空調(diào)送風(fēng)速度和百葉開度對R32擴(kuò)散影響分析

鄭亞飛 金梧鳳 張 燕

(1.天津商業(yè)大學(xué)，天津 300134； 2.北京清華同衡規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，北京 100000)

空調(diào)送風(fēng)速度和百葉開度對R32擴(kuò)散影響分析

鄭亞飛1金梧鳳1張 燕2

(1.天津商業(yè)大學(xué)，天津 300134； 2.北京清華同衡規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，北京 100000)

采用Fluent模擬軟件對家用分體式空調(diào)中制冷劑R32泄漏擴(kuò)散進(jìn)行模擬，詳細(xì)分析了空調(diào)百葉開度和送風(fēng)速度對R32在室內(nèi)擴(kuò)散的影響，得出了一些有價值的結(jié)論,以供參考。

泄漏擴(kuò)散，室內(nèi)，百葉開度，送風(fēng)速度

為了保護(hù)人類賴以生存的環(huán)境，國際社會召開了一系列會議并制定了相應(yīng)的合約[1]，如《維也納公約》《蒙特利爾議定書》等，其中已經(jīng)規(guī)定了CFCs和HFCs類工質(zhì)的限制使用時間。因此既綠色又環(huán)保的制冷劑進(jìn)入到公眾的視野。制冷劑R32因為其良好的環(huán)保特性和熱工性能被認(rèn)為是良好的替代產(chǎn)品，但因其可燃性，存在對周圍環(huán)境和人身安全的威脅，受到限制。

很多學(xué)者已經(jīng)開展了制冷劑泄漏擴(kuò)散的研究，彭繼軍學(xué)者[2]在制冷劑和環(huán)境之間熱交換的基礎(chǔ)上建立了氣液相空間動態(tài)泄漏模型，得出氣相泄漏相對液相泄漏更安全。楊昭等學(xué)者提出了氣相制冷劑泄漏量的計算方法，并得出泄漏點(diǎn)存在一個局部可燃濃度范圍，即存在著火爆炸的危險[3]。宣永梅建立了泄漏模型，得出了R22的替代制冷劑HFC-161/125/32各組分質(zhì)量成分的變化規(guī)律[4]。本文建立小房間住宅室內(nèi)泄漏模型，對泄漏擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同影響因素對泄漏擴(kuò)散的影響。

1 控制方程與物理模型

1.1 控制方程

這里認(rèn)為R32氣體在室內(nèi)的泄漏擴(kuò)散問題是無化學(xué)反應(yīng)的單相多組分?jǐn)U散問題，它的控制方程[5-8]包括連續(xù)性方程，動量守恒方程，能量守恒方程和組分輸運(yùn)方程，以及針對氣體流動的湍流模型方程。

1)連續(xù)性方程：

(1)

2)動量守恒方程:

(2)

3)能量守恒方程：

(3)

4)組分輸運(yùn)方程：

(4)

1.2 物理模型

如圖1所示為分體式空調(diào)室內(nèi)機(jī)的幾何模型和空調(diào)百葉開度的模型圖，其中分體式空調(diào)室內(nèi)機(jī)的尺寸為885 mm×285 mm×210 mm，為了簡化模擬，將送風(fēng)口和回風(fēng)口分別處理成785 mm×123 mm和885 mm×210 mm的長方形風(fēng)口。另外為了得到不同百葉角度對濃度分布的影響，模擬中主要對最小百葉開度、最大百葉開度和中間百葉開度進(jìn)行研究，角度分別為25°，43°和34°。

模擬房間的結(jié)構(gòu)如圖2所示，該房間的尺寸3 900 mm×2 900 mm×2 750 mm，室內(nèi)機(jī)安裝在房間的角落處，距北墻和屋頂分別為190 mm和240 mm。研究該房間區(qū)域內(nèi)R32泄漏的濃度場分布，對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。空調(diào)的泄漏量按型號為LS-B3541AT的壁掛式空調(diào)充注量700 g進(jìn)行泄漏。

