制冷系統(tǒng)中不凝性氣體及其排除的研究

趙 亮 王 龍 安江波

（中國人民解放軍海軍士官學(xué)校機(jī)電系，安徽 蚌埠233012）

在制冷系統(tǒng)中，所謂的不凝性氣體是指在制冷系統(tǒng)工作時(shí)，在冷凝器中特定的溫度、壓力下，這些氣體不能冷凝成液體，而總是成氣體狀態(tài)，這些氣體主要包括氮?dú)?、氧氣、氫氣、二氧化碳、碳?xì)錃怏w、惰性氣體以及這些氣體的混合氣體等。由于不凝性氣體的存在，使得壓縮機(jī)的能耗增大，而制冷系統(tǒng)的制冷量降低。因此，有必要研究不凝性氣體的產(chǎn)生，分析其危害及時(shí)排除制冷系統(tǒng)中的不凝性氣體。

1 不凝性氣體的產(chǎn)生

不凝性氣體主要來自大氣，少量來自制冷劑或者潤滑油分解后的產(chǎn)物。大氣中的氮?dú)狻⒀鯕?、二氧化碳等不凝性氣體進(jìn)入制冷系統(tǒng)主要有以下幾種方式：

1.1 充注制冷劑前，制冷系統(tǒng)排空不充分

在充注制冷機(jī)之前，制冷系統(tǒng)內(nèi)的壓縮機(jī)氣缸內(nèi)、冷凝器內(nèi)、蒸發(fā)器內(nèi)以及系統(tǒng)的管路內(nèi)都曾充滿空氣，在充注制冷劑前為了排除這些空氣，需要對制冷系統(tǒng)內(nèi)部抽真空，有時(shí)由于主客觀原因，制冷系統(tǒng)內(nèi)部抽真空不充分，達(dá)不到要求，在系統(tǒng)內(nèi)部留有少量空氣。

1.2 充注制冷劑時(shí)帶入制冷系統(tǒng)內(nèi)

在制冷系統(tǒng)充注制冷劑之前，充注所用的管子中充滿空氣，由于人為等原因，在充注制冷劑時(shí)，沒有排盡管子內(nèi)的空氣，就直接連接在制冷系統(tǒng)中，這些空氣隨著充注的制冷劑進(jìn)入制冷系統(tǒng)。

1.3 在制冷系統(tǒng)檢修時(shí)，易混入不凝性氣體

制冷系統(tǒng)長時(shí)間工作，難免需要檢查維修或者清洗更換，這樣有時(shí)就需要拆開機(jī)械或管路，空氣往往就在拆卸和安裝這個過程中進(jìn)入制冷系統(tǒng)內(nèi)部。

1.4 從外界大氣中滲入系統(tǒng)內(nèi)部

在有些制冷系統(tǒng)中，如果工作壓力低于大氣壓力時(shí)，大氣中的空氣就會通過各種縫隙滲入到制冷系統(tǒng)中。這些縫隙分布在各類閥門、壓縮機(jī)、非焊接處等諸多地方，所以，經(jīng)縫隙滲漏入系統(tǒng)中的空氣量也不可忽略。

1.5 來自制冷劑的化學(xué)反應(yīng)

在氨制冷系統(tǒng)中，制冷劑氨在一定溫度和壓力下可以分解為氨氣和氫氣，其分解程度與溫度和壓力成正向關(guān)系，溫度越高壓力越大，氨越容易分解。

而在氟利昂制冷系統(tǒng)中，氟利昂可能與混入系統(tǒng)內(nèi)的雜質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生不凝性氣體。如R12與水在一定條件下發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生二氧化碳。

1.6 潤滑油的分解也會產(chǎn)生不凝性氣體

在制冷系統(tǒng)使用的潤滑油中，有些滑油，如礦物潤滑油在復(fù)雜的工況下能分解產(chǎn)生多種碳?xì)錃怏w，這些碳?xì)錃怏w就會混入系統(tǒng)內(nèi)的制冷劑中。

2 不凝性氣體的分布

在制冷系統(tǒng)中，當(dāng)?shù)蛪簜?cè)有不凝性氣體時(shí)，這些氣體很快被壓縮機(jī)抽吸而進(jìn)入高壓側(cè)。所以，通常不凝性氣體主要聚集在系統(tǒng)高壓側(cè)的冷凝器和高壓儲液器中。無論是蒸發(fā)式冷凝器還是管殼式冷凝器，不凝性氣體都會盡可能地附著在換熱表面上，如圖1和圖2所示。而儲液器中的不凝性氣體又往往集中在遠(yuǎn)離進(jìn)氣口的氣流速度很低的空間內(nèi)，如圖3所示。

