可燃制冷劑R32室內空調器泄漏擴散特性的實驗研究

金梧鳳 張寧寧 張 燕 白賢三

(1 天津市制冷技術重點實驗室 天津市制冷技術工程中心 冷凍冷藏技術教育部工程研究中心 天津商業大學 天津 300134；2 北京清華同衡規劃設計研究院 北京 100085；3 樂金電子(天津)有限公司 天津 300400)

可燃制冷劑R32室內空調器泄漏擴散特性的實驗研究

金梧鳳1張寧寧1張 燕2白賢三3

(1 天津市制冷技術重點實驗室 天津市制冷技術工程中心 冷凍冷藏技術教育部工程研究中心 天津商業大學 天津 300134；2 北京清華同衡規劃設計研究院 北京 100085；3 樂金電子(天津)有限公司 天津 300400)

制冷劑R32具有良好的環保特性和熱工性能，但其可燃性限制了它的應用推廣，因此需要對R32的安全性進行分析。實驗研究了分體壁掛式空調用制冷劑R32在空調運行時，蒸發器不同泄漏位置和不同泄漏速度對室內R32濃度分布的影響，得出R32在空調運行時的泄漏擴散特性。研究表明：可燃性制冷劑R32在室內機蒸發器處發生泄漏時，泄漏過程可分為快速泄漏階段和低速泄漏階段；蒸發器出口泄漏比蒸發器入口泄漏危險性高；僅在蒸發器出口大流量泄漏時，室內機附近區域R32濃度最大值為16.79%，超過可燃下限(14.4%)16.6%。可燃濃度持續了22 s，存在著火的可能性，但概率較低；排風作用對各測點的濃度衰減影響強烈，可有效降低室內R32的濃度。

制冷劑；泄漏；分體式空調；蒸發器；R32

臭氧層破壞、溫室效應等環境問題已成為全球性研究課題。CFCs中的氯原子會與臭氧發生反應消耗臭氧分子，已經禁用，HCFCs中高GWP、高ODP制冷劑也將逐漸被淘汰。作為全世界最大的家用空調生產和使用國家，中國2010年生產和消耗的HCFCs類物質約占全世界總量的70%[1]。目前，我國空調行業普遍采用R22作為制冷劑[2]。R22屬于HCFCs類制冷劑，ODP為0.055，GWP值(=1810)較高，對大氣臭氧層具有破壞作用[3]。替代制冷劑R410雖然綜合性能較好，但GWP值(=2100)非常高[4]，仍需予以替代。所以，尋找綠色環保型制冷劑迫在眉睫。

制冷劑R32不僅循環性能良好、充注量小，而且ODP為零，GWP值(≈675)低，被認為具有良好替代前景[5-6]。日本已有采用R32制冷劑的房間空調器，走在了世界的前列[7]。我國的一些學者也對R32在空調器中的應用進行了理論分析和性能測試[5-11]，證明了R32在常規空調系統中替代R22和R410的可行性。然而，由于R32具有可燃性，在ASHRAE 34—2010[12]中被定為“A2L”類制冷劑，即低可燃無毒性制冷劑，可燃下限為14.4%。目前對可燃制冷劑R32應用于空調系統泄漏的研究主要有理論分析、數值模擬[13-16]以及儲罐和軟管等靜態模式泄漏的實驗研究[17]，但危險性最高的泄漏多發生在實際應用過程中。因此，本文對R32在空調運行時發生泄漏和擴散的濃度分布狀況進行了實驗研究，尋找泄漏速度和制冷劑在室內的擴散規律，為R32的安全使用提供基礎性依據。

1 可燃性制冷劑實驗室簡介

本實驗以住宅建筑的單個房間為參考，采用住宅建筑中廣泛使用的分體式空調系統進行實驗研究。圖1所示為可燃性制冷劑實驗室，該實驗室的尺寸為3.9 m×2.9 m×2.75 m。

A實驗小室 B 空調室內機 C泄漏口D R32濃度探測器 E “Z”字型支架 F 空調室外機G 電子秤 H 聯接管路圖1 實驗室結構圖(單位：mm)Fig.1 The structure of the laboratory(unit:mm)

