有限空間內氨氣擴散過程分析

童良懷 周 文 石秀珍 常 波 孫偉明

（1.衢州市特種設備檢驗中心 衢州 324000）（2.浙江工業大學 杭州 310014）

1 緒論

氨氣是一種用途廣泛的重要無機化工產品[1]，按國際制冷劑統一符號為R717[2]。氨本身的性質物理化學性質和熱力學特性推動了氨制冷劑在涉氨制冷企業制冷系統中的應用，尤其是在冷凍、冷藏行業的應用占有相當大的比例[3]。近幾年來，食品行業內的氨制冷管道泄漏造成事故較為頻繁[4-5]，相對于化工廠的氨制冷管道，食品行業的氨制冷管道進入的車間更加封閉，甚至很多廠房平時使用過程中都要求其處于封閉的狀態下。近幾年來，有很多學者[6-10]采用流動力學對氨泄漏擴展進行研究，但大多數學者都是研究了氨氣在通風環境中受自然風或強制風作用下的模擬。而本文通過對有限空間的氨泄漏模擬和試驗研究，給實際工程中預防氨泄漏事故產生有一定的參考意義。

2 有限空間氨泄漏擴散過程模擬分析

2.1 模型的建立

有限空間內氨泄漏模型尺寸為3.7m×3m×2.55m，房間內有三個氨泄漏測試點，并且放有三張桌子，具體如圖1所示。該模型通過Gambit建立，在Gambit中，指定泄漏口為流體速度入口，墻壁和桌子邊界的邊界條件為壁面的定義，如圖2所示。

圖1 有限空間內氨泄漏模型圖

圖2 Gambit建模的網格示意圖

2.2 泄漏量的計算

孔口泄漏可被看作是絕熱過程，氨氣按理想氣體考慮，利用伯努利方程和絕熱方程，考慮到氣體實際泄漏過程中存在局部摩擦阻力損失，泄漏速度小于理論計算值，故用孔口流速系數φ進行修正，則泄漏速度計算公式和體積流量公式[11]如下：

式中：

φ——孔口流速系數，表示實際流速與理論流速之比，一般取值為0.97～0.98；

Q——體積流量，m3/s；

A——泄漏孔面積，即泄漏面積，m2；

Cd——流量系數，亦稱泄漏系數；

p1——氣體泄漏前壓力，Pa；

p0——環境壓力，Pa；

k——絕熱指數，對于氨氣一般取1.3。

2.3 模擬結果的分析

密閉環境下，當入口邊界在壓力為23kPa、32kPa時的泄漏情況。模擬空間內的氨氣濃度隨泄漏時間的變化而變化，選取泄漏壓力為23kPa，泄漏時間為50s、100s、150s、200s時，觀察模擬空間內的氨氣濃度分布，如圖3所示。

圖3 不同時刻氨氣濃度分布圖

由圖3可以看出氨氣以射流的形式通過泄漏孔擴散到模擬空間里。氨氣在初始動量的作用下向前運動，遇到墻壁后先是沿壁面擴散再向空間其他區域擴散。由于氨氣的密度小于空氣的密度，在擴散的過程中會向上浮動，空間內的氨氣呈上下分層分布，上層的氨氣濃度要大于下層的氨氣濃度。

氨氣在擴散過程中碰到墻壁后，氨氣以射流軸線為中心向兩側擴散，向右擴散的部分氨氣沿壁面繼續向前運動，向左擴散的部分氨氣遇到墻壁產生聚集，空間拐角處容易聚集氨氣。在氨氣擴散速度方向發生三次改變后，大部分的氣體聚集在拐角處，少量的氣體向模型中間區域擴散，氨氣濃度水平截面上呈旋渦狀分布，如圖4所示。

圖4 氨氣濃度的旋渦狀分布

從模擬結果看，氨氣的濃度隨著泄漏壓力的增高而增加，當泄漏方向為水平或者朝上時，在無擾動情況下廠房頂部四個角落的氨濃度最大，廠房內頂部的氨氣濃度大于地面的氨氣濃度，而當泄漏方向朝下時，地面的氨氣濃度先急劇上升然后氨氣逐步往頂部擴散。

