Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 技术 空调器使用安全和稳定性研究 Ｒ２９０空调系统泄漏仿真分析 张利黄小龙 （上海日立电器有限公司上海２ｏ１ ２０６） 摘要：Ｒ２９０￣Ｉｊ冷剂与Ｒ２２制冷剂主要物性参数接近，是Ｒ２２￣Ｊ冷剂的理想替代物，但Ｒ２９０属于Ａ３类物顷，具有可燃性。本文通过ＣＦＤ软件对 Ｒ２９０空调系统泄漏进行了仿真计算，探讨了不同泄漏孔径对系统泄漏特性的影响，以及不同泄漏孔陉和泄漏孔位置对Ｒ２９０ｆＨ空气混合气体 处于燃烧爆炸极限空间范围的影响。 关键词：Ｒ２９０空调泄漏；仿真；燃烧爆炸 Ｓｉｉ ｍｕｌａｔｉｏｎ ｎ ａｎａｂ＂ｏｎ ｌａｎａｌｙｓｉｓ Ｏｎ ｅａＫａｇｅ ｌ ｅａｋａｇ ｏｆ Ｏｆ Ｒ２９０ Ｒ２９０ ａｉｒＦ ｃｏｎｄｉｃｏ ｔｉｔｉｏｎｅｒｏｎｅｒ ＺＨＡＮＧ Ｌ Ｊ ＨＵＡＮＧ Ｘｉａｏｌｏｎｇ （Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｈｉｔａｃｈｉ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ａｐｐｌｉａｎｃｅｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ． Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０ １ ２０６） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒ２９０ ｉｓ ａ ｇｏｏｄ ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ ｏｆ Ｒ２２，ｓｉｎｅｅ Ｒ２９０ ｈａｓ ｔｈｅ ｓｉｍｉｌａｒ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ａｓ Ｒ２２．Ｈｏｗｅｖｅｒ，Ｒ２９０ ｗｈｉｃｈ ｂｅｌｏｎｇｓ ｔｏ Ａ３ ｃａｔｅｇｏｒｙ ｉｓ ｆｌａｍｍａｂｌｅ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ＣＦＤ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｉｍｌｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｌｅａｋａｇｅ ｏｆ Ｒ２９０ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅ ｌｅａｋａｇｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｄｉａｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｐｏｓｉｔｏｎ ｏｆ ｌｅａｋａｇｅ ｈｏｌｅｓ ｏｎ ｓｐａｃｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｆｌａｍｍａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｒ２９０ ａｎｄ ａｉｒ ｍｉｘｔｕｒｅ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｒ２９０ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｉ３ｅｒ ｌｅａｋａｇｅ；Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；Ｆｌａｍｍａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ １引．’ Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４１０Ａ等ＨＦＣ类工质虽可解决当前 Ｒ２９０与Ｒ２２的主要物理性质如标准沸点、 临界温度、临界压力等参数很接近，且Ｒ２９０某 些参数（汽化潜热、导热系数等）要优于Ｒ２２，是 空调制冷剂泄漏问题，将室内机模拟为一个泄漏 源，空调系统内的Ｒ２９０通过该泄漏点向房间内部 泄漏，通过ＣＦＤ软件进行仿真计算，可以得到不 同时刻下房间内压力、温度及Ｒ２９０浓度的分布 等流场信息，基于仿真结果可以分析出混合气体 处于燃烧爆炸危险的条件和状态。 Ｒ２２替代问题，但它们的温室效应指数都很高， 是《京都协议书》中的限制工质，目前只能作为过 渡性替换工质。Ｒ２２的长期替代技术是采用各种 自然制冷剂，￣０Ｒ２９０及ＣＯ，（Ｒ７４４）等。 Ｒ２９０（ｐｒｏｐａｎｅ丙烷）在常温常压下，是一种 无色、无毒的饱和碳氢气体，化学性质温和，不 Ｒ２２的理想替代物。但Ｒ２９０属于Ａ３类物质，为高 可燃性气体，因此在空调系统中对Ｒ２９０￣ｔ］冷剂 充注量是有限定的。 当Ｒ２９０空调发生泄漏后，Ｒ２９０与空气混 合，在一定的浓度下会燃烧爆炸，因此从安全性 ２计算模 设房间的面积为ｌ２ｍ （３ｍＸ４ｍ），房间的 高度为２．６ｒｎ。将空调室内机简化为一立方体，该 需要合成，不改变自然界碳氢化合物的含量，对 温室效应没有直接影响。 角度考虑，需对Ｒ２９０空调系统泄漏特性进行研 究分析。本文采用计算机仿真的方式来研究家用 ５０ 家电科技 Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 技术 立方体的长为０．３１８ｍ，宽和高均为０．１７ｍ。室内 机紧贴房间壁面安装，安装高度为２．２ｍ，安装 位置距离右侧墙壁０．２ｍ，距离房顶０．２３ｍ。如图 ｌ所示。 此时空调系统内９３．８５％的Ｒ２９０泄漏到房间内。 泄漏孔径为５ｍｍ和３ｍｍ时，从图２可以看 出，改变泄漏孔直径，泄漏过程中房间内流场 平均温度、压力和Ｒ２９０浓度随时间变化趋势与 ７ｍｍ时基本一致，均随泄漏时间的增加而逐渐 增大，达到一定时间后，泄漏达到平衡，房间内 平均压力、温度和Ｒ２９０浓度不再随时间变化。 加，Ｒ２９０气体浓度处于爆炸极限的空间范围逐 渐减小。当Ｒ２９０气体不再泄漏时，房间内Ｒ２９０ 气体处于燃烧爆炸极限的空间范同几乎为零。 Ｒ２９０Ｈ￣Ｊ开始泄漏时，泄漏流量大，而Ｒ２９０扩散 速度慢，因此，随着泄漏时间的增加，Ｒ２９０质量 浓度处于３．２％￣１４．０％的空间范ｌ割逐渐增加。随 着泄漏量的减少，Ｒ２９０气体在壁面的扩散加剧， Ｒ２９０气体向室内扩散加剧，Ｒ２９０Ｎ量浓度处于 当室内机发生泄漏时，泄漏孔设为圆形，孔 径分别为３ｍｍ、５ｍｍ；￣ｌ１７ｍｍ。泄漏口位于立方体 右侧面上。 边界条件：空调系统除泄漏口外，其余壁面 设为绝热壁面，房间各墙面也设置为绝热墙壁。 初始条件：窄调系统内Ｒ２９０的质量为 但随着泄漏孔直径的减小，泄漏速度降低，达 到平衡所用的时间变长。 计算结果可以知道， 当泄漏孔径分别为３ｒａｍ和５ｍｍ时，分别经过３４ｓ 和１５ｓ达到泄漏平衡，平衡时房间内的平均Ｒ２９０ 浓度为０．７６％，平均压力为９８０Ｐａ，平均温度为 ３０１．４Ｋ。 ３．２％～１４．Ｏ％的空间范围会随之减小。当空调系 统内的Ｒ２９０；￣再向房间内泄漏时，房间内的浓度 维持在０．４％～２．０％之间，低于Ｒ２９０气体的燃烧 爆炸浓度下限。因此，当空调系统内Ｒ２９０质量为 ３００ｇ，泄漏孔直径为７ｍｍ时，在１２ｍ 的房间内， ３００ｇ，压力为２．３ＭＰａ，温度为１００￣Ｃ。房间内初 始温度为３００Ｋ，计算中参考压力为１０１３２５Ｐａ，计 算结果所示的压力为相对压力值。 ３ ２燃烧爆炸极限的空间范围探讨 泄漏达到平衡ｕ，Ｊ ，Ｒ２９０气体浓度低于燃烧爆炸 极限。但在Ｒ２９０泄漏过程中，泄漏孔附近一定空 ３计铃结果及分析 ３。１不同泄漏孑Ｌ径泄漏情况分析 根据计算结果绘制出不同泄漏孔径下整个 图３给出了泄漏孔径７ｍｍ时，不同时刻下房 间￣Ｒ２９０气体浓度处于燃烧爆炸极限（Ｒ２９０质 量浓度３．２％￣１４．Ｏ％）的空间范围。图中显示，在 初始０．６ｓ内，随着时间的增加，Ｒ２９０气体处于燃 烧爆炸极限的空间范围逐渐增加，且主要分布 在空调泄漏口与墙面的夹角宅间内，０．６ｓ时Ｒ２９０ 气体达到爆炸极限的 间范围达到最大，且主 要分布在房间顶面。Ｏ．６ｓ后，随着泄漏时间的增 间范围内的Ｒ２９０空气混合气体处于燃烧爆炸极 限范围，在此过程中，空调附近若有点火源，可 能会引发燃烧爆炸事故。 