船用制冷系統(tǒng)不凝性氣體自動排放裝置

黃 華，許長青

（浙江國際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航海工程學(xué)院，浙江 舟山 316021）

0 引言

在遠(yuǎn)洋船舶上，由于航程長，需要大量的食物儲備，一般配有伙食冷庫系統(tǒng)；另外船舶航行于各個海域，氣象條件復(fù)雜，氣候多變，為了使得船員、旅客有一個舒適的生活與工作環(huán)境，一般都配有空氣調(diào)節(jié)裝置。這些制冷裝置實(shí)際工作過程中常有不凝性氣體存在，從而造成制冷系統(tǒng)工作性能下降，維護(hù)工作量增加。為了應(yīng)對這一問題，需要一種創(chuàng)新的解決方案，能夠有效地排放不凝性氣體，維持制冷系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

目前，國內(nèi)外船用制冷系統(tǒng)排除不凝性氣體還是以手動式為主。這種操作方式需根據(jù)操作人員記錄的系統(tǒng)冷凝壓力表的變化情況，分析制冷系統(tǒng)壓力變化的原因，從而判斷是否由不凝性氣體引起，并決定是否進(jìn)行排氣操作[1]。然而手動排放不凝性氣體存在著一些顯著的缺點(diǎn)和挑戰(zhàn)。首先，手動排放不凝性氣體的過程高度依賴于操作人員的經(jīng)驗和技巧，他們需要具備深入的專業(yè)知識和靈活的操作技能，以確保不凝性氣體得以有效排除。其次，在手動排氣過程中，雖然可以有效排除不凝性氣體，但同時也會導(dǎo)致大量制冷劑的流失。這不僅對環(huán)境造成污染，還可能對大氣中的臭氧層造成破壞。最后，手動排氣操作還存在潛在的危險，操作人員需要接觸有害的制冷劑，可能會危及操作人員的健康和安全[2]。

因此，研究和開發(fā)更智能、高效、環(huán)保的自動排放裝置對于改進(jìn)船用制冷系統(tǒng)至關(guān)重要[3]。這將有助于提高系統(tǒng)的性能，降低能源消耗，保護(hù)環(huán)境，減少操作人員的維護(hù)工作量和風(fēng)險。本文設(shè)計了一個不凝性氣體排放裝置，該裝置能夠自動分離制冷劑與不凝性氣體，將不凝性氣體匯集到分離裝置的頂部，當(dāng)滿足一定條件時，自動排放不凝性氣體。

1 不凝性氣體的產(chǎn)生和危害

1.1 不凝性氣體在系統(tǒng)中的產(chǎn)生過程

蒸氣壓縮式制冷是現(xiàn)今應(yīng)用最廣泛的機(jī)械制冷方法，也是船舶所用的主要制冷方法，其工作原理見圖1。選擇在常壓時沸點(diǎn)很低的液體作為制冷劑，經(jīng)膨脹閥節(jié)流進(jìn)入蒸發(fā)器的盤管中，在較低的蒸發(fā)壓力（相應(yīng)的蒸發(fā)溫度也低）下吸熱汽化，吸收冷庫內(nèi)食物發(fā)出的熱量，從而實(shí)現(xiàn)制冷。為了在蒸發(fā)器中維持低壓，需要壓縮機(jī)將其中氣態(tài)冷劑不斷抽出，壓送到冷凝器中去。冷凝器中的冷凝壓力及相應(yīng)的冷凝溫度較高，這樣就能用常溫的水或空氣作冷卻介質(zhì)，使氣態(tài)冷劑冷凝而重新液化，然后再經(jīng)膨脹閥節(jié)流送入蒸發(fā)器氣化吸熱，連續(xù)不斷的制冷。

