制冷系统中不凝性气体及其排除的研究

2015-01-10安江波

科技视界 2015年32期

赵亮王龙安江波

（中国人民解放军海军士官学校机电系，安徽蚌埠233012）

在制冷系统中，所谓的不凝性气体是指在制冷系统工作时，在冷凝器中特定的温度、压力下，这些气体不能冷凝成液体，而总是成气体状态，这些气体主要包括氮气、氧气、氢气、二氧化碳、碳氢气体、惰性气体以及这些气体的混合气体等。由于不凝性气体的存在，使得压缩机的能耗增大，而制冷系统的制冷量降低。因此，有必要研究不凝性气体的产生，分析其危害及时排除制冷系统中的不凝性气体。

1 不凝性气体的产生

不凝性气体主要来自大气，少量来自制冷剂或者润滑油分解后的产物。大气中的氮气、氧气、二氧化碳等不凝性气体进入制冷系统主要有以下几种方式：

1.1 充注制冷剂前，制冷系统排空不充分

在充注制冷机之前，制冷系统内的压缩机气缸内、冷凝器内、蒸发器内以及系统的管路内都曾充满空气，在充注制冷剂前为了排除这些空气，需要对制冷系统内部抽真空，有时由于主客观原因，制冷系统内部抽真空不充分，达不到要求，在系统内部留有少量空气。

1.2 充注制冷剂时带入制冷系统内

在制冷系统充注制冷剂之前，充注所用的管子中充满空气，由于人为等原因，在充注制冷剂时，没有排尽管子内的空气，就直接连接在制冷系统中，这些空气随着充注的制冷剂进入制冷系统。

1.3 在制冷系统检修时，易混入不凝性气体

制冷系统长时间工作，难免需要检查维修或者清洗更换，这样有时就需要拆开机械或管路，空气往往就在拆卸和安装这个过程中进入制冷系统内部。

1.4 从外界大气中渗入系统内部

在有些制冷系统中，如果工作压力低于大气压力时，大气中的空气就会通过各种缝隙渗入到制冷系统中。这些缝隙分布在各类阀门、压缩机、非焊接处等诸多地方，所以，经缝隙渗漏入系统中的空气量也不可忽略。

1.5 来自制冷剂的化学反应

在氨制冷系统中，制冷剂氨在一定温度和压力下可以分解为氨气和氢气，其分解程度与温度和压力成正向关系，温度越高压力越大，氨越容易分解。

而在氟利昂制冷系统中，氟利昂可能与混入系统内的杂质发生化学反应，产生不凝性气体。如R12与水在一定条件下发生反应，产生二氧化碳。

1.6 润滑油的分解也会产生不凝性气体

在制冷系统使用的润滑油中，有些滑油，如矿物润滑油在复杂的工况下能分解产生多种碳氢气体，这些碳氢气体就会混入系统内的制冷剂中。

2 不凝性气体的分布

在制冷系统中，当低压侧有不凝性气体时，这些气体很快被压缩机抽吸而进入高压侧。所以，通常不凝性气体主要聚集在系统高压侧的冷凝器和高压储液器中。无论是蒸发式冷凝器还是管壳式冷凝器，不凝性气体都会尽可能地附着在换热表面上，如图1和图2所示。而储液器中的不凝性气体又往往集中在远离进气口的气流速度很低的空间内，如图3所示。

3 不凝性气体的危害

不凝性气体进入制冷系统后，对制冷系统的正常工作和制冷设备的安全有很大危害，具体表现在以下几点。

图1 蒸发式冷凝器中不凝性气体的分布

图2管壳式冷凝器中不凝性气体的分布

图3储液器中不凝性气体的分布

3.1 降低系统制冷量

不凝性气体聚集在冷凝器中时，不凝性气体附着在冷凝器的内壁，占据一定空间，使得冷凝面积减小，同时不凝性气体在制冷剂和冷凝器内壁之间形成热阻，使得传热效率降低，热量不能及时排出系统之外，从而降低了制冷系统的制冷量。

3.2 系统能耗增大

由于传热效率的降低，冷凝器内的冷凝温度和冷凝压力都升高，那么，在自动控制的制冷系统中，为了维持冷凝程度不变，必须增大冷凝水的流量，以降低冷凝器内制冷剂和不凝性空气的温度。这样就增大了冷凝水泵的能耗。同时冷凝压力的增大，使得压缩机排出口的压力较之正常工况下也变大，压缩机在排气过程中需要克服较大压力，从而压缩的能耗也变大。

