船用制冷系統(tǒng)不凝性氣體自動(dòng)排放裝置

黃 華，許長(zhǎng)青

（浙江國(guó)際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航海工程學(xué)院，浙江 舟山 316021）

0 引言

在遠(yuǎn)洋船舶上，由于航程長(zhǎng)，需要大量的食物儲(chǔ)備，一般配有伙食冷庫(kù)系統(tǒng)；另外船舶航行于各個(gè)海域，氣象條件復(fù)雜，氣候多變，為了使得船員、旅客有一個(gè)舒適的生活與工作環(huán)境，一般都配有空氣調(diào)節(jié)裝置。這些制冷裝置實(shí)際工作過(guò)程中常有不凝性氣體存在，從而造成制冷系統(tǒng)工作性能下降，維護(hù)工作量增加。為了應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，需要一種創(chuàng)新的解決方案，能夠有效地排放不凝性氣體，維持制冷系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

目前，國(guó)內(nèi)外船用制冷系統(tǒng)排除不凝性氣體還是以手動(dòng)式為主。這種操作方式需根據(jù)操作人員記錄的系統(tǒng)冷凝壓力表的變化情況，分析制冷系統(tǒng)壓力變化的原因，從而判斷是否由不凝性氣體引起，并決定是否進(jìn)行排氣操作[1]。然而手動(dòng)排放不凝性氣體存在著一些顯著的缺點(diǎn)和挑戰(zhàn)。首先，手動(dòng)排放不凝性氣體的過(guò)程高度依賴于操作人員的經(jīng)驗(yàn)和技巧，他們需要具備深入的專業(yè)知識(shí)和靈活的操作技能，以確保不凝性氣體得以有效排除。其次，在手動(dòng)排氣過(guò)程中，雖然可以有效排除不凝性氣體，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致大量制冷劑的流失。這不僅對(duì)環(huán)境造成污染，還可能對(duì)大氣中的臭氧層造成破壞。最后，手動(dòng)排氣操作還存在潛在的危險(xiǎn)，操作人員需要接觸有害的制冷劑，可能會(huì)危及操作人員的健康和安全[2]。

因此，研究和開(kāi)發(fā)更智能、高效、環(huán)保的自動(dòng)排放裝置對(duì)于改進(jìn)船用制冷系統(tǒng)至關(guān)重要[3]。這將有助于提高系統(tǒng)的性能，降低能源消耗，保護(hù)環(huán)境，減少操作人員的維護(hù)工作量和風(fēng)險(xiǎn)。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)不凝性氣體排放裝置，該裝置能夠自動(dòng)分離制冷劑與不凝性氣體，將不凝性氣體匯集到分離裝置的頂部，當(dāng)滿足一定條件時(shí)，自動(dòng)排放不凝性氣體。

1 不凝性氣體的產(chǎn)生和危害

1.1 不凝性氣體在系統(tǒng)中的產(chǎn)生過(guò)程

蒸氣壓縮式制冷是現(xiàn)今應(yīng)用最廣泛的機(jī)械制冷方法，也是船舶所用的主要制冷方法，其工作原理見(jiàn)圖1。選擇在常壓時(shí)沸點(diǎn)很低的液體作為制冷劑，經(jīng)膨脹閥節(jié)流進(jìn)入蒸發(fā)器的盤管中，在較低的蒸發(fā)壓力（相應(yīng)的蒸發(fā)溫度也低）下吸熱汽化，吸收冷庫(kù)內(nèi)食物發(fā)出的熱量，從而實(shí)現(xiàn)制冷。為了在蒸發(fā)器中維持低壓，需要壓縮機(jī)將其中氣態(tài)冷劑不斷抽出，壓送到冷凝器中去。冷凝器中的冷凝壓力及相應(yīng)的冷凝溫度較高，這樣就能用常溫的水或空氣作冷卻介質(zhì)，使氣態(tài)冷劑冷凝而重新液化，然后再經(jīng)膨脹閥節(jié)流送入蒸發(fā)器氣化吸熱，連續(xù)不斷的制冷。

圖1 制冷系統(tǒng)工作原理圖

制冷系統(tǒng)在運(yùn)行調(diào)試、操作和維修過(guò)程中，有時(shí)不可避免地會(huì)使一些空氣混入制冷系統(tǒng)。例如，在系統(tǒng)運(yùn)行或加注制冷劑、滑油時(shí)，若制冷裝置低壓系統(tǒng)或曲軸箱內(nèi)壓力低于外界大氣壓，空氣容易由各閥門、軸封等密封不嚴(yán)處滲入系統(tǒng)[4]。此外，制冷壓縮機(jī)因排氣溫度過(guò)高，少量制冷劑與潤(rùn)滑油可能分解為氣體。這些空氣或分解產(chǎn)生的氣體存留在制冷系統(tǒng)中，隨著冷劑一起參與相變反應(yīng)，當(dāng)進(jìn)入冷凝器時(shí)，高溫高壓的氣態(tài)冷劑釋放熱量被冷凝成液態(tài)冷劑，而空氣和其它氣體的混合氣體則不會(huì)被冷凝成液體，仍以氣體的形式存在，被稱為不凝性氣體。

1.2 不凝性氣體對(duì)制冷系統(tǒng)的影響

不凝性氣體存在于制冷系統(tǒng)中可能導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，因?yàn)闀?huì)影響制冷劑的流動(dòng)和相變過(guò)程，從而影響制冷效果，主要包括：

