熱氨融霜過程液擊測試系統(tǒng)研究

劉婷玉　余迅

關(guān)鍵詞：熱氨融霜;液擊機(jī)理;測控系統(tǒng);實(shí)驗(yàn)研究

氨憑借良好的熱力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于制冷行業(yè)。迄今為止，其形成裝備尚未得到解釋，相關(guān)研究已引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。郭吉林等[1]建立了描述熱氨融霜過程中回氣總管內(nèi)具有相變的多相分層流動液擊形成過程的理論模型，并通過數(shù)值模擬解釋水錘壓力和深度[2-3]。利用測控參數(shù)同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對熱氨分解過程中的多相層流形成過程[4]進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證模擬結(jié)果與理論模型的可靠性。

1 熱氨融霜過程液擊測試實(shí)驗(yàn)檢測控制系統(tǒng)設(shè)計

熱氨流入速率和加速度[5]是影響充氣過程中回氣管內(nèi)液體錘擊壓力的關(guān)鍵變量，必須要準(zhǔn)確測量和控制熱氨流入速度[6]，測控原理如圖1所示。旋渦流量計應(yīng)選用HW-LUX-50型智能循環(huán)儀，輸出4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號，插入AI808P A N14型XS LS XS XS智能控制器，控制熱氨吸入過程和進(jìn)水量的突然增加。控制器向相對電流控制閥發(fā)出4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號，通過調(diào)節(jié)閥的開啟高度控制熱氨進(jìn)口流量。相對電流控制閥型號為ZDLP-40P-DN50。熱氨進(jìn)口流速測控系統(tǒng)如圖1（b）所示。

通過測量回氣總管液位，預(yù)測衰變氣頭中剩余的低溫液氨填料。船舶氣帽的液位用不銹鋼穿透涂層儲熱視鏡顯示和測量，輸入信號為20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號。

2 熱氨融霜過程液擊測試方法

在液擊實(shí)驗(yàn)過程中，用智能旋進(jìn)旋渦流量計的智能電路表測量熱氨流量4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號，并發(fā)送給智能控制器，智能控制器發(fā)送20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流控制電壓信號到電流控制開關(guān)。通過熱氨蒸汽流量速度斜線充量曲線，實(shí)現(xiàn)對熱氨蒸汽流量和加速度的控制和檢測。由于熱氨進(jìn)口流量突然增大，低溫液氨與熱氨蒸汽直接接觸，接觸面會發(fā)生較大的相變，不可避免地在液面形成液錘。

3 熱氨融霜過程液擊測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果及探討

3.1 手動開啟熱氨進(jìn)口閥的熱氨沖霜液擊實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)

低溫液氨殘留填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80.0%，熱氨進(jìn)口流速突增，后部空氣壓力迅速增加到1.70 MPa。設(shè)置電動流量控制閥處于完全開啟狀態(tài)，壓力迅速下降到0.60 MPa，與熱氨進(jìn)口工作壓力0.60 MPa達(dá)到平衡。

3.2 智能流量分段控制電動流量控制閥開啟的熱氨沖霜液擊實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)低溫液氨殘留填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80.0%，圖2為熱氨進(jìn)口流量的設(shè)定曲線。在恒定的加速度下，熱氨流入速度從0 m/s突然增大到最大流量24.5 m/s。

當(dāng)電動控制閥開啟時間為6 s時，封頭頂部液擊壓力出現(xiàn)兩次突然大幅波動，分別為0.80 MPa和0.90 MPa。由于熱氨進(jìn)口自動流量控制系統(tǒng)的過度調(diào)整和校正，電動流量控制閥的開度突然變化，也會造成液擊。

3.3 增設(shè)緩沖罐對熱氨沖霜液擊影響的實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程與之前基本相同，1、2閥關(guān)閉，設(shè)置動力閥。

在實(shí)驗(yàn)過程中，手動快速打開沖霜閥，熱氨進(jìn)口流量突然從0 m/s增大到最大流量24.5 m/s，然后保持在24.5 m/s。可見，在回氣總管末端增加一個緩沖罐，可以降低回氣總管沖霜產(chǎn)生的最大流體壓力。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)回氣總管沖霜液擊實(shí)驗(yàn)，控制模擬結(jié)果如圖3所示。但實(shí)驗(yàn)測得的錘中最大液擊壓力為1.90 MPa，仿真結(jié)果與實(shí)際工況相符。