3.3 造成机械设备的损坏

压缩机排出压力的增大，使得反作用在轴承、传动装置和滑动表面的力也都变大，长期以往，加速了设备磨损老化和滑油的变质，造成机械设备的损坏。同时，由于滑动面的磨损剧烈，也会使制冷剂的泄露增大。

4 不凝性气体的排除

由于不凝性气体对制冷系统正常工作产生诸多危害，因此要尽可能的排除制冷系统内的不凝性气体。

4.1 制冷系统中含有不凝性气体的现象

在操作中，当系统中有空气时，制冷系统的工作或参数都会表现出一种或多种异常现象：一是排气压力表抖动剧烈；二是冷凝温度低于冷凝器内压力所对应的饱和温度，即，冷凝器内压力高于该冷凝温度所对应的饱和压力；三是压缩机排气温度升高异常。

为了排除不凝性气体，通常采用的是手动空气分离器和自动空气分离器两种，把空气分离器安装在不凝性气体容易聚集的部位。

4.2 手动排除方法

目前，国内主要还是采用手动排除不凝性气体方法。这种方法由操作人员根据冷凝压力的高低来判断制冷系统内部是否含有较多不凝性气体，并决定是否排放。这种方法很大程度上取决于操作人员的经验，操作灵活，不凝性气体排放的比较彻底。但是这种方法代价大，在排除不凝性气体的过程中，容易浪费大量的制冷剂，对环境造成污染，同时还可能伤害操作人员。

对于小型氟利昂制冷系统中不凝性气体的排除，可以不需设置专门的排气设备，利用系统本身就能排除其内的不凝性气体，具体的操作步骤为：

第一步，关闭冷凝器出液阀以及高压储液器出液阀；

第二步，启动压缩机，将低压系统内的制冷剂抽至冷凝器或高压储液器；

第三步，当制冷系统的低压部分保持在稳定的真空状态时，停止压缩机并关闭吸气阀，而排气阀保持打开状态，同时开足冷却水量截止阀，充分液化高压的制冷剂气体；

第四步，大约十分钟左右，拧松压缩机排气阀多通道螺栓，或打开冷凝器顶部的放空气阀排出空气；

第五步，用手感受气流温度，当没有凉快感或感觉比较热时，说明排出的大部分为不凝性气体，否则说明排出的是氟利昂气体，这时应暂停排放不凝性气体的操作，而应检查高压系统的压力所对应的饱和温度与冷凝器出液温度的温差，若温差较大，说明还有较多的不凝性气体，应待混合气体充分冷却后再间歇放出不凝性气体；

第六步，排放不凝性气体结束时，应拧紧压缩机排气阀的多用通道或关好冷凝器上方的排空气阀，停止冷凝器供水。

对大型的氟利昂制冷系统，应当设置空气分离器，图4所示是套管式手动空气分离器的结构图，这种气体分离器在大多数氨制冷系统中也广泛应用。

该分离器由四层同心套管焊接而成，其中有两对进出口，一对是来自冷凝器的液体制冷剂进口和吸热蒸发为制冷剂气体的出口，另一对是由不凝性气体与制冷剂蒸气组成的混合气体的进口和不凝性气体由放空阀排入大气的出口。

其排除不凝性气体的过程是：高压制冷剂液体在流动过程中，经过第一层和第三层时，与在第二层和第四层的混合气体进行热交换，制冷剂液体蒸发为制冷剂气体，而混合气体中的制冷剂气体被冷凝为液体，不凝性气体则积存在第二和第四层套管内，当积存足量时，打开放空阀放出不凝性气体，而液体制冷剂通过节流阀流入管内蒸发。

图4 手动式不凝性气体分离器

4.3 自动排除方法

自动排除不凝性气体的方法是根据温度等参数来控制不凝性气体的排放，同时由制冷剂回收装置尽可能地回收混合气体中的制冷剂，而留下不凝性气体，最后排出系统。

图5 自动式不凝性气体分离器

自动排除方式适用于氨制冷剂系统中，图5为用于按制冷系统的自动空气分离器的结构示意图。其工作原理与手动式分离器相似，只是在其中装有压力开关、温度控制器，用电磁阀代替节流阀，高压液氨和和回液氨在蒸发管内蒸发为气态氨，而含有不凝性气体的混合气体进入分离器后，绝大多数氨气被冷凝为液态氨聚集在底部，而少量氨气和不凝性气体聚集在分离器内，同时温度也不断下降，当温度达到设定值时，电磁阀打开，混合气体进入氨水混合器内，经处理后仅剩不凝性气体排出。这种空气分离器操作简单，自动化程度高。但是在工作过程中，缺乏灵活性，动作较机械，因而，目前使用自动式的场合不多。