3 不凝性氣體的危害

不凝性氣體進(jìn)入制冷系統(tǒng)后，對制冷系統(tǒng)的正常工作和制冷設(shè)備的安全有很大危害，具體表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

圖1 蒸發(fā)式冷凝器中不凝性氣體的分布

圖2管殼式冷凝器中不凝性氣體的分布

圖3儲液器中不凝性氣體的分布

3.1 降低系統(tǒng)制冷量

不凝性氣體聚集在冷凝器中時(shí)，不凝性氣體附著在冷凝器的內(nèi)壁，占據(jù)一定空間，使得冷凝面積減小，同時(shí)不凝性氣體在制冷劑和冷凝器內(nèi)壁之間形成熱阻，使得傳熱效率降低，熱量不能及時(shí)排出系統(tǒng)之外，從而降低了制冷系統(tǒng)的制冷量。

3.2 系統(tǒng)能耗增大

由于傳熱效率的降低，冷凝器內(nèi)的冷凝溫度和冷凝壓力都升高，那么，在自動控制的制冷系統(tǒng)中，為了維持冷凝程度不變，必須增大冷凝水的流量，以降低冷凝器內(nèi)制冷劑和不凝性空氣的溫度。這樣就增大了冷凝水泵的能耗。同時(shí)冷凝壓力的增大，使得壓縮機(jī)排出口的壓力較之正常工況下也變大，壓縮機(jī)在排氣過程中需要克服較大壓力，從而壓縮的能耗也變大。

3.3 造成機(jī)械設(shè)備的損壞

壓縮機(jī)排出壓力的增大，使得反作用在軸承、傳動裝置和滑動表面的力也都變大，長期以往，加速了設(shè)備磨損老化和滑油的變質(zhì)，造成機(jī)械設(shè)備的損壞。同時(shí)，由于滑動面的磨損劇烈，也會使制冷劑的泄露增大。

4 不凝性氣體的排除

由于不凝性氣體對制冷系統(tǒng)正常工作產(chǎn)生諸多危害，因此要盡可能的排除制冷系統(tǒng)內(nèi)的不凝性氣體。

4.1 制冷系統(tǒng)中含有不凝性氣體的現(xiàn)象

在操作中，當(dāng)系統(tǒng)中有空氣時(shí)，制冷系統(tǒng)的工作或參數(shù)都會表現(xiàn)出一種或多種異?，F(xiàn)象：一是排氣壓力表抖動劇烈；二是冷凝溫度低于冷凝器內(nèi)壓力所對應(yīng)的飽和溫度，即，冷凝器內(nèi)壓力高于該冷凝溫度所對應(yīng)的飽和壓力；三是壓縮機(jī)排氣溫度升高異常。

為了排除不凝性氣體，通常采用的是手動空氣分離器和自動空氣分離器兩種，把空氣分離器安裝在不凝性氣體容易聚集的部位。

4.2 手動排除方法

目前，國內(nèi)主要還是采用手動排除不凝性氣體方法。這種方法由操作人員根據(jù)冷凝壓力的高低來判斷制冷系統(tǒng)內(nèi)部是否含有較多不凝性氣體，并決定是否排放。這種方法很大程度上取決于操作人員的經(jīng)驗(yàn)，操作靈活，不凝性氣體排放的比較徹底。但是這種方法代價(jià)大，在排除不凝性氣體的過程中，容易浪費(fèi)大量的制冷劑，對環(huán)境造成污染，同時(shí)還可能傷害操作人員。

對于小型氟利昂制冷系統(tǒng)中不凝性氣體的排除，可以不需設(shè)置專門的排氣設(shè)備，利用系統(tǒng)本身就能排除其內(nèi)的不凝性氣體，具體的操作步驟為：

第一步，關(guān)閉冷凝器出液閥以及高壓儲液器出液閥；

第二步，啟動壓縮機(jī)，將低壓系統(tǒng)內(nèi)的制冷劑抽至冷凝器或高壓儲液器；

第三步，當(dāng)制冷系統(tǒng)的低壓部分保持在穩(wěn)定的真空狀態(tài)時(shí)，停止壓縮機(jī)并關(guān)閉吸氣閥，而排氣閥保持打開狀態(tài)，同時(shí)開足冷卻水量截止閥，充分液化高壓的制冷劑氣體；