圖1 制冷系統(tǒng)工作原理圖

制冷系統(tǒng)在運(yùn)行調(diào)試、操作和維修過程中，有時不可避免地會使一些空氣混入制冷系統(tǒng)。例如，在系統(tǒng)運(yùn)行或加注制冷劑、滑油時，若制冷裝置低壓系統(tǒng)或曲軸箱內(nèi)壓力低于外界大氣壓，空氣容易由各閥門、軸封等密封不嚴(yán)處滲入系統(tǒng)[4]。此外，制冷壓縮機(jī)因排氣溫度過高，少量制冷劑與潤滑油可能分解為氣體。這些空氣或分解產(chǎn)生的氣體存留在制冷系統(tǒng)中，隨著冷劑一起參與相變反應(yīng)，當(dāng)進(jìn)入冷凝器時，高溫高壓的氣態(tài)冷劑釋放熱量被冷凝成液態(tài)冷劑，而空氣和其它氣體的混合氣體則不會被冷凝成液體，仍以氣體的形式存在，被稱為不凝性氣體。

1.2 不凝性氣體對制冷系統(tǒng)的影響

不凝性氣體存在于制冷系統(tǒng)中可能導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，因為會影響制冷劑的流動和相變過程，從而影響制冷效果，主要包括：

1）冷凝壓力升高。冷凝器內(nèi)存在不凝性氣體時，它會以氣膜的形式附著在制冷裝置換熱器表面，使冷凝器的導(dǎo)熱系數(shù)下降，即熱阻增加，致使冷凝壓力和冷凝溫度升高，從而導(dǎo)致制冷循環(huán)的壓縮比增大，壓縮機(jī)輸氣量減少，制冷量減小，制冷效率降低，壓縮機(jī)功耗增加。

2）排氣溫度升高。不凝性氣體的存在，會導(dǎo)致制冷壓縮機(jī)的排氣壓力和排氣溫度升高，引起壓縮機(jī)摩擦面的潤滑條件惡化。同時，高溫高壓制冷劑蒸氣與空氣的混合氣體，遇明火時有爆炸的危險。

3）潤滑性能下降。在高溫高壓條件下，不凝性氣體與潤滑油中的成分可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可能導(dǎo)致生成酸性或腐蝕性物質(zhì)，損害壓縮機(jī)的運(yùn)動部件[5]，影響部件正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 不凝性氣體自動排放裝置工作原理及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 不凝性氣體自動排放裝置的工作原理

本文設(shè)計的不凝氣體自動排放裝置采用S7-1200系列PLC為主控制器，其系統(tǒng)組成見圖2。不凝性氣體自動排放裝置供液管的供液電磁閥L與壓縮機(jī)同步啟停，熱力膨脹閥G根據(jù)回氣過熱度的大小控制供液量?；旌蠚怏w進(jìn)入不凝性氣體自動排放裝置本體J后被換熱盤管內(nèi)的液態(tài)冷劑冷卻降溫，其中的制冷劑蒸氣被冷凝成液體，不凝性氣體仍以氣態(tài)形式積聚在不凝性氣體自動排放裝置本體的頂部。由于不凝性氣體冷卻放出的顯熱遠(yuǎn)小于制冷劑液化時放出的潛熱，所以不凝性氣體沒有發(fā)生相變，仍然是氣態(tài)。氣體在頂部積聚，溫度越來越低，與裝置底部的溫差也就不斷增大。溫度傳感器H與I將溫度信號送至S7-1200 PLC，當(dāng)溫差達(dá)到設(shè)定值時，S7-1200 PLC控制混合氣體進(jìn)口電磁閥E關(guān)閉，延時開啟不凝性氣體排放電磁閥F，通過背壓閥K緩慢向外界排放不凝性氣體。通過這樣的設(shè)計有助于不凝性氣體的排放，同時減少制冷劑的誤排放。當(dāng)不凝性氣體完全排放后，溫度傳感器H檢測的溫度上升，溫度傳感器H與I的溫差逐漸降到設(shè)定值的下限，S7-1200 PLC控制電磁閥F關(guān)閉，電磁閥E開啟，排放不凝性氣體過程暫時結(jié)束，如此循環(huán)。

