热氨融霜过程液击测试系统研究

刘婷玉　余迅

关键词：热氨融霜;液击机理;测控系统;实验研究

氨凭借良好的热力学性能，被广泛应用于制冷行业。迄今为止，其形成装备尚未得到解释，相关研究已引起国内外学者的广泛关注。郭吉林等[1]建立了描述热氨融霜过程中回气总管内具有相变的多相分层流动液击形成过程的理论模型，并通过数值模拟解释水锤压力和深度[2-3]。利用测控参数同步数据采集系统，对热氨分解过程中的多相层流形成过程[4]进行了仿真，验证模拟结果与理论模型的可靠性。

1 热氨融霜过程液击测试实验检测控制系统设计

热氨流入速率和加速度[5]是影响充气过程中回气管内液体锤击压力的关键变量，必须要准确测量和控制热氨流入速度[6]，测控原理如图1所示。旋涡流量计应选用HW-LUX-50型智能循环仪，输出4～20 mA标准电流信号，插入AI808P A N14型XS LS XS XS智能控制器，控制热氨吸入过程和进水量的突然增加。控制器向相对电流控制阀发出4～20 mA标准电流信号，通过调节阀的开启高度控制热氨进口流量。相对电流控制阀型号为ZDLP-40P-DN50。热氨进口流速测控系统如图1（b）所示。

通过测量回气总管液位，预测衰变气头中剩余的低温液氨填料。船舶气帽的液位用不锈钢穿透涂层储热视镜显示和测量，输入信号为20 mA标准电流信号。

2 热氨融霜过程液击测试方法

在液击实验过程中，用智能旋进旋涡流量计的智能电路表测量热氨流量4～20 mA标准电流信号，并发送给智能控制器，智能控制器发送20 mA标准电流控制电压信号到电流控制开关。通过热氨蒸汽流量速度斜线充量曲线，实现对热氨蒸汽流量和加速度的控制和检测。由于热氨进口流量突然增大，低温液氨与热氨蒸汽直接接触，接触面会发生较大的相变，不可避免地在液面形成液锤。

3 热氨融霜过程液击测试实验结果及探讨

3.1 手动开启热氨进口阀的热氨冲霜液击实验本实验

低温液氨残留填料质量分数为80.0%，热氨进口流速突增，后部空气压力迅速增加到1.70 MPa。设置电动流量控制阀处于完全开启状态，压力迅速下降到0.60 MPa，与热氨进口工作压力0.60 MPa达到平衡。

3.2 智能流量分段控制电动流量控制阀开启的热氨冲霜液击实验

本实验低温液氨残留填料质量分数为80.0%，图2为热氨进口流量的设定曲线。在恒定的加速度下，热氨流入速度从0 m/s突然增大到最大流量24.5 m/s。

当电动控制阀开启时间为6 s时，封头顶部液击压力出现两次突然大幅波动，分别为0.80 MPa和0.90 MPa。由于热氨进口自动流量控制系统的过度调整和校正，电动流量控制阀的开度突然变化，也会造成液击。

3.3 增设缓冲罐对热氨冲霜液击影响的实验实验过程与之前基本相同，1、2阀关闭，设置动力阀。

在实验过程中，手动快速打开冲霜阀，热氨进口流量突然从0 m/s增大到最大流量24.5 m/s，然后保持在24.5 m/s。可见，在回气总管末端增加一个缓冲罐，可以降低回气总管冲霜产生的最大流体压力。

3.4 实验结果分析

经回气总管冲霜液击实验，控制模拟结果如图3所示。但实验测得的锤中最大液击压力为1.90 MPa，仿真结果与实际工况相符。

3.5 热氨融霜过程液击测试事故原因

在热氨融霜过程中，最重要的环节是蒸发器盘管的排液。如果蒸发器盘管内的氨液没有降到安全水平以下，热氨阀打开过快，会造成热氨冲击。因此，事故原因一是液击冲击，二是低温脆断。

3.6 热氨融霜过程液击测试液击产生机理

正常操作情况下，在热氨融霜前，应缓慢少量开启热氨冲霜阀，依靠缓慢注入的带压（约0.70 MPa）热氨气，将单冻机和冻结间排管中的液氨倒压回排液桶或循环桶。

3.7 热氨融霜过程液击测试低温脆断机理

低碳钢在常温下具有较高的韧性和较强的抵抗断裂能力，但在低温时韧性极低，受冲击极易产生脆性开裂。正常使用时，单冻机蒸发器在一台冷冻机内，气液平行上升，压力约为0.06 MPa，蒸发器温度约为480 ℃，一台冷冻机金属壁背气头温度约为450 ℃;冷冻中间管内介质呈气态，压力约为0.01 MPa，管内蒸发温度约为﹣350 ℃，主气头金属壁温度约为﹣320 ℃。

3.8 热氨融霜过程液击测试改进建议

冻氨事故的起因是生产工艺的发展对操作和材料选择的变量要求提高，设计改进和操作要求跟不上时代发展，下面提出两点建议。

3.8.1 材料选择

根据GB 50072—2010《冷库设计规范》，正常运行时，氨冷却系统低温侧管基本处于低温低负荷工况，但在热耗尽氨工况下，管壁温度约为﹣35 ℃，20#钢的抗冲击性能较差。因此，特别是对壁厚在5 mm以上的主气头的管道、焊接材料和阀门，应该选择低温性能较好的材料，如奥氏体不锈钢管（CoCrl8Ni9），如果仍然使用碳，普通钢材料应确保抗低温脆性断裂性能。

3.8.2 设计改进

（1）流量限制。产生液击的能量来自热氨，不仅减缓了热氨进入头部回到气体中的速度以及热氨和冷氨的混合速度，还减少甚至消除了局部真空成分，从而降低了气体压力。

（2）装设安全保护装置。在头部气头上放置压力表，监测热氨充气过程中的压力;安装温度计，监测充气过程中的管壁温度。同时，必须安装能防止超压和脱水的控制装置。

（3）操作要求。尝试使用自然解冻或防水剂辅助。蒸发器中的液氨被吸入主气管内形成液柱，同时控制回路筒或泄油室的液位，避免压缩机气缸爆炸。

4 結语

通过设计热氨融霜液击实验系统，对热氨冲霜液击的形成进行实验研究，得到以下结果：（1）在热氨进口处，热氨结霜处理压力为0.60 MPa、冷却系统温度为﹣24 ℃、热氨进口温度为30 ℃时，分离器形成明显的热氨冲霜液击现象。（2）调查发现，由于热氨流量自动操作系统的过度调整和校正，电动流量控制阀的开度突然变化，也可能导致明显的液压锤，氨气进气流量的自动控制很难消除后部空气中的液锤现象。（3）在回油管末端加装缓冲器，可使回油管结霜产生的最大液压冲击压力由1.80 MPa降到1.30 MPa，降低了27.8%。热氨霜漂浮冲击实验结果证实作者建立的硬件模型和数值模拟方法公平可靠。