制冷系統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校機電系，安徽 蚌埠233012）

在制冷系統中，所謂的不凝性氣體是指在制冷系統工作時，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，這些氣體主要包括氮氣、氧氣、氫氣、二氧化碳、碳氫氣體、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，使得壓縮機的能耗增大，而制冷系統的制冷量降低。因此，有必要研究不凝性氣體的產生，分析其危害及時排除制冷系統中的不凝性氣體。

1 不凝性氣體的產生

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物。大氣中的氮氣、氧氣、二氧化碳等不凝性氣體進入制冷系統主要有以下幾種方式：

1.1 充注制冷劑前，制冷系統排空不充分

在充注制冷機之前，制冷系統內的壓縮機氣缸內、冷凝器內、蒸發器內以及系統的管路內都曾充滿空氣，在充注制冷劑前為了排除這些空氣，需要對制冷系統內部抽真空，有時由于主客觀原因，制冷系統內部抽真空不充分，達不到要求，在系統內部留有少量空氣。

1.2 充注制冷劑時帶入制冷系統內

在制冷系統充注制冷劑之前，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，沒有排盡管子內的空氣，就直接連接在制冷系統中，這些空氣隨著充注的制冷劑進入制冷系統。

1.3 在制冷系統檢修時，易混入不凝性氣體

制冷系統長時間工作，難免需要檢查維修或者清洗更換，這樣有時就需要拆開機械或管路，空氣往往就在拆卸和安裝這個過程中進入制冷系統內部。

1.4 從外界大氣中滲入系統內部

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

1.5 來自制冷劑的化學反應

在氨制冷系統中，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系，溫度越高壓力越大，氨越容易分解。

而在氟利昂制冷系統中，氟利昂可能與混入系統內的雜質發生化學反應，產生不凝性氣體。如R12與水在一定條件下發生反應，產生二氧化碳。

1.6 潤滑油的分解也會產生不凝性氣體

在制冷系統使用的潤滑油中，有些滑油，如礦物潤滑油在復雜的工況下能分解產生多種碳氫氣體，這些碳氫氣體就會混入系統內的制冷劑中。

2 不凝性氣體的分布

在制冷系統中，當低壓側有不凝性氣體時，這些氣體很快被壓縮機抽吸而進入高壓側。所以，通常不凝性氣體主要聚集在系統高壓側的冷凝器和高壓儲液器中。無論是蒸發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離進氣口的氣流速度很低的空間內，如圖3所示。

3 不凝性氣體的危害

不凝性氣體進入制冷系統后，對制冷系統的正常工作和制冷設備的安全有很大危害，具體表現在以下幾點。

圖1 蒸發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 降低系統制冷量

不凝性氣體聚集在冷凝器中時，不凝性氣體附著在冷凝器的內壁，占據一定空間，使得冷凝面積減小，同時不凝性氣體在制冷劑和冷凝器內壁之間形成熱阻，使得傳熱效率降低，熱量不能及時排出系統之外，從而降低了制冷系統的制冷量。

3.2 系統能耗增大

由于傳熱效率的降低，冷凝器內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。同時冷凝壓力的增大，使得壓縮機排出口的壓力較之正常工況下也變大，壓縮機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 造成機械設備的損壞

壓縮機排出壓力的增大，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，加速了設備磨損老化和滑油的變質，造成機械設備的損壞。同時，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正常工作產生諸多危害，因此要盡可能的排除制冷系統內的不凝性氣體。

4.1 制冷系統中含有不凝性氣體的現象

在操作中，當系統中有空氣時，制冷系統的工作或參數都會表現出一種或多種異常現象：一是排氣壓力表抖動劇烈；二是冷凝溫度低于冷凝器內壓力所對應的飽和溫度，即，冷凝器內壓力高于該冷凝溫度所對應的飽和壓力；三是壓縮機排氣溫度升高異常。

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冷凝壓力的高低來判斷制冷系統內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驗，操作靈活，不凝性氣體排放的比較徹底。但是這種方法代價大，在排除不凝性氣體的過程中，容易浪費大量的制冷劑，對環境造成污染，同時還可能傷害操作人員。

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

第一步，關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，將低壓系統內的制冷劑抽至冷凝器或高壓儲液器；

第三步，當制冷系統的低壓部分保持在穩定的真空狀態時，停止壓縮機并關閉吸氣閥，而排氣閥保持打開狀態，同時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，當沒有涼快感或感覺比較熱時，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，這時應暫停排放不凝性氣體的操作，而應檢查高壓系統的壓力所對應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，排放不凝性氣體結束時，應擰緊壓縮機排氣閥的多用通道或關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，應當設置空氣分離器，圖4所示是套管式手動空氣分離器的結構圖，這種氣體分離器在大多數氨制冷系統中也廣泛應用。

該分離器由四層同心套管焊接而成，其中有兩對進出口，一對是來自冷凝器的液體制冷劑進口和吸熱蒸發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，經過第一層和第三層時，與在第二層和第四層的混合氣體進行熱交換，制冷劑液體蒸發為制冷劑氣體，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，當積存足量時，打開放空閥放出不凝性氣體，而液體制冷劑通過節流閥流入管內蒸發。

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溫度等參數來控制不凝性氣體的排放，同時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。

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中，圖5為用于按制冷系統的自動空氣分離器的結構示意圖。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、溫度控制器，用電磁閥代替節流閥，高壓液氨和和回液氨在蒸發管內蒸發為氣態氨，而含有不凝性氣體的混合氣體進入分離器后，絕大多數氨氣被冷凝為液態氨聚集在底部，而少量氨氣和不凝性氣體聚集在分離器內，同時溫度也不斷下降，當溫度達到設定值時，電磁閥打開，混合氣體進入氨水混合器內，經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，動作較機械，因而，目前使用自動式的場合不多。

5 小結

在制冷系統中，影響不凝性氣體排放效果的因素有很多，如制冷系統管路的設計、系統的環境溫度、制冷劑與空氣的比重等等。但是，在實際管理中，應根據具體情況，采取正確措施，及時排盡不凝性氣體，從而確保制冷系統高效節能運行。

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

［2］胡智慧,杜塏.不凝性氣體含量對氣環法壓縮機測試系統影響的分析[J].流體機械,2006,12：5～9.