3 有限空間氨泄漏試驗

實驗所選用的場地與模擬的空間一致，是一個長3.7m、寬3m、高2.55m的長方體房間，房間5面墻上封閉，1面墻上開有門以及通風口，實驗時門以塑料膠帶密封。為保證實驗結果貼近現實，保持實驗房間原本面貌，對其中的雜物不做清理。圖5為氨氣泄漏實驗室。泄漏源與氨氣探測器的具體位置見表1。

圖5 氨氣泄漏試驗房布置

表1 泄漏源及氨氣探測器的位置

在試驗過程中分別對密閉環境下泄漏壓力為23kPa、32kPa進行試驗，根據試驗無紙記錄儀的數據，為了方便觀察測點的氨氣質量濃度變化，等時間間隔選取數據生成圖6所示的三個測點的氨泄漏濃度數據。

圖6中，兩幅橫坐標都為氨氣泄漏時間，縱坐標分別為氨氣的質量濃度。實驗用的氨氣探測器采集氨氣的濃度范圍為0～100ml/m3，經式（3）[12]轉化后，氨氣探測器的范圍轉化為0～136.1 mg/m3。

式中：

Cm——氨氣的質量濃度，mg/m3；

M——氣體相對分子量，實驗氣體是氨氣，M=17；

Cv——氨氣的體積濃度，ml/m3；

t——溫度，℃，實驗溫度為9℃，取t=9℃；

p——實驗室內的壓力，Pa，取p=101325Pa。

圖6 試驗過程中氨氣質量濃度變化

而且已知氨氣探測器系統是一階系統，系統輸入與輸出關系為式中：

Y(s)——輸出信號；

R(s)——輸入信號；

Tc——時間常數。

得輸出響應：

對兩邊取拉普拉斯反變換，得到輸出響應

式中：

t—氨氣泄漏的時間，s。

故實驗測得氨氣濃度與模擬計算得到的濃度之間存在滯后時間差Tc，查看傳感器說明書得此傳感器Tc=35s。將模擬得到的氨氣濃度作為輸入信號R（s）得出輸出信號Y（s），再對輸出信號取拉普拉斯反變換，得到模擬數據在實驗儀器下的氨氣濃度，將此氨氣濃度與實驗得到的氨氣濃度進行對比。

從圖7和圖8可以看出，通過拉普拉斯反變換后，試驗過程中的氨濃度變化值與模擬得出的氨濃度變化趨勢基本一致，但兩者不能完全重合。主要是因為Fluent計算過程本身就存在誤差、建模情況不可能完全和試驗情況一樣、數據采集系統的精確性和試驗房間的密封性等影響會導致誤差的存在。不過通過對最大差值進行計算得到試驗值與模擬值的最大誤差不超過15%，所以在工程中可以認為模擬是可靠的，該模型適合用于氨泄漏的模擬分析。

圖7 泄漏為23kPa時3個測點實驗值與模擬值的對比

圖8 泄漏為32kPa時3個測點實驗值與模擬值的對比

4 結論

1）建立有限空間內氨泄漏試驗平臺對氨泄漏過程進行試驗，通過試驗與模擬得到的氨氣質量濃度變化曲線對比發現，兩者的變化趨勢基本一致最大誤差不超過15%，認為模型是可靠的。

2）通過Gambit建立三維有限元模型并采用FLUENT軟件對有限空間內氨泄漏進行模擬，得到氨氣擴散過程的分析。從模擬結果看，當泄漏方向為水平或者朝上時，在無擾動情況下廠房頂部四個角落的氨濃度最大，廠房內頂部的氨氣濃度大于地面的氨氣濃度，而當泄漏方向朝下時，地面的氨氣濃度先急劇上升然后氨氣逐步往頂部擴散?？梢哉f當泄漏方位朝下時對廠房內的人員造成的危險性最大。

3）建立的三維有限空間內的氨泄漏模型能有效地預測氨泄漏后房間內氨氣的運動變化情況，該方法可以為工程中涉氨廠房內排風扇的布置，濃度測點的布置提供參考。

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