二氟甲烷制冷剂泄漏及着火特性的模拟和实验研究

【摘要】：随着人们对环境问题和臭氧层保护的日益关注,制冷剂的更新换代成为现在的一个重要课题。当前在HCFC类物质中,用作制冷剂的主要有HCFC-22。在相当长时间以来,HCFC-22在多种空调领域被使用,是早年用来代替CFC制冷工质的一种重要制冷剂。但是它对于臭氧层仍有一定损害(包含氯原子),具有0.055的臭氧消耗潜能值,因而人们要求HCFC-22的替代工质臭氧消耗潜能值应该为0,也就是说,不能包含氯原子。HFC-32(二氟甲烷,R32),有良好的制冷特性,具有优良的热物性、很大的产冷量、较高的能效比等优点,是一种很有潜力的新一代制冷剂,是当前广泛使用的R22制冷剂的主要替代选择。但是二氟甲烷具有一定的可燃性,成为影响其推广应用的一个障碍,因此需要研究其在实际场景下的泄漏和着火特性,对其火灾危险性做一个探索性的安全分析。 本文基于文献调研,通过数值模拟研究了HFC-32的泄漏和着火特性,其后进行了模拟实验和真机实验,研究了HFC-32的泄漏和着火特性。通过模拟,得到HFC-32的一些泄漏扩散规律,发现：无论是上方还是下方泄漏,泄漏所释放的R32都表现出明显的沉降性；在高度高于泄漏口的地方R32浓度很低,在泄漏口位于下方时(柜式空调机),呈现出以泄漏口为中心,由近及远地扩散现象,就同一时刻来说,靠近泄漏口处的浓度更大一些；而对于泄漏口位于上方时(壁挂式空调机),部分区域出现中间浓度值最低的现象；由于初速度的影响,最靠近泄漏口低处HFC-32的浓度值并不会高于其周边浓度值,另外发现在上述两个模拟条件下,在泄漏的HFC-32气体到达远处的墙壁面不久,会在湍流的影响下,出现在贴壁面处浓度达到同一高度的峰值。通过模拟实验研究佐证了模拟研究的泄漏规律,发现明显的沉降现象,同时发现在点燃实验中无论是单个蜡烛还是蜡烛阵列,还是单个电炉或是双电炉,亦或是高压电子打火,都不能引起明火,但是在长时间泄漏点火实验中,用HF气体测试仪测到了HF气体的存在,说明蜡烛明火火焰、电炉火和电弧火是能够与二氟甲烷发生作用,使二氟甲烷气体发生分解而产生HF气体。真机二氟甲烷充装量有限并且具有泄漏自保护功能,空间HFC-32泄漏量少,浓度低,在此种情况下点火,未能检测到明显的HF。整体来看,HFC-32制冷剂在一般情况下尤其是在家用真机情况火灾危险性很低。 【关键词】：二氟甲烷 泄漏 着火 数值模拟 模拟实验 真机实验
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O623.21
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目录8-11
• 第一章 绪论11-17
• 1.1 研究背景11-14
• 1.1.1 二氟甲烷简介11-12
• 1.1.2 二氟甲烷参数12-13
• 1.1.3 二氟甲烷的应用前景13-14
• 1.2 研究现状14-15
• 1.2.1 二氟甲烷泄漏研究现状14-15
• 1.2.2 泄漏影响因素15
• 1.3 本文的研究内容和章节安排15-17
• 第二章 FLUENT应用17-25
• 2.1 Fluent概述17
• 2.2 CFD前置处理器——Gambit17-18
• 2.3 控制微分方程组18-19
• 2.3.1 连续性方程18
• 2.3.2 动量守恒方程18
• 2.3.3 能量守恒方程18-19
• 2.3.4 组分质量守恒方程19
• 2.3.5 控制方程通用形式19
• 2.4 湍流方程19-21
• 2.4.1 湍流基本方程19-20
• 2.4.2 湍流数值模拟方法的分类20
• 2.4.3 标准k-ε两方程模型20-21
• 2.5 定解条件21-22
• 2.5.1 初始条件21-22
• 2.5.2 边界条件22
• 2.6 微分方程的离散化22
• 2.7 SIMPLE算法22-23
• 2.7.1 SIMPLE算法的条件假设23
• 2.7.2 算法的计算步骤23
• 2.8 网格划分23-24
• 2.8.1 有限体积思想23-24
• 2.8.2 网格特点24
• 2.8.3 网格划分在CFD的应用24
• 2.9 本章小结24-25
• 第三章 R32泄漏FLUENT计算模拟25-64
• 3.1 小尺度受限空间高压力25-38
• 3.1.1 物理模型25-26
• 3.1.2 模拟参数的确定26-27
• 3.1.3 FLUENT计算模拟实验截图27-33
• 3.1.4 讨论33-38
• 3.2 中尺度受限空间低压力R32泄漏FLUENT计算模拟38-49
• 3.2.1 物理模型38-39
• 3.2.2 模拟参数的确定39-40
• 3.2.3 FLUENT计算模拟实验截图40-49
• 3.2.4 讨论49
• 3.3 全尺寸受限空间R32泄漏计算模拟49-63
• 3.3.1 物理模型49-51
• 3.3.2 边界条件设置51
• 3.3.3 全尺寸受限空间模拟R32泄漏浓度计算51-63
• 3.3.4 模拟数据讨论63
• 3.4 本章小结63-64
• 第四章 R32制冷剂泄漏及着火特性实验设计64-74
• 4.1 实验概述64
• 4.2 实验条件简介64-67
• 4.2.1 实验间尺寸图和浓度传感器布局图64-65
• 4.2.2 实验设备布置表65-67
• 4.3 实验工况设置67-73
• 4.3.1 二氟甲烷泄漏沉降实验工况67-69
• 4.3.2 二氟甲烷泄漏点燃实验工况69-72
• 4.3.3 真机R32泄漏点燃实验工况72-73
• 4.4 本章小结73-74
• 第五章 HFC-32制冷剂泄漏及着火特性实验讨论与分析74-101
• 5.1 二氟甲烷泄漏沉降实验74-94
• 5.1.1 二氟甲烷泄漏沉降实验前期泄漏测试74-77
• 5.1.2 不同泄漏量下二氟甲烷泄漏沉降实验77-87
• 5.1.3 不同泄漏速率下二氟甲烷泄漏沉降实验87-94
• 5.2 二氟甲烷泄漏点燃实验94-96
• 5.3 真机二氟甲烷泄漏点燃测试实验96-98
• 5.4 模拟实验初步结果讨论98-100
• 5.5 本章小结100-101
• 第六章 结论与展望101-103
• 6.1 本文结论101
• 6.2 下一步工作展望101-103
• 参考文献103-106
• 致谢106-107
• 攻读硕士学位期间发表的论文和所获奖励107

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