圖2 不凝性氣體自動排放裝置

該不凝性氣體排放裝置的控制信號，即溫差大小可根據(jù)實(shí)際制冷系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。另外裝置排放次數(shù)與排放時間等相關(guān)信息也可以在液晶屏上顯示，以供維護(hù)管理人員了解制冷系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，及時采取措施，減少不凝性氣體的產(chǎn)生。例如在維護(hù)、操作和檢修制冷系統(tǒng)時，確保工作條件適當(dāng)，避免過高的溫度和壓力，且定期檢查和維護(hù)制冷系統(tǒng)，確保所有密封件、閥門和連接都處于良好狀態(tài)，以減少氣體滲入的機(jī)會。

2.2 不凝性氣體自動排放裝置的關(guān)鍵技術(shù)

制冷系統(tǒng)不凝性氣體自動排放裝置的關(guān)鍵技術(shù)包括以下3個方面：

1）檢測技術(shù)。這是不凝性氣體自動排放裝置的核心。需要使用靈敏度高的溫度傳感器來間接測量制冷裝置中的不凝性氣體的比例。這些傳感器需要具備高精度、高穩(wěn)定性和快速響應(yīng)的特點(diǎn)，以確保及時準(zhǔn)確地檢測到不凝性氣體的存量將影響系統(tǒng)工作性能。

2）數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)。通過采集到的數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和對比分析，以確定不凝性氣體的比例是否超過了安全閾值。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測和分析，通常需要借助微處理器、嵌入式系統(tǒng)或計算機(jī)軟件等技術(shù)手段。

3）自動控制技術(shù)。一旦檢測到不凝性氣體比例且超過了安全閾值，需要自動排放裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，如電磁閥開啟或關(guān)閉，以排放不凝性氣體，但排放速度不宜過快，可在不凝性氣體排放管路上安裝背壓閥K。

此外，不凝性氣體自動排放裝置的設(shè)計需要全面綜合地考慮節(jié)能、環(huán)保和安全等多方面因素，以實(shí)現(xiàn)最佳的排放效果。在設(shè)計時，以下方面需加以考慮：

1）不凝性氣體自動排放裝置的供液管應(yīng)從制冷系統(tǒng)冷凝器出口的高壓液管接出，節(jié)流后作為不凝性氣體自動排放裝置的冷源。

2）回氣管需接在蒸發(fā)溫度較低、經(jīng)常工作且工況穩(wěn)定的蒸發(fā)回路的回氣管道上，不能直接與吸入管連接，以避免供液多的時侯發(fā)生濕行程。

3）混合氣體管接自冷凝器頂部。由于儲液器的液封作用，使進(jìn)入制冷系統(tǒng)的不凝性氣體積都集聚在冷凝器頂部，故應(yīng)從這冷凝器頂部接出混合氣管至不凝性氣體分離裝置。

4）排放空氣管接至船舷外，以防制冷劑意外排放而造成人員窒息。

5）對于混合氣體內(nèi)被冷凝的液態(tài)冷劑，臥式冷凝器可內(nèi)部循環(huán)使用，立式冷凝器可接回供液管循環(huán)使用，也可以利用高度差進(jìn)入儲液器中。

3 結(jié)論

控制和排放制冷系統(tǒng)中的不凝性氣體是維護(hù)制冷系統(tǒng)性能和環(huán)境保護(hù)的重要環(huán)節(jié)。本文設(shè)計的不凝性氣體自動排放裝置可以及時檢測和排放不凝性氣體，有助于保持制冷系統(tǒng)的高效運(yùn)行，延長設(shè)備壽命。同時減輕了輪機(jī)員的負(fù)擔(dān)，減少了人為失誤可能造成的制冷劑泄漏，進(jìn)而污染大氣以及危害操作人員的問題?？偟膩碚f，該不凝性氣體自動排放裝置提高了排放的準(zhǔn)確性和效率，有利于環(huán)境保護(hù)和安全管理。