2 結(jié)果分析

2.1 不同百葉角度的影響

模擬過程中，選取了三個百葉角度進(jìn)行數(shù)值計算，分別是25°，34°和43°，當(dāng)百葉角度不同時，空調(diào)的送風(fēng)方向之間會出現(xiàn)差異，進(jìn)而將導(dǎo)致R32在室內(nèi)的擴(kuò)散分布出現(xiàn)不同。

由于x=2.267 5 m平面與泄漏口相交，故選取該平面作為參考平面，且t=2 min時流場已經(jīng)發(fā)展穩(wěn)定，故對該時刻的速度矢量圖進(jìn)行分析。如圖3所示，為空調(diào)送風(fēng)速度3.8 m/s，百葉角度分別為25°，34°和43°時，x=2.267 5 m平面在t=2 min的速度矢量圖。從圖中可以看出當(dāng)百葉角度為25°時，空調(diào)的送風(fēng)方向在靠近室內(nèi)機(jī)處水平偏下，隨著距室內(nèi)機(jī)距離的增大，送風(fēng)方向逐漸向上偏移，到達(dá)壁面后沿著壁面方向開始向下運(yùn)動；當(dāng)百葉角度為34°時，空調(diào)向著斜下方送風(fēng)，到達(dá)地面后冷空氣沿著地面運(yùn)動；當(dāng)百葉角度增大到43°時，空調(diào)以更大的斜度向斜下方送風(fēng)，且該百葉角度下送風(fēng)到達(dá)地面的距離要比34°時距室內(nèi)機(jī)更近，當(dāng)送風(fēng)到達(dá)地面后冷空氣沿著地面運(yùn)動，隨后順著壁面緩慢上升。即隨著百葉角度的增大，空調(diào)的送風(fēng)方向逐漸向斜下方偏移。

觀察圖3可以發(fā)現(xiàn)送風(fēng)影響區(qū)域均達(dá)到了室內(nèi)機(jī)正對的壁面和地面處，且在空調(diào)送風(fēng)的過程中，送風(fēng)氣流將與周圍環(huán)境發(fā)生熱交換，故隨著熱空氣上升、冷空氣下降，可以看到在室內(nèi)形成了多個渦流區(qū)。而室內(nèi)機(jī)下方由于空調(diào)送風(fēng)較難到達(dá)，氣流擾動最小，故易形成送風(fēng)死區(qū)。

為了得到室內(nèi)濃度隨百葉角度的變化規(guī)律，在x=2.267 5 m平面上選取了一個典型點(diǎn)A，A點(diǎn)位于該平面中部，坐標(biāo)為(2.267 5，1.6，1)，觀察該點(diǎn)處的濃度值隨百葉角度的變化情況。

如圖4所示為空調(diào)送風(fēng)速度3.8 m/s，百葉角度分別為25°，34°和43°時，點(diǎn)A處的濃度變化曲線，從圖中可以看出隨著時間的增長，A點(diǎn)處的濃度值呈逐漸增大趨勢。經(jīng)對比可以發(fā)現(xiàn)在泄漏開始階段，各角度下的濃度值幾乎相等，濃度曲線幾乎重合；當(dāng)時間超過150 s之后，濃度值的增長速度變緩，此時百葉角度為25°的濃度值最大，其次為43°和34°。因此可以認(rèn)為盡管百葉角度不同導(dǎo)致流場內(nèi)的氣流組織出現(xiàn)很大差別，但點(diǎn)A處的濃度值卻不與百葉角度呈規(guī)律性變化。

2.2 不同送風(fēng)速度的影響

為了得到不同送風(fēng)速度對濃度值的影響，模擬過程中分別選取了3個送風(fēng)速度進(jìn)行數(shù)值計算，分別是3.8 m/s，5.8 m/s和7.6 m/s，下面對不同送風(fēng)速度下x=2.267 5 m平面的速度矢量圖進(jìn)行分析。如圖5所示為空調(diào)百葉角度25°，送風(fēng)速度為3.8 m/s，5.8 m/s和7.6 m/s時，x=2.267 5 m平面在t=2 min時的速度矢量圖。將圖5a)～圖5c)進(jìn)行對比，可以看出氣流場的運(yùn)動趨勢均一致，但隨著送風(fēng)速度的增大，室內(nèi)機(jī)周圍的氣流擾動逐漸增大，送風(fēng)主流區(qū)的速度也逐漸增大，且?guī)邮覂?nèi)氣流進(jìn)行運(yùn)動和熱交換的能力也逐漸增強(qiáng)。

