氨制冷機房門開啟位置對氨氣泄漏摩爾濃度的影響

曹 蕊, 孫 穎, 王 穎, 張 聰, 劉子豪

(哈爾濱商業大學 能源與建筑工程學院,哈爾濱150028)

目前,我國冷鏈發展越來越快,逐步向更安全、高效、節能等方向不斷完善[1].冷庫作為冷鏈中的重要一環,成為眾多方案、工程中優化的重要對象.其中冷庫工質的應用一直是人們熱議的話題[2-7].氨因其價格便宜,獲取較易,熱物性良好且環保性好等優點,已被廣泛應用[8].與此同時,氨還具有一定毒害性.在前幾年相關事故中,氨泄漏造成了眾多人員傷亡與財產損失[11-13],因此關于冷庫氨泄漏的研究是有必要的.

冷庫由于內部空間大,設備陳列不盡相同,傳統實驗很難精確而全面的獲取冷庫內氣體流場變化[14-17],本文選取實際的氨制冷機房,運用CFD研究兩制冷機房門不同相對開啟位置對氨氣泄漏造成的影響,并進行對比分析,從而為實際工程應用提供切實可行的建議.

1 氨氣摩爾濃度對人體影響

氨無色但有強烈刺激氣味,當氨氣少量泄漏時,摩爾濃度約達到3×10-6kmol/m3操作人員便能發現泄漏并采取相應措施,為保證操作人員安全,需盡可能在摩爾濃度達到該值前進行撤離.氨氣各摩爾濃度區間對人體影響如表1所示[18].

表1 不同摩爾濃度區間氨氣對人體影響

2 研究對象及數學模型

2.1 機房尺寸及設備分布

本文以某一制冷機房作為研究對象,機房尺寸6 m×5 m×4 m.此制冷機房設有兩門一窗,頂棚處設有與冷量相匹配的制冷事故風機.機房內各設備分布如圖1所示.

1—低壓級壓縮機;2—高壓級壓縮機;3—貯液器;4—中間冷卻器;5—氣液分離器

2.2 數學模型

實際氨氣泄漏工況下氨工質狀態較為復雜,為準確的模擬結果對模型進行如下假設:實驗過程中,制冷機房溫度、壓力等恒定不變,機房外圍護結構不與外界發生任何熱量交換,視為絕熱狀態;泄漏工質氨為氣體,符合理想氣體狀態方程,狀態穩定不發生改變;氨氣泄漏過程中,不與外界工質發生任何反應;機房內空氣流速恒定,重力加速度不變,不影響氣體運動狀態.氨氣密度與周圍環境空氣密度不同,且氨氣泄漏過程為等溫過程,擴散控制方程包括連續性方程、能量守恒方程、動量守恒方程、組分運輸方程[19].

1) 連續性方程

(1)

2) 能量守恒方程

(2)

3) 動量守恒方程

(3)

4) 組分運輸方程

(4)

其中:Sm為質量源項,kg/(m3·s);E為內能,J;k為導熱系數,W/(m·K);hi為i組分的焓,J/kg;Ji為擴散通量kg/(m2·s);Φ為能量耗散項, J/(m3·s);Sh為能量源項, J/(m3·s);τ為切應力,N/m2;mi為質量分數;Si為i組分的質量源項, kg/(m3·s).

3 實驗與模擬驗證

3.1 測量儀器及監測點分布

氨氣泄漏量視為恒定,機房內溫15 ℃,泄漏點位于貯液器上方的壓力表處,且泄漏氣體狀態不隨時間發生改變.機房內貯液器表壓力為303.9 kPa,貯液器內貯存氨量充足.氨泄漏時,機房處于密閉狀態.用BSQ-BNH3氨氣檢測儀進行氨氣檢測.該儀器內置高精度微型采樣泵,可選多種量程范圍,適用于不同情況下的氨氣檢測.在制冷機房內選取三個檢測點,三個監測點均位于同一高度,并離泄漏點距離依次增加.持便攜式氨氣檢測儀進行監測,監測點位置分布如圖2所示.

