【摘要】：內(nèi)燃機作為能源消耗的主要動力設(shè)備,在運行時有大量的熱量通過排氣余熱的形式散失,開展內(nèi)燃機的余熱回收不僅能提高內(nèi)燃機效率,而且能帶來巨大的經(jīng)濟及環(huán)境效益。有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)作為一種高效的余熱回收技術(shù)手段,其循環(huán)工質(zhì)的物性在很大程度上決定著系統(tǒng)的性能,所以系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)的選擇非常重要。針對由于內(nèi)燃機排氣具有溫度高的特點,將某些熱力性能優(yōu)良、環(huán)保性能好但可燃的小分子碳?xì)涔べ|(zhì)與阻燃劑二氧化碳混合,形成與高溫排氣相匹配的高效、環(huán)保、安全的混合工質(zhì)。但在實際應(yīng)用中,混合工質(zhì)不可避免的從有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)中泄漏出來,在環(huán)境中濃度積累到一定程度便存在燃燒爆炸的風(fēng)險。目前,尚無基于系統(tǒng)運行層面的可燃碳?xì)?CO_2混合工質(zhì)泄漏后的安全問題研究。因此,本文將基于有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的運行層面,研究工質(zhì)泄漏后的安全問題,旨在構(gòu)建系統(tǒng)、全面的安全評價體系,對系統(tǒng)及工質(zhì)的安全性進行評估,并制定針對性的風(fēng)險規(guī)避措施,提高系統(tǒng)運行安全性。本文構(gòu)建了針對內(nèi)燃機余熱回收有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的三層級安全性評價體系,包括泄漏濃度場分析,爆炸風(fēng)險評估和風(fēng)險規(guī)避措施的制定。首先利用CFD方法對混合工質(zhì)泄漏后的濃度場進行仿真模擬,并結(jié)合TNT當(dāng)量法對工質(zhì)泄露后的爆炸風(fēng)險性進行評估,最后通過對不同影響因素下濃度場分布及易爆區(qū)域的分析,提出針對性的風(fēng)險規(guī)避措施。以實驗室柴油機余熱回收系統(tǒng)為原型,對丙烷/CO_2混合工質(zhì)泄漏后的安全性進行了安全評估;并基于已構(gòu)建的三層級安全評估模型,對不同碳?xì)?CO_2混合工質(zhì)泄漏后的安全性進行了評估。研究發(fā)現(xiàn),工質(zhì)泄漏后的濃度分布是在泄漏初動量、通風(fēng)條件、重力及房間內(nèi)障礙物共同作用下的結(jié)果;隨著泄漏時間的增大,各個損傷半徑的范圍不斷增大;沖擊波超壓的值隨距離的增加不斷衰減;當(dāng)混合工質(zhì)中HC配比為0.4時,易爆區(qū)域只集中在泄漏口上方的區(qū)域,碳?xì)漕惻浔炔灰顺^0.4;通過分析不同監(jiān)測點處濃度隨時間的變化,發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣體監(jiān)測裝置安裝在屋頂上方時,能在1s內(nèi)及時監(jiān)測出泄漏的發(fā)生。爆炸后的破壞效應(yīng)從丙烯/CO_2到丙烷/CO_2,丁烷/CO_2,戊烷/CO_2,隨著可燃組元分子量的增大而依次增強。研究表明,對可燃碳?xì)?CO_2混合工質(zhì)實際應(yīng)用于余熱回收有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的泄漏風(fēng)險預(yù)測,提出針對性規(guī)避措施,可有效減少人員傷亡和設(shè)備損毀,有利于提高系統(tǒng)的安全性能。對可燃碳?xì)?CO_2混合工質(zhì)實際中的風(fēng)險評估,可以促進混合工質(zhì)安全性的研究。本文提出的安全評估模型,不僅適用于有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)碳?xì)?CO_2混合工質(zhì),還適用于其他可燃工質(zhì)與制冷及熱泵系統(tǒng)。
【圖文】：

圖 2-1 有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)安全評價模型流程圖Figure 2-1 Risk assessment modeling flow diagram風(fēng)險識別工質(zhì)發(fā)生泄漏后，會在環(huán)境中進行擴散，與空氣進行混合。當(dāng)濃度積累到一定程度后，會形成易爆區(qū)域。所謂易爆區(qū)域，指的是濃度介于工質(zhì)燃燒下限與燃燒上限之間的區(qū)域，在這一區(qū)域內(nèi)，一旦遇到明火即會發(fā)生爆炸。風(fēng)險識別是本評價體系的第一階段，主要利用 CFD 對氣體泄漏擴散的濃度場進行三維數(shù)值模擬，通過對濃度場的分析，探究工質(zhì)泄漏擴散模式。8

圖 2-2 模擬結(jié)果與文獻[52]對比Figure 2-2 Comparison of simulated results with reference [52]模擬結(jié)果與文獻中結(jié)果的相對誤差如圖 2-2 所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在泄漏時間為 50s 和 100s 時，最大相對誤差分別是 6%和 5.8%；平均相對誤差是 2.1%和 3.3%。誤差值很小，相對誤差在可以接受的范圍，因此認(rèn)為模型能準(zhǔn)確的預(yù)測氣體泄漏擴散，在本文的后續(xù)模擬中，也采用了相同的模型。風(fēng)險評估混合工質(zhì)泄漏到環(huán)境中，濃度不斷積累，一旦超過了一定范圍，在點火源存在的情況下，便有燃燒爆炸的風(fēng)險。由于爆炸的破壞效應(yīng)是由沖擊波超壓決定的，超壓值的大小決定了對室內(nèi)人員及建筑的損傷程度。所以，這一部分采用工程實際的方法對工質(zhì)爆炸后果進行分析，，通過對沖擊波超壓值進行計算，對其產(chǎn)生的后果進行分析。應(yīng)用 TNT 當(dāng)量法進行爆炸風(fēng)險評估，能夠在泄漏發(fā)生后快速對可能造成的
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TK401

【參考文獻】

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本文編號：2704109