實驗一共布置了10個測點，每個測點上設有R32濃度探測器。在實驗室的鉛直方向上設置三個面，分別為Z=0.2 m(接近地面的位置)，Z=1 m(中間高度位置)和Z=1.8 m(接近泄漏口的位置)；在長度方向每隔1.2 m等距排列；在寬度方向上布置三排，即Y=0.23 m(泄漏方向)、Y=0.58 m(空調器出風口正對方向)和Y=2.08 m(靠近門口的位置)。為了便于觀察，其中兩面墻為玻璃結構，用玻璃膠和泡沫填充劑對實驗室進行密封，如圖2所示。室內機安裝在東墻上，距北墻和地面的距離分別為0.19 m，2.20 m。實驗所用分體式空調根據實驗房間負荷計算進行選型，R32的充注量根據產品名牌上所標注的制冷劑的量進行充注，滿足可燃性制冷劑R32作為家用空調制冷劑的要求[13]。排風扇安裝在東墻門的上方，與北墻和地面的距離分別為2.08 m，2.20 m，風量為18 m3/h，其他實驗儀器和設備見表1。

圖2 可燃性制冷劑實驗室Fig.2 The flammable refrigerant laboratory

表1 測量儀器性能參數Tab. 1 Performance parameters of the measuring instruments

2 實驗方法和內容

2.1 實驗方法

實驗中使用“Z”字型支架來支撐空調系統室內機和室外機，將“Z”字型支架放置在電子臺秤上，通過對電子臺秤的讀數得到制冷劑的泄漏量。實驗時在蒸發器入口管和蒸發器出口管分別連接與制冷劑管同直徑的三通加調節閥，分出支管伸入室內作為蒸發器入口和蒸發器出口的泄漏口。泄漏口放置在室內空調器下部的中間位置，用調節閥控制泄漏速度。將R32濃度探測器放置在測點位置，與數據采集器相連記錄各測點的逐時濃度值。實驗過程設置為：開啟空調運行30 min，待室內流場穩定后打開泄漏閥門至指定位置，制冷劑泄漏100 min后關閉空調，使之自由擴散2 h，然后打開排風扇觀察排風作用對室內濃度分布的影響。

2.2 實驗內容

通常情況下，制冷劑泄漏高發區域為蒸發器入口管和出口管與蒸發器的焊接處[18]，而且與空調關閉相比，空調工作時的泄漏更不容易被察覺。蒸發器出口管為回氣管，壓力較低，實測管徑約5 mm。若制冷劑由蒸發器出口管泄漏，則管內低溫低壓的R32氣體將以高濃度迅速進入大氣空間，泄漏速度較大。蒸發器入口管為供液管，管內壓力較高，管徑約4 mm。若制冷劑由蒸發器入口管泄漏，則管內低溫高壓的R32液體會在大氣壓下吸熱發生相變，成為氣體后進行擴散。由于相變過程中消耗了大量的動能，所以液相泄漏的危險性要低于氣相泄漏的危險性。

本文研究了空調運行時，蒸發器出口和入口制冷劑R32的泄漏速度和室內濃度的分布特性。根據蒸發器出口和入口管閥門的開度，泄漏速度分為大流量泄漏(調節閥1/8開度)和小流量泄漏(調節閥1/16開度)。泄漏口為圓形，泄漏口直徑與相應空調室外機和室內機聯接管的直徑相同。蒸發器出口泄漏口直徑約5 mm，蒸發器入口泄漏口直徑約4 mm。

通過前期實驗觀察發現，空調低速送風時，對室內R32濃度影響較小，室內測點可燃濃度持續時間較長。所以，為了盡量減少外界因素對實驗結果的影響，空調器工作狀態設置為：空調運行為制冷模式(室內設定溫度為26 ℃)時，低速送風，百葉角開度為中度。實測送風速度為3.8 m/s，百葉角開度為34°，具體實驗工況如表2所示。