圖2 監測點空間布局

3.2 實驗數據分析

分別在制冷機房三個監測點各測量三次數據,最后取平均值.每次測量前均打開制冷機房的所有門窗進行充分通風,分別記錄下5、10、30 s及40 s時的氨氣摩爾濃度值,實驗時關緊所有門窗.測得的數值為摩爾濃度,轉化為摩爾濃度后的氨氣變化趨勢如圖3所示.

圖3 各監測點氨氣摩爾濃度隨泄漏時間的變化

3.3 實驗數據與模擬結果對比驗證

根據實驗系統進行模擬得出氨氣摩爾濃度,氨氣泄漏0～40 s內,以5 s為間隔的三個監測點實驗測量結果與模擬結果氨氣摩爾濃度數值對比如圖4所示.

圖4 各監測點氨氣摩爾濃度實驗結果與模擬結果比較

泄漏時間相同時,除個別測量點氨氣摩爾濃度模擬值和實驗值誤差達到16%,其余測量點氨氣摩爾濃度模擬值和實驗值均大致相同,故視為模型基本正確,實驗結果可靠.

4 機房門開啟相對位置對氨氣摩爾濃度的影響

根據上述建立的模型,模擬分析制冷機房門開啟的相對位置對氨氣泄漏摩爾濃度的影響,分為兩種情況進行分析.

4.1 兩扇機房門在相鄰兩墻開啟時的氨氣摩爾濃度分布

根據實際需要,通常制冷機房均設兩扇機房門來適應生產運作及人員活動的需求.當操作人員發現氨氣泄漏并進行疏散時,機房的兩扇門打開.為探究氨氣泄漏時操作人員口鼻處的氨氣摩爾濃度,選取Z=1.6 m進行模擬分析.泄漏時間達28 s時,除門附近,水平面氨氣摩爾濃度均達到1×10-5kmol/m3,操作人員開始產生眼瞼腫脹,喉部有刺激感等生理反應;泄漏時間達33 s時,水平面氨氣摩爾濃度達到4×10-5kmol/m3,操作人員生理反應進一步加劇;泄漏時間達37 s時,水平面氨氣摩爾濃度達到1×10-4kmol/m3,可影響操作人員生命安全,三個泄露時間的氨氣摩爾濃度分布如圖5所示.認為此制冷機房發生氨氣泄漏后,操作人員有約37 s時間進行疏散撤離.

圖5 機房兩門位于鄰墻時Z=1.6 m 平面氨氣摩爾濃度分布圖

當兩扇機房門設置在相鄰兩墻,泄漏時間達28 s時,Z=1.6 m平面沿X軸和Y軸的氨氣摩爾濃度分布較不均勻.放置在相鄰兩墻的兩扇門附近氨氣摩爾濃度差異較大,泄漏源處氨氣摩爾濃度分布較為密集,在泄漏源附近出現的渦旋部分氨氣摩爾濃度形成一個小波峰,如圖6所示.

圖6 機房兩門位于鄰墻時Z=1.6 m平面沿X軸、Y軸方向氨氣摩爾濃度分布

分別選取過泄漏源Z=0.8 m平面和機房棚頂Z=4 m平面進行氨氣摩爾濃度分布研究.除機房門附近,選取的兩平面氨氣摩爾濃度分布相似,說明氨氣有快速向上方擴散的特點;在泄漏源附近氨氣摩爾濃度偏高,氣體會遇墻反彈形成渦旋,如圖7、8所示.

圖7 機房兩門位于鄰墻時Z=0.8 m平面氨氣摩爾濃度分布圖

圖8 機房兩門位于鄰墻時Z=4 m平面氨氣摩爾濃度分布圖

當兩扇機房門設置在相鄰兩墻,泄漏時間達28 s時,Z=4 m平面沿X軸和Y軸的氨氣摩爾濃度分布均較不均勻.X軸、Y軸氨氣摩爾濃度分布均在泄漏源附近較為密集且摩爾濃度偏高,其他位置均呈現摩爾濃度分布分散,摩爾濃度差異大的特點,如圖9所示.