如圖6所示為百葉角度25°，空調(diào)送風(fēng)速度分別為3.8 m/s，5.8 m/s和7.6 m/s時點(diǎn)A處的濃度變化曲線。從圖中可以看出隨著時間的增長，A點(diǎn)處的濃度呈逐漸增大趨勢，且隨著時間的推移，送風(fēng)速度為3.8 m/s和7.6 m/s的濃度值要高于5.8 m/s時的濃度值，5.8 m/s時當(dāng)時間超過50 s時，濃度值的增長速度緩慢，而另外兩個速度的濃度增長速度相似且均大于5.8 m/s時的增速。通過對濃度值對比可以認(rèn)為盡管送風(fēng)速度的不同對流場造成了些許差異，但與濃度值之間并無規(guī)律性關(guān)系。

3 結(jié)語

本文以普通分體式空調(diào)在室內(nèi)發(fā)生泄漏為研究對象，分析空調(diào)送風(fēng)百葉開度和送風(fēng)速度對R32在室內(nèi)擴(kuò)散的影響，得出：

1)不同的百葉開度將導(dǎo)致室內(nèi)的流場出現(xiàn)很大差別，但泄漏初始階段百葉開度對濃度值的影響較小，到2 min后，隨著百葉開度的增大濃度值也增大。2)不同的送風(fēng)速度也會使室內(nèi)氣流擾動的強(qiáng)弱出現(xiàn)差距，但室內(nèi)各測點(diǎn)的濃度值卻并不與百葉角度和送風(fēng)速度呈規(guī)律性變化。3)在以上模擬工況里，R32濃度只在泄漏口周圍存在危險區(qū)域，大部分區(qū)域是在安全范圍內(nèi)。

[1] Molina M.J, Rowland F.S.Stratospheric Sink for Chlorofluoromethanes: Chlorine Atom Catalyzed Destruction of Ozone, Nature 249,1974:810-812.

[2] 彭繼軍.R22替代及工質(zhì)泄漏擴(kuò)散危險性理論分析與實(shí)驗研究[D].天津：天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,2006.

[3] 田貫三,楊 昭.制冷系統(tǒng)可燃工質(zhì)泄漏噴射過程的模擬研究[J].工程熱物理學(xué)報,2000,21(4):401-404.

[4] 宣永梅,陳光明.HCFC-22替代制冷劑HFC-161/125/32的泄漏特性理論分析[J].制冷學(xué)報,2011,32(4):67-71.

[5] 陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社,1988.

[6] 王福軍.計算流體動力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社,2004:43-48.

[7] 傅德熏,馬延文.計算流體力學(xué)[M].北京：高等教育出版社,2002.

[8] 郭寬良.計算傳熱學(xué)[M].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,1988:8-29.

On analysis of influence of air-conditionerair velocity and shutter opening on diffusion of R32

Zheng Yafei1Jin Wufeng1Zhang Yan2

(1.TianjinUniversityofCommerce,Tianjin300134,China;2.BeijingQinghuaTonghengPlanningDesignInstituteCo.,Ltd,Beijing100000,China)

The paper adopts Fluent simulation software to simulate the leakage and diffusion of R32, the refrigerating fluid, in domestic split-type air-conditioner, analyzes influence of air-conditioner air velocity and shutter opening on diffusion of R32, and achieves some conclusion, so as to provide some reference.

leakage and diffusion, indoor, shutter opening, air velocity

2015-02-04

鄭亞飛(1990- )，男，在讀碩士； 金梧鳳(1964- )，男，副教授

1009-6825(2015)11-0114-03

TU831

A