表2 實驗工況Tab.2 The experimental condition

3 實驗結果及分析

3.1 制冷劑R32泄漏量的變化

由蒸發器入口、蒸發器出口大流量泄漏和小流量泄漏狀態的泄漏(圖3)可知，忽略實驗開始時充注制冷劑量的差異(制冷劑充注量保持在780±70 g)，泄漏開始25 min后，各實驗工況至少泄漏了空調系統內80%的制冷劑。對比空調運行時大流量泄漏和小流量泄漏曲線，可以看出不論是大流量泄漏還是小流量泄漏，都可以將其過程分為兩個階段：第一個階段是快速泄漏階段，該階段的特點是蒸發器內外壓力差較大，制冷劑的量比較充足，泄漏速度快，時間短；第二個階段是低速泄漏階段，該階段開始時蒸發器內外壓力差較小，制冷劑量少，所以該階段的泄漏量少，泄漏速度緩慢，用時長。

對比蒸發器出口和蒸發器入口泄漏圖3和表3可知，泄漏曲線下降的趨勢相同，在泄漏初期大流量泄漏的兩條曲線甚至重合。而小流量泄漏時，相較于蒸發器入口泄漏，蒸發器出口泄漏速度較慢，整個泄漏過程更加均勻。

表3 蒸發器出口和蒸發器入口泄漏結果Tab.3 The leakage results of evaporator outlet and inlet

3.2 最大濃度值分析

實驗過程分為三個階段：泄漏擴散階段即空調運行的時段(0～100 min)，自由擴散階段(100～220 min)和排風階段(220～260 min)，總時長為260 min。選取各實驗工況濃度最大值進行分析。

根據實驗測試結果，蒸發器出口的泄漏最大濃度值出現在測點4，蒸發器入口泄漏最大濃度值出現在測點6，濃度變化如圖4所示。只有在蒸發器出口大流量泄漏時泄漏口附近測點4的位置最大濃度值為16.79%，超過了R32的可燃下限14.4%。測點4處于可燃范圍的時間段為76～98 s，持續了22 s。如果在該時間內測點4處滿足點火所需的全部條件：濃度在可燃范圍內、有一定的混合空間和反應空間、溫度升高到一定值或者遇到點火源，則會出現著火現象[19]。其它實驗工況各測點的最大濃度值均在3.8%以內，遠小于R32的可燃下限，比較安全。與蒸發器出口泄漏對比可知，蒸發器入口泄漏較為安全，出現最大濃度值的時間要延遲。

圖3 泄漏速度變化曲線圖Fig.3 The leakage variation

圖4 最大濃度值比較Fig.4 The comparison of maximum concentration

對上述實驗結果進行分析，蒸發器出口的泄漏為氣態泄漏，大流量泄漏的快速泄漏階段，氣態的R32在蒸發器內外壓力差作用下迅速由泄漏口噴出，泄漏速度較大，各測點濃度值快速升高，并且在泄漏口附近的測點4的位置集聚，超過了可燃下限。而小流量泄漏因為泄漏的制冷劑量少，泄漏速度較慢，所以濃度值最大的測點未達到可燃下限；蒸發器入口泄漏，在實驗中可以觀察到呈霧狀的制冷劑液滴噴射進入實驗小室內，如圖5所示，一部分液滴由泄漏口滴落到地面再蒸發，還有一部分R32濕蒸氣發生相變，成為氣體后再向室內擴散。相變過程中消耗了大量的動能，不會在泄漏口附近大量集聚。所以盡管測點6正對著蒸發器入口管的泄漏口，蒸發器入口大流量和小流量泄漏最大濃度值均未達到R32的可燃下限，相對較為安全。

圖5 蒸發器入口泄漏狀態Fig.5 The leakage of evaporator inlet

3.3 室內各測點濃度分布的變化

室內除濃度最大值測點之外的各測點濃度變化如圖6～圖9所示。根據實驗結果知空調關閉后，相同時刻濃度最大值測點濃度值與其他各測點濃度值相差不大。為了方便觀察各測點的濃度曲線，濃度最大值測點的曲線不再顯示。

圖6 蒸發器出口大流量泄漏各測點濃度變化規律Fig.6 The concentration variation of large leakage flow of the evaporator outlet

圖7 蒸發器出口小流量泄漏各測點濃度變化規律Fig.7 The concentration variation of small leakage flow of the evaporator outlet

圖8 蒸發器入口大流量泄漏各測點濃度變化規律Fig.8 The concentration variation of large leakage flow of the evaporator inlet