第四步，大約十分鐘左右，擰松壓縮機(jī)排氣閥多通道螺栓，或打開冷凝器頂部的放空氣閥排出空氣；

第五步，用手感受氣流溫度，當(dāng)沒有涼快感或感覺比較熱時(shí)，說明排出的大部分為不凝性氣體，否則說明排出的是氟利昂氣體，這時(shí)應(yīng)暫停排放不凝性氣體的操作，而應(yīng)檢查高壓系統(tǒng)的壓力所對應(yīng)的飽和溫度與冷凝器出液溫度的溫差，若溫差較大，說明還有較多的不凝性氣體，應(yīng)待混合氣體充分冷卻后再間歇放出不凝性氣體；

第六步，排放不凝性氣體結(jié)束時(shí)，應(yīng)擰緊壓縮機(jī)排氣閥的多用通道或關(guān)好冷凝器上方的排空氣閥，停止冷凝器供水。

對大型的氟利昂制冷系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)設(shè)置空氣分離器，圖4所示是套管式手動空氣分離器的結(jié)構(gòu)圖，這種氣體分離器在大多數(shù)氨制冷系統(tǒng)中也廣泛應(yīng)用。

該分離器由四層同心套管焊接而成，其中有兩對進(jìn)出口，一對是來自冷凝器的液體制冷劑進(jìn)口和吸熱蒸發(fā)為制冷劑氣體的出口，另一對是由不凝性氣體與制冷劑蒸氣組成的混合氣體的進(jìn)口和不凝性氣體由放空閥排入大氣的出口。

其排除不凝性氣體的過程是：高壓制冷劑液體在流動過程中，經(jīng)過第一層和第三層時(shí)，與在第二層和第四層的混合氣體進(jìn)行熱交換，制冷劑液體蒸發(fā)為制冷劑氣體，而混合氣體中的制冷劑氣體被冷凝為液體，不凝性氣體則積存在第二和第四層套管內(nèi)，當(dāng)積存足量時(shí)，打開放空閥放出不凝性氣體，而液體制冷劑通過節(jié)流閥流入管內(nèi)蒸發(fā)。

圖4 手動式不凝性氣體分離器

4.3 自動排除方法

自動排除不凝性氣體的方法是根據(jù)溫度等參數(shù)來控制不凝性氣體的排放，同時(shí)由制冷劑回收裝置盡可能地回收混合氣體中的制冷劑，而留下不凝性氣體，最后排出系統(tǒng)。

圖5 自動式不凝性氣體分離器

自動排除方式適用于氨制冷劑系統(tǒng)中，圖5為用于按制冷系統(tǒng)的自動空氣分離器的結(jié)構(gòu)示意圖。其工作原理與手動式分離器相似，只是在其中裝有壓力開關(guān)、溫度控制器，用電磁閥代替節(jié)流閥，高壓液氨和和回液氨在蒸發(fā)管內(nèi)蒸發(fā)為氣態(tài)氨，而含有不凝性氣體的混合氣體進(jìn)入分離器后，絕大多數(shù)氨氣被冷凝為液態(tài)氨聚集在底部，而少量氨氣和不凝性氣體聚集在分離器內(nèi)，同時(shí)溫度也不斷下降，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，電磁閥打開，混合氣體進(jìn)入氨水混合器內(nèi)，經(jīng)處理后僅剩不凝性氣體排出。這種空氣分離器操作簡單，自動化程度高。但是在工作過程中，缺乏靈活性，動作較機(jī)械，因而，目前使用自動式的場合不多。

5 小結(jié)

在制冷系統(tǒng)中，影響不凝性氣體排放效果的因素有很多，如制冷系統(tǒng)管路的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的環(huán)境溫度、制冷劑與空氣的比重等等。但是，在實(shí)際管理中，應(yīng)根據(jù)具體情況，采取正確措施，及時(shí)排盡不凝性氣體，從而確保制冷系統(tǒng)高效節(jié)能運(yùn)行。

［1］張建一.工業(yè)氨置冷裝置中的不凝性氣體排放與節(jié)能[J].冷藏技術(shù),2003,3：13～16.

［2］胡智慧,杜塏.不凝性氣體含量對氣環(huán)法壓縮機(jī)測試系統(tǒng)影響的分析[J].流體機(jī)械,2006,12：5～9.