3.5 熱氨融霜過程液擊測試事故原因

在熱氨融霜過程中，最重要的環(huán)節(jié)是蒸發(fā)器盤管的排液。如果蒸發(fā)器盤管內(nèi)的氨液沒有降到安全水平以下，熱氨閥打開過快，會造成熱氨沖擊。因此，事故原因一是液擊沖擊，二是低溫脆斷。

3.6 熱氨融霜過程液擊測試液擊產(chǎn)生機(jī)理

正常操作情況下，在熱氨融霜前，應(yīng)緩慢少量開啟熱氨沖霜閥，依靠緩慢注入的帶壓（約0.70 MPa）熱氨氣，將單凍機(jī)和凍結(jié)間排管中的液氨倒壓回排液桶或循環(huán)桶。

3.7 熱氨融霜過程液擊測試低溫脆斷機(jī)理

低碳鋼在常溫下具有較高的韌性和較強(qiáng)的抵抗斷裂能力，但在低溫時韌性極低，受沖擊極易產(chǎn)生脆性開裂。正常使用時，單凍機(jī)蒸發(fā)器在一臺冷凍機(jī)內(nèi)，氣液平行上升，壓力約為0.06 MPa，蒸發(fā)器溫度約為480 ℃，一臺冷凍機(jī)金屬壁背氣頭溫度約為450 ℃;冷凍中間管內(nèi)介質(zhì)呈氣態(tài)，壓力約為0.01 MPa，管內(nèi)蒸發(fā)溫度約為﹣350 ℃，主氣頭金屬壁溫度約為﹣320 ℃。

3.8 熱氨融霜過程液擊測試改進(jìn)建議

凍氨事故的起因是生產(chǎn)工藝的發(fā)展對操作和材料選擇的變量要求提高，設(shè)計改進(jìn)和操作要求跟不上時代發(fā)展，下面提出兩點(diǎn)建議。

3.8.1 材料選擇

根據(jù)GB 50072—2010《冷庫設(shè)計規(guī)范》，正常運(yùn)行時，氨冷卻系統(tǒng)低溫側(cè)管基本處于低溫低負(fù)荷工況，但在熱耗盡氨工況下，管壁溫度約為﹣35 ℃，20#鋼的抗沖擊性能較差。因此，特別是對壁厚在5 mm以上的主氣頭的管道、焊接材料和閥門，應(yīng)該選擇低溫性能較好的材料，如奧氏體不銹鋼管（CoCrl8Ni9），如果仍然使用碳，普通鋼材料應(yīng)確保抗低溫脆性斷裂性能。

3.8.2 設(shè)計改進(jìn)

（1）流量限制。產(chǎn)生液擊的能量來自熱氨，不僅減緩了熱氨進(jìn)入頭部回到氣體中的速度以及熱氨和冷氨的混合速度，還減少甚至消除了局部真空成分，從而降低了氣體壓力。

（2）裝設(shè)安全保護(hù)裝置。在頭部氣頭上放置壓力表，監(jiān)測熱氨充氣過程中的壓力;安裝溫度計，監(jiān)測充氣過程中的管壁溫度。同時，必須安裝能防止超壓和脫水的控制裝置。

（3）操作要求。嘗試使用自然解凍或防水劑輔助。蒸發(fā)器中的液氨被吸入主氣管內(nèi)形成液柱，同時控制回路筒或泄油室的液位，避免壓縮機(jī)氣缸爆炸。

4 結(jié)語

通過設(shè)計熱氨融霜液擊實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對熱氨沖霜液擊的形成進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得到以下結(jié)果：（1）在熱氨進(jìn)口處，熱氨結(jié)霜處理壓力為0.60 MPa、冷卻系統(tǒng)溫度為﹣24 ℃、熱氨進(jìn)口溫度為30 ℃時，分離器形成明顯的熱氨沖霜液擊現(xiàn)象。（2）調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于熱氨流量自動操作系統(tǒng)的過度調(diào)整和校正，電動流量控制閥的開度突然變化，也可能導(dǎo)致明顯的液壓錘，氨氣進(jìn)氣流量的自動控制很難消除后部空氣中的液錘現(xiàn)象。（3）在回油管末端加裝緩沖器，可使回油管結(jié)霜產(chǎn)生的最大液壓沖擊壓力由1.80 MPa降到1.30 MPa，降低了27.8%。熱氨霜漂浮沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)作者建立的硬件模型和數(shù)值模擬方法公平可靠。