圖9 蒸發器入口小流量泄漏各測點濃度變化規律Fig.9 The concentration variation of small leakage flow of the evaporator inlet

由室內測點濃度分布曲線圖6～圖9可知，各測點的濃度變化趨勢相同：在快速泄漏階段，各測點濃度值快速升高，達到峰值后開始降低；相同泄漏位置小流量泄漏時出現濃度峰值的時間要比大流量泄漏延遲；相同的泄漏速度，蒸發器出口泄漏時出現濃度峰值的時間要比蒸發器入口泄漏延遲；100 min后關閉空調進入自由擴散階段，各測點的濃度值仍呈下降趨勢，但下降速度十分緩慢。自由擴散2 h后各測點濃度值降低到1%以內；在排風階段，打開排風扇1 min左右各測點的濃度值迅速下降，7 min的時候各測點濃度降低了約70%，最后濃度接近于0。

對實驗過程進行分析：快速泄漏階段，蒸發器內外壓力差較大，制冷劑的量比較充足，管內處于低壓狀態的R32蒸氣將以高濃度迅速進入室內空間，各測點的濃度值快速升高達到峰值；隨后壓力差減小，R32在重力和空調送風的作用下向周圍擴散，各測點的濃度值開始下降；100 min后關閉空調，此時，蒸發器內外壓力達到平衡，制冷劑泄漏早已完成，室內的R32在重力的作用下繼續向周圍擴散，各測點的濃度值仍呈下降趨勢，但下降速度遠小于空調運行時的下降速度。相同的泄漏位置，小流量泄漏速度慢，泄漏持續的時間長，所以達到濃度峰值的時間比大流量泄漏延遲。相同的泄漏速度，因為蒸發器出口和蒸發器入口泄漏狀態不同，泄漏時出現濃度峰值的時間也不相同。排風作用對各測點的濃度值下降影響非常強烈，室內R32的濃度衰減效果顯著。

3.4 垂直于泄漏口Y=0.23 m平面濃度分析

選取蒸發器出口大流量泄漏Y=0.23 m平面濃度分布進行分析，如圖10所示，時間點分別定為測點濃度峰值、空調關閉和排風扇運行時刻。從圖中可以看出，在空調處于工作狀態時，如圖10(a)和(b)所示，除了來自泄漏管內的壓力外，送風作用也對室內的濃度分布產生影響，使得室內空氣發生擾動。伴隨著冷空氣下沉，熱空氣上升，在測點5處形成了一個渦流區，故測點5處的濃度值最大。同樣，測點2位于送風口下方，該區域處于送風死區，但由于室內空氣存在密度差，導致在該區域同樣形成了一個渦流區，帶動原本處于室內機下方的空氣運動，故此處濃度值最低。室內R32自由擴散2 h后，打開排風扇，如圖10中的(c)所示，室內的濃度分布主要受重力的影響，R32在向室內機對面墻壁方向擴散的同時向下沉降，所以測點9附近的濃度最大；由于R32的密度大于空氣，且室內機稍下方測點6附近存在空隙，測點6附近濃度較低。

圖10 蒸發器出口大流量泄漏濃度等值線圖Fig.10 The concentration isoline of large leakage flow of the evaporator outlet

圖11 蒸發器入口大流量泄漏濃度等值線圖Fig.11 The concentration isoline of large leakage flow of the evaporator inlet

蒸發器入口大流量泄漏平面Y=0.23 m等值線分布如圖11所示。泄漏初期，液態制冷劑發生相變，動能減小，在空調送風和后繼而來制冷劑壓力的作用下，在測點6左上方發生短暫集聚，在濃度峰值時刻形成一個濃度值較大的渦流區。空調器關閉之前，泄漏已經完成，送風作用是影響室內濃度分布的主要因素，R32制冷劑沿著送風方向進行擴散，故空調關閉時刻測點5處的濃度值最大；而測點2位于送風口下方，該區域由于送風的作用形成了一個渦流區，帶動原本處于室內機下方的空氣運動，故此處濃度值最低。打開排風扇時，該等值線平面圖延續空調器關閉時的濃度分布，在重力和擴散作用下濃度值出現一定程度的降低。

