基于R134A分體空調連續運行穩定性提升

曹旭東

(國家管網集團天津液化天然氣有限責任公司，天津 300000)

0 引言

LNG接收站是我國LNG行業的核心設施，空調系統對于LNG行業的作用是不可替代的。由于其臨近海邊的特殊作業條件，環境濕度較大，作業空間狹小，對平臺設備設施及工作人員健康影響極大。同時房間設備分布密集，散熱量大，空氣含鹽量較高，如果僅采用風機進行散熱無法滿足設備設施正常工作環境，導致設備運行不正常，縮短使用壽命。

由于分體空調無論冬夏都需要長期不間斷連續運行，并且環境惡劣，易出現壓縮機、風機頻繁啟停、空調震動高、制冷劑管線薄弱處容易破損漏氟、熱交換過度導致低壓報警等問題，此外，由于現場環境復雜導致部分室外機與室內機管線過長、高度落差較大，空調制冷效果不佳，因此對于提升R134A分體空調連續運行的穩定性十分必要。

1 分體空調結構及原理

隨著科技的不斷提升，空調的使用越來越廣泛。目前LNG接收站的空調主要分為中央空調和分體空調兩類。而分體空調又分為壁掛式、吊頂式、嵌入式和立柜式空調。

分體空調由制冷系統、風路系統、電氣系統、箱體和面板四部分組成，主要包含壓縮機、儲液罐、蒸發器、冷凝器、膨脹閥、電磁閥、供液過濾器、風機和控制電路等部件。

分體空調常用R134A作為制冷劑，其工作原理(見圖1)，即壓縮機將氣態的制冷劑壓縮為高溫高壓的液態制冷劑，然后送到冷凝器散熱后成為低溫高壓的液態制冷劑，循環到室內機后在膨脹閥、毛細管的作用下壓力減小氣化為低溫低壓的氣態制冷劑，最后在蒸發器內吸收室內空氣中的熱量吹出冷風制冷。

圖1 分體空調系統原理圖

2 分體空調性能提升方案

R134A分體空調由于工作環境限制需要長時間連續運行，易出現出現高、低報警，冷媒管線泄漏、結霜，制冷效果不佳、壓縮機損壞等問題，對于設備設施的正常運行造成極大的影響，因此需要采取相應措施提升分體空調連續運行的穩定性。

2.1 縮短室內外機制冷劑管線長度，調整高度落差

由于房屋及內部空間受限，環境復雜，部分分體空調室內、外機的連接管線較長、高度落差較大，會增大制冷劑在管線中流動的阻力，產生不同程度的壓降，對分體空調壓縮機功率、制冷劑溫度、壓力等都會造成影響，降低分體空調的制冷效果。

分體空調室外機與室內機的冷媒連接管有低壓管線和高壓管線2根。高壓管線通過熱力膨脹閥連接蒸發器，內部制冷劑以液體為主，低壓管線通過壓縮機和儲液罐與冷凝器連接，內部制冷劑以氣態為主，制冷劑在管線內流動時會產生相應的阻力，主要包括水平管線的沿程阻力、垂直管線的靜壓降和管線彎頭與接口等造成的局部阻力(局部阻力較小通常忽略不計)。

制冷劑管線沿程阻力壓降、靜壓降阻力算法如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

其中：P1為水平阻力(Pa)，P2為垂直阻力(Pa)，f為管內沿程阻力系數，u為制冷劑平均流速(m/s)，qm為制冷劑質量流量，Re為雷諾系數，v為制冷劑比熱容，ρ為制冷劑密度(kg/m3)，l為管長(m)，d為管內直徑(cm)。

由式(4)(5)可知管線越長，高度落差越大制冷劑的壓降越大。計算結果如表1、表2所示。

表1 空調水平管線與壓降的管線

表2 高度落差與壓降的關系

通過計算得知，分體空調70 m水平管的制冷劑的壓降是15 m水平管的6.15倍，5 m垂直管的制冷劑的壓降是3 m水平管的1.82倍，因此管線越長、高度落差越大制冷劑壓降越大。

在實際安裝中空調水平管盡量不超過20 m，垂直管落差不超過5 m，并減少制冷劑管線局部彎曲、接頭等情況，以減小制冷劑在室內、外機管線中的壓降，提升分體空調使用效率。

2.2 降低冷凝器熱交換，提升冬季低溫制冷性能

家用分體空調通常在夏季高溫的情況下才啟動制冷，但在設備間的設備散熱較大，冬季室外低溫的情況下仍然需要進行室內制冷。在低溫環境下，室外機換熱環境惡劣，冷凝器對流換熱系數增大，制冷劑散熱快，冷凝壓力急劇降低，大量制冷劑聚集在冷凝器中，導致蒸發器內制冷劑壓力降低，制冷能力衰減嚴重；此外，還會造成蒸發器結霜、低壓報警、壓縮機抱死等問題，導致分體空調不能正常工作，甚至故障停機。解決分體空調冬季低溫制冷不佳問題的核心在于降低冷凝器換熱能力。

冷凝器外側的對流換熱系數計算公式如下：

(6)