同样的，可以得到泄漏孔径分别为５ｒａｍ和 房阃内流场的平均温度、压力、Ｒ２９０质量浓度以 及Ｒ２９０泄漏流量随时间变化曲线，如图２所示。 以泄漏孔径为７ｍｍ为例，从图２中可以看出，随 ３ｔｕｍＵｌｔ，不同时刻房间内处于Ｒ２９０空气混合气 体燃烧爆炸极限的空间范围云图。根据云图对比 可以得知：与７ｍｍ￣Ｌ径午“似，在５ａｍ与３ｍｍ泄漏 ｒ着时间增加，流场平均温度和压力逐渐增加， 空气中Ｒ２９０质量浓度逐渐升高，Ｒ２９０泄漏量逐 渐增加，泄漏５ｓ后流场平均压力、温度和浓度基 本达到平衡，平衡时流场平均压力为９８２Ｐａ，平 均温度为３０１．４Ｋ，Ｒ２９０平均质量百分比浓度为 Ｏ．７６％。从泄漏孔处Ｒ２９０泄漏质量流量曲线看 出，仞始阶段Ｒ２９０泄漏较快，随着时间增加，房 间ｐｋｊＲ２９０浓度增加，空调系统内部Ｒ２９０质量逐 渐减小，系统压力降低，内外压力差减小，泄漏 孔处泄漏质量流量逐渐减小。由计算结果得知， 初始时￣Ｒ２９０泄漏质量流率为０．１８８ｋｇ／ｓ，６ｓ泄 漏流量减小到０．０００４ｋｇ／ｓ，７ｓ后泄漏量几乎为零， Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 技术 空调器使用安全和稳定性研究 下处于Ｒ２９０浓度爆炸极限的空间范围。图中显 示，Ｒ２９０空气混合气体的爆炸极限范围主要位 于泄漏孔轴线附近范围，且沿轴线水平方向范围 较大，而垂直方向范围较小。泄漏０．０２５ｓ时，沿轴 线水平燃烧爆炸范围达到２ｍ。之后，爆炸极限范 围逐渐减小，达到泄漏平衡时，房间￣Ｒ２９ｏ气体 浓度低于爆炸极限下限。与泄漏孔处于侧面时 的计算结果相比，燃烧爆炸范围主要处于房间内 部，范围集中且形状较规则。 对不同位置处Ｒ２９０泄漏流场云图的比较 ７ｍｍ泄漏孔径为例，７ｓ后Ｒ２９０泄漏量几乎为零。 当Ｒ２９０泄漏到房间后，Ｒ２９０和空气混合气 体处于燃烧爆炸极限的空间范围随泄漏时间先 增加后减小，泄漏孔径不同时，达：￣ＮｊＲ２９０爆炸极 限的最大空间范围的时间不同，孔径越大达到时 间越短，同时泄漏孔径越大，处于Ｒ２９０爆炸极 限的最大空间范围越大。 若泄漏孔径相同，泄漏位置不同时，泄漏 过程中Ｒ２９０燃烧爆炸极限的空间范围分布会不 同。当泄漏孔处于空调正面时，Ｒ２９０首先向房间 内部泄漏，燃烧爆炸范围处于房间内部区域，呈 现烟羽状分布。而泄漏孔位于空调侧面时，Ｒ２９０ 燃烧爆炸范围主要分布在靠近泄漏孔的墙角及 房顶面。 参考文献 ［１］何国庚等 性能分析２们 ４７３—４８１ 孔径下，处于Ｒ２９０燃烧爆炸极限的空间范围均 位于靠近泄漏孔的墙角处，且爆炸极限的空问范 围均随泄漏时间增加，先增加后减小，当达到泄 分析得出：泄漏孔径相同，泄漏位置不同时，泄 漏过程中Ｒ２９０燃烧爆炸极限的空间范围分布不 同。当泄漏孔处于空调正面时，Ｒ２９０首先向房间 内部泄漏，燃烧爆炸范围处于房间内部区域，呈 漏平衡后，室内Ｒ２９０气体浓度低于爆炸极限浓 度的下限。根据计算仿真结果可以得到，泄漏孔 径不同时，达￣ｌＪＲ２９０爆炸极限的最大空间范围 现烟羽状分布。而泄漏孔位于空调侧面时，Ｒ２９０ 燃烧爆炸范围主要分布在靠近泄漏孔的墙角及 房顶面。 的时间不同，孔径越大达到时间越短，同时泄漏 孔径越大，处于Ｒ２９０爆炸极限的最大空间范围 越大。 ４结论 本文通过ＣＦＤ软件对Ｒ２９０空调系统泄漏进 ［幻肖友元等．自然工质Ｒ２９０在家用空调器中的应用研究 ［Ｊｊ． 本机械，２００９（０￣）． 拟与分析第十届全国电冰箱（柜）、空漏器及压缩机学术交 流大会论文集，２０１１（０／）． ］郭春辉等 究家电科技，２ｏｌｏ（１２） 制 ［ｂ］刘知静诗 冷与空溺，２ｏｌｏ（ｏ￣） ３．３泄漏孔位置对Ｒ２９０泄漏流场影响 通过改变室内机泄漏孔的位置来观察Ｒ２９０ 泄漏流场的情况。如图４所示，泄漏孔位于空调正 面中心，泄漏孔径为７ｍｍ，Ｒ２９０）￣量为３００ｇ。 行了仿真计算，计算结果表明： 当Ｒ２９０泄漏时，初始阶段泄漏较快，随着时 间增加，空调系统内部Ｒ２９０质量逐渐减小，系统 压力降低，内外压差减小，泄漏流量逐渐减小。以 对Ｒ２９０泄漏流场进行计算。图５是不同时刻 ５２ 家电科技