根據實驗數據結果，蒸發器出口和入口小流量泄漏與相應大流量泄漏相比，在濃度峰值、空調關閉和排風扇運行時刻渦流區出現的位置相同，但小流量泄漏狀態下各測點最大值和整體濃度值要低，同時小流量泄漏時出現濃度峰值的時間比大流量泄漏延遲。

4 結論

1)空調運行過程中制冷劑發生泄漏時，不論是蒸發器出口泄漏，還是蒸發器入口泄漏，泄漏過程均可以分為兩個階段：快速泄漏階段和低速泄漏階段。

2)各實驗工況中只有蒸發器出口處大流量泄漏時，室內泄漏口附近測點4的最大濃度值16.79%超過可燃下限(14.4%)，超過了16.6%，可燃濃度持續了22 s。其它實驗工況各測點濃度最大值均在3.8%以內，遠小于R32的可燃下限。因此，空調室內機蒸發器處發生R32泄漏時，僅在室內機附近區域存在著火的可能性，但概率較低。

3)空調運行時，蒸發器出口泄漏比蒸發器入口泄漏危險性高；相同的泄漏位置，小流量泄漏時出現濃度峰值的時間要比大流量泄漏延遲；相同的泄漏速度，蒸發器出口泄漏時出現濃度峰值的時間要比蒸發器入口泄漏延遲。

4)室內各測點濃度變化趨勢相同：在泄漏擴散階段各測點濃度快速升高，達到峰值后開始降低，總體濃度較高；自由擴散階段室內濃度逐漸趨于一致，均小于1%；開啟排風扇7 min各測點濃度降低了約70%，最后濃度接近于0，排風作用可有效降低室內R32的濃度。

5)空調運行時，室內R32濃度分布主要受送風作用影響，在室內送風主流區形成渦流，制冷劑濃度較高；空調關閉后，R32在室內自由擴散，濃度逐漸降低趨于一致，表現出明顯的沉降性。

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About the corresponding author

Jin Wufeng, male, Ph.D., associate professor, Tianjin Key Laboratory of Refrigeration, Institute of Mechanical Engineering, Tianjin University of Commerce,+86 13802186472, E-mail: kob@tjcu.edu.cn. Research fields: energy-saving and optimization of HVAC system.

Experimental Study on the Leakage and Diffusion Performance of FlammableRefrigerant R32 in Split-type Air-conditioner

Jin Wufeng1Zhang Ningning1Zhang Yan2Bai Xiansan3

(1. Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology, Tianjin Refrigeration Technology Engineering Center, Refrigeration Engineering Research Center of Ministry of Education of the People’s Republic of China, Tianjin University of commerce, Tianjin, 300134，China; 2. Tsinghua Tong Heng Planning Design and Research Institute Co., Ltd., Beijing, 100085, China; 3. LG Electronics (Tianjin) Electric Appliance Company, Tianjin, 300400,China)

R32 is a potential alternative refrigerant for its environmental protection capability and thermal performance. But the slight flammability limits its application. Therefore, safety analysis is needed. This paper studied the influence of different leakage locations and rates on the indoor R32 distribution with air conditioner operating, and obtained the R32 leakage and diffusion characteristics. It showed that the leakage at the evaporator of indoor unit can be divided into two processes, fast leakage stage and slow. Outlet leakage of the evaporator is more dangerous than the inlet. And only large leakage flow in evaporator outlet can cause high R32 concentration near the indoor unit,reaching 16.79%, which exceeds the lower flammable limit (14.4%) 16.6%. If flammable concentration exists for 22 s, the fire probability exists but it's low. Air exhausting can decrease the concentration of indoor R32 effectively.

refrigerant; leakage; split-type air-conditioner; evaporator; R32

2015年3月9日

0253- 4339(2015) 06- 0010- 07

10.3969/j.issn.0253- 4339.2015.06.010

TB64;TM925.12；TB664

A

金梧鳳，男，博士，副教授，天津市制冷技術重點實驗室，天津商業大學機械工程學院，13802186472，E-mail: kob@tjcu.edu.cn。研究方向：暖通空調系統節能及優化。