圖9 機房兩門位于鄰墻時Z=4 m平面沿X軸、Y軸方向氨氣摩爾濃度分布

4.2 兩扇機房門在相對墻時的氨氣摩爾濃度分布

同選取Z=1.6 m平面進行研究,泄漏時間達23、 26、 33 s時,除機房門附近外,均分別到達輕微刺激、生理反應加劇、影響操作人員生命安全的氨氣摩爾濃度.認為此制冷機房發生氨氣泄漏后,操作人員有約33 s進行疏散撤離.機房門在對墻設立時的氨氣摩爾濃度分布如圖10所示.

圖10 機房兩門位于對墻時Z=1.6 m 平面氨氣摩爾濃度分布圖

當兩扇機房門設置在相對兩墻,泄漏時間達28 s時,Z=1.6 m平面沿X軸和Y軸的氨氣摩爾濃度分布同樣較不均勻,且整體氨氣摩爾濃度略有增加,如圖11所示.此時氨氣摩爾濃度分布與兩扇機房門設置在相鄰兩墻時的氨氣摩爾濃度分布相似,但沒有規律性,存在差異,說明兩扇機房門開啟相對位置會對氨氣摩爾濃度造成影響.

圖11 機房兩門位于對墻時Z=1.6 m平面沿X軸、Y軸方向氨氣摩爾濃度分布

泄漏時間達28 s時,分別選取過泄漏源Z=0.8 m平面和機房棚頂Z=4 m平面進行氨氣摩爾濃度分布研究.除兩扇門附近外,在相同泄漏時間下,兩扇機房門相對開啟時,兩平面氨氣摩爾濃度分布更加均勻,渦旋現象不明顯,說明兩扇門相對開啟時,機房內氣體流動加快;除泄漏源附近及兩扇門附近,在相同泄漏時間下,機房門相對開啟時兩平面氨氣摩爾濃度比機房門在相鄰兩墻開啟時兩平面氨氣摩爾濃度高,說明兩扇機房門相對開啟雖然可以加快氣體流動,但由于加劇機房內氣體擾動程度,導致渦旋位置發生改變,并使氨氣擴散加劇,兩平面內氨氣摩爾濃度均略有增加,如圖12、13所示.

圖12 機房兩門位于對墻時Z=0.8 m平面氨氣摩爾濃度分布圖

圖13 機房兩門位于對墻時Z=4 m平面氨氣摩爾濃度分布圖

當兩扇機房門設置在相對兩墻,泄漏時間達28 s時,Z=4 m平面沿X軸的氨氣摩爾濃度分布較為均勻,沿Y軸的氨氣摩爾濃度分布較為分散.沿X軸方向靠近泄漏源處氨氣摩爾濃度較高,沿Y軸各位置氨氣分布相似,摩爾濃度差異不大,如圖14所示.

5 結 論

氨雖然在一定程度上會造成人員的生命財產安全,但氨作為環保、價低的制冷工質,若設計操作規范,則很大程度上可以規避相應風險,減少人員發生毒害現象.本文對實際的制冷機房進行簡化模擬,根據制冷機房門不同位置得出氨氣擴散結果,并對有限空間內制冷機房門的分布位置進行合理建議,有利于增加操作人員反應逃生時間,主要結論如下:

1) 泄漏點附近氨氣摩爾濃度高于周圍氨氣摩爾濃度,氨氣向周圍擴散,觸墻反彈形成渦旋.兩扇機房門在相對兩墻開啟時,雖然一定程度上可以加快氣體流動,利于氨氣排出,但由于改變了氣流組織的分布,使氨氣擴散范圍增大,渦旋中心位置向門側移動,縮短了安全的疏散時間,不利于氨氣泄漏時操作人員的逃生.

2) 兩扇門位置位于相鄰兩墻,并間隔一定距離時,既有利于氨氣摩爾濃度的降低,又能減少氣流紊亂和氨氣擴散速度,有利于增加操作人員的有效逃生時間.