其中，h為冷凝器外側空氣對流換熱系數，V為冷凝翅片最窄處空氣流速，D為直徑當量，v為空氣運動黏度，Re為冷凝器外側空氣雷諾系數，n為經驗系數(n<1)。

通過對流換熱系數計算公式(6)，采取降低空氣流動速率的措施降低冷凝器的對流換熱系數的方法，提高冷凝溫度和蒸發溫度。

2.2.1 室外機添加百葉窗擋風裝置

可在室外機冷凝翅片外側安裝百葉窗擋風裝置，根據環境氣溫變化，手動調節百葉窗擋風裝置風條角度，改變百葉窗擋風裝置翅片開度，減少冷凝翅片處的空氣流動，增加冷凝器外側進風阻力，使式(6)中冷凝器外側最窄處空氣流動速度減小。在其他條件不變的情況下，冷凝器對流換熱系數h降低，冷凝翅片處制冷劑與外界換熱速度降低，提高冷凝器溫度，防止制冷劑快速散熱使得冷凝器出口壓力降低。

在冷凝翅片處安裝百葉窗，不僅可以大大緩解分體空調冬季制冷效率低的問題，而且安裝便捷，在改善空調性能的同時也可以防止冷凝翅片灰塵聚集導致濾網臟堵，減少空調室外機維護保養頻率。

2.2.2 限制室外機風機啟動頻率

室外風機啟動會加速冷凝器與外界換熱是造成冬季制冷效果不佳的重要原因，相同時間流過冷凝翅片的風量越大，換熱越充分。目前海洋平臺上使用的分體空調大多使用定頻風機，如果采用變頻或者變壓調速的方法，分體空調的改造成本較高，電路較復雜，因此此處采用降低風機啟動頻率的方法。

如圖2所示，可在室外機風機控制回路中串入旋鈕式溫度開關常開觸點，根據冷凝器處溫度控制風機的啟動停止；同時，根據室外溫度手動設置溫度開關觸點動作溫度值。當冷凝器處溫度低于設定值時，抑制風機啟動，通過自然散熱對冷凝翅片進行降溫；當冷凝器處溫度高于設定值時，溫度開關常開觸點閉合，風機啟動對冷凝器進行降溫，降低風機的啟動頻率，增加冷凝壓力和蒸發壓力，達到提升分體空調低溫制冷的效果。

圖2 室外風機改造電路圖

此外，采用旋鈕溫度開關降低風機啟動頻率的方法，不僅在低溫環境下使用，也可以長期保持。根據渤海平均氣溫在-15℃～35℃，壓縮機啟動時，冷凝器溫度在10℃～50℃變化，根據外界氣溫的變化，改變旋鈕式溫度開關的動作值，防止高溫時風機頻繁啟動，也可以在一定程度上減小分體空調室外機的震動，防止分體空調內部軟管和管線焊接薄弱處破裂，防止制冷劑泄漏，提升分體空調連續運行的穩定性。

2.3 安裝氣液分離器，延長壓縮機使用壽命

在空調制冷運行時，低溫高壓制冷劑在蒸發器內吸熱蒸發形成高溫低壓的汽態制冷劑，但往往在實際運行中會出現制冷劑無法完全蒸發的現象。未完全蒸發的液體制冷劑在壓縮機內部升溫膨脹，使壓縮機氣缸壓力驟增，產生液擊，造成壓縮機出現不同程度的損傷，甚至嚴重損壞，影響空調的正常運行。

為盡可能地避免液擊，保證壓縮機的穩定運行，可在壓縮機吸氣口加裝氣液分離器，防止液態制冷劑進入壓縮機，同時為溢流而出的液態制冷劑提供臨時的儲存，降低壓縮機的故障率，保證空調長期連續的正常運行。氣液分離器安裝示意圖如圖3所示。

圖3 氣液分離器安裝示意圖

根據實際經驗，安裝分體空調氣液分離器后可以延長壓縮機壽命2～3年，具有實際意義。

2.4 噴涂防腐材料，防止制冷劑泄漏

分體空調通常采用銅或銅鋁合金作為制冷劑管線和冷凝器原料，其耐腐蝕性能較鋁管好，但由于海風中含有大量NaCl粒子，部分油田還會有微量HS2氣體，隨著空氣流動逐漸沉積至銅管和冷凝器上。

當分體空調運行時，銅管和冷凝器上會產生冷凝水，溶解NaCl產生Cl-，Cl-半徑小但穿透性強，易破壞銅表面的氧化膜形成點蝕源，在電化學腐蝕的共同作用下產生CuCl，CuCl和水發生水解反應：

H2O+CuCl→Cu2O+2HCl

產生HCl進一步加重腐蝕，導致制冷劑泄漏。為防止管線、冷凝器點蝕可以在銅管和冷凝器表面噴涂銅管緩蝕劑(如苯駢三氮唑、甲基苯駢三氮唑緩蝕劑)形成一層或者多層保護膜，延長管線和冷凝器的使用壽命。

3 實施效果

3.1 設計方法簡潔有效

依托分體空調自身設計，完成相關適應性改造設計。在改造設計進行大膽創新，并且設計簡潔有效，安裝時不用大改大造，施工成本低，將降本增效的理念運用于實際。

3.2 現場操作簡單，實際效果穩定

在分體空調運行時，只需根據現場環境溫度調節百葉窗翅片角度及旋鈕式溫度開關設定值，便可以極大提升空調冬季制冷的效果，維持房間溫度恒定，減少人員維護保養和故障維修的次數，并對其他LNG行業所使用的分體空調性能提升改造具有實際意義。

4 結語

通過對R134A分體空調工作原理及低溫制冷效果不佳、壓縮機損壞等常見故障問題的分析，采取相應措施，通過減少室內外機管線長度、高度落差、風機控制回路串入旋鈕式溫度開關降低風機啟動頻率、安裝百葉窗、噴涂銅管緩蝕劑等措施，提升分體空調長期連續運行的穩定性，降低分體空調故障率，維持房間設備設施的最佳工作環境，保障設備設施的正常運轉。