【摘要】：內(nèi)燃機(jī)作為能源消耗的主要?jiǎng)恿υO(shè)備,在運(yùn)行時(shí)有大量的熱量通過排氣余熱的形式散失,開展內(nèi)燃機(jī)的余熱回收不僅能提高內(nèi)燃機(jī)效率,而且能帶來巨大的經(jīng)濟(jì)及環(huán)境效益。有機(jī)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(duì)由于內(nèi)燃機(jī)排氣具有溫度高的特點(diǎn),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(shí)際應(yīng)用中,混合工質(zhì)不可避免的從有機(jī)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(xiǎn)。目前,尚無基于系統(tǒng)運(yùn)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(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)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(píng)價(jià)體系,對(duì)系統(tǒng)及工質(zhì)的安全性進(jìn)行評(píng)估,并制定針對(duì)性的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避措施,提高系統(tǒng)運(yùn)行安全性。本文構(gòu)建了針對(duì)內(nèi)燃機(jī)余熱回收有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的三層級(jí)安全性評(píng)價(jià)體系,包括泄漏濃度場(chǎng)分析,爆炸風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避措施的制定。首先利用CFD方法對(duì)混合工質(zhì)泄漏后的濃度場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬,并結(jié)合TNT當(dāng)量法對(duì)工質(zhì)泄露后的爆炸風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)估,最后通過對(duì)不同影響因素下濃度場(chǎng)分布及易爆區(qū)域的分析,提出針對(duì)性的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避措施。以實(shí)驗(yàn)室柴油機(jī)余熱回收系統(tǒng)為原型,對(duì)丙烷/CO_2混合工質(zhì)泄漏后的安全性進(jìn)行了安全評(píng)估;并基于已構(gòu)建的三層級(jí)安全評(píng)估模型,對(duì)不同碳?xì)?CO_2混合工質(zhì)泄漏后的安全性進(jìn)行了評(píng)估。研究發(fā)現(xiàn),工質(zhì)泄漏后的濃度分布是在泄漏初動(dòng)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(shí)間的增大,各個(gè)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(shí),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(cè)點(diǎn)處濃度隨時(shí)間的變化,發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣體監(jiān)測(cè)裝置安裝在屋頂上方時(shí),能在1s內(nèi)及時(shí)監(jiān)測(cè)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(qiáng)。研究表明,對(duì)可燃碳?xì)?CO_2混合工質(zhì)實(shí)際應(yīng)用于余熱回收有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的泄漏風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè),提出針對(duì)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(duì)可燃碳?xì)?CO_2混合工質(zhì)實(shí)際中的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,可以促進(jìn)混合工質(zhì)安全性的研究。本文提出的安全評(píng)估模型,不僅適用于有機(jī)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(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)模型流程圖Figure 2-1 Risk assessment modeling flow diagram風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別工質(zhì)發(fā)生泄漏后，會(huì)在環(huán)境中進(jìn)行擴(kuò)散，與空氣進(jìn)行混合。當(dāng)濃度積累到一定程度后，會(huì)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(huì)發(fā)生爆炸。風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別是本評(píng)價(jià)體系的第一階段，主要利用 CFD 對(duì)氣體泄漏擴(kuò)散的濃度場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，通過對(duì)濃度場(chǎng)的分析，探究工質(zhì)泄漏擴(kuò)散模式。8

圖 2-2 模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[52]對(duì)比Figure 2-2 Comparison of simulated results with reference [52]模擬結(jié)果與文獻(xiàn)中結(jié)果的相對(duì)誤差如圖 2-2 所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在泄漏時(shí)間為 50s 和 100s 時(shí)，最大相對(duì)誤差分別是 6%和 5.8%；平均相對(duì)誤差是 2.1%和 3.3%。誤差值很小，相對(duì)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(cè)氣體泄漏擴(kuò)散，在本文的后續(xù)模擬中，也采用了相同的模型。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(diǎn)火源存在的情況下，便有燃燒爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。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(duì)室內(nèi)人員及建筑的損傷程度。所以，這一部分采用工程實(shí)際的方法對(duì)工質(zhì)爆炸后果進(jìn)行分析，，通過對(duì)沖擊波超壓值進(jìn)行計(jì)算，對(duì)其產(chǎn)生的后果進(jìn)行分析。應(yīng)用 TNT 當(dāng)量法進(jìn)行爆炸風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，能夠在泄漏發(fā)生后快速對(duì)可能造成的
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TK401

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2704109