有空气流动的不完美实验条件引起的。实验室中配备的排气管可能导致由实验室和室外环境之间的压力差引起的对流。因此，对流提供了更安全的结果，有利于风险评估另一方面，实验结果表明，被认为受对流影响最小的地板上的制冷剂浓度在从壁挂式室内单元泄漏期间没有达到LFL，并且制冷剂浓度超过UFL时，来自落地式室内机的泄漏结束。 这些趋势一般与计算结果的趋势一致。从调节的角度来看，CFD模拟对于制定严格的法规是首选。然而，实验结果可用于确认制冷剂浓度分布的定性趋势。六、在该研究中进行的模拟和实验将制冷剂泄漏到空间中产生了以下发现。在壁挂式室内机发生泄漏的情况下，如果室内机内部不存在点火源，则不会发生燃烧。在从落地式室内机泄漏的情况研究下，在空调中使用可燃性制冷剂时，需要遵守安全规定。在落地式室内机或室外机发生泄漏的情况下，R1234yf的燃烧风险高于R32。在室外单元泄漏的情况下，优选具有