1）冷凝壓力升高。冷凝器內(nèi)存在不凝性氣體時(shí)，它會(huì)以氣膜的形式附著在制冷裝置換熱器表面，使冷凝器的導(dǎo)熱系數(shù)下降，即熱阻增加，致使冷凝壓力和冷凝溫度升高，從而導(dǎo)致制冷循環(huán)的壓縮比增大，壓縮機(jī)輸氣量減少，制冷量減小，制冷效率降低，壓縮機(jī)功耗增加。

2）排氣溫度升高。不凝性氣體的存在，會(huì)導(dǎo)致制冷壓縮機(jī)的排氣壓力和排氣溫度升高，引起壓縮機(jī)摩擦面的潤(rùn)滑條件惡化。同時(shí)，高溫高壓制冷劑蒸氣與空氣的混合氣體，遇明火時(shí)有爆炸的危險(xiǎn)。

3）潤(rùn)滑性能下降。在高溫高壓條件下，不凝性氣體與潤(rùn)滑油中的成分可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可能導(dǎo)致生成酸性或腐蝕性物質(zhì)，損害壓縮機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件[5]，影響部件正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 不凝性氣體自動(dòng)排放裝置工作原理及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 不凝性氣體自動(dòng)排放裝置的工作原理

本文設(shè)計(jì)的不凝氣體自動(dòng)排放裝置采用S7-1200系列PLC為主控制器，其系統(tǒng)組成見(jiàn)圖2。不凝性氣體自動(dòng)排放裝置供液管的供液電磁閥L與壓縮機(jī)同步啟停，熱力膨脹閥G根據(jù)回氣過(guò)熱度的大小控制供液量。混合氣體進(jìn)入不凝性氣體自動(dòng)排放裝置本體J后被換熱盤管內(nèi)的液態(tài)冷劑冷卻降溫，其中的制冷劑蒸氣被冷凝成液體，不凝性氣體仍以氣態(tài)形式積聚在不凝性氣體自動(dòng)排放裝置本體的頂部。由于不凝性氣體冷卻放出的顯熱遠(yuǎn)小于制冷劑液化時(shí)放出的潛熱，所以不凝性氣體沒(méi)有發(fā)生相變，仍然是氣態(tài)。氣體在頂部積聚，溫度越來(lái)越低，與裝置底部的溫差也就不斷增大。溫度傳感器H與I將溫度信號(hào)送至S7-1200 PLC，當(dāng)溫差達(dá)到設(shè)定值時(shí)，S7-1200 PLC控制混合氣體進(jìn)口電磁閥E關(guān)閉，延時(shí)開(kāi)啟不凝性氣體排放電磁閥F，通過(guò)背壓閥K緩慢向外界排放不凝性氣體。通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)有助于不凝性氣體的排放，同時(shí)減少制冷劑的誤排放。當(dāng)不凝性氣體完全排放后，溫度傳感器H檢測(cè)的溫度上升，溫度傳感器H與I的溫差逐漸降到設(shè)定值的下限，S7-1200 PLC控制電磁閥F關(guān)閉，電磁閥E開(kāi)啟，排放不凝性氣體過(guò)程暫時(shí)結(jié)束，如此循環(huán)。

圖2 不凝性氣體自動(dòng)排放裝置

該不凝性氣體排放裝置的控制信號(hào)，即溫差大小可根據(jù)實(shí)際制冷系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。另外裝置排放次數(shù)與排放時(shí)間等相關(guān)信息也可以在液晶屏上顯示，以供維護(hù)管理人員了解制冷系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)采取措施，減少不凝性氣體的產(chǎn)生。例如在維護(hù)、操作和檢修制冷系統(tǒng)時(shí)，確保工作條件適當(dāng)，避免過(guò)高的溫度和壓力，且定期檢查和維護(hù)制冷系統(tǒng)，確保所有密封件、閥門和連接都處于良好狀態(tài)，以減少氣體滲入的機(jī)會(huì)。

2.2 不凝性氣體自動(dòng)排放裝置的關(guān)鍵技術(shù)

制冷系統(tǒng)不凝性氣體自動(dòng)排放裝置的關(guān)鍵技術(shù)包括以下3個(gè)方面：

1）檢測(cè)技術(shù)。這是不凝性氣體自動(dòng)排放裝置的核心。需要使用靈敏度高的溫度傳感器來(lái)間接測(cè)量制冷裝置中的不凝性氣體的比例。這些傳感器需要具備高精度、高穩(wěn)定性和快速響應(yīng)的特點(diǎn)，以確保及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)到不凝性氣體的存量將影響系統(tǒng)工作性能。

2）數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)。通過(guò)采集到的數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和對(duì)比分析，以確定不凝性氣體的比例是否超過(guò)了安全閾值。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，通常需要借助微處理器、嵌入式系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)軟件等技術(shù)手段。

3）自動(dòng)控制技術(shù)。一旦檢測(cè)到不凝性氣體比例且超過(guò)了安全閾值，需要自動(dòng)排放裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，如電磁閥開(kāi)啟或關(guān)閉，以排放不凝性氣體，但排放速度不宜過(guò)快，可在不凝性氣體排放管路上安裝背壓閥K。

此外，不凝性氣體自動(dòng)排放裝置的設(shè)計(jì)需要全面綜合地考慮節(jié)能、環(huán)保和安全等多方面因素，以實(shí)現(xiàn)最佳的排放效果。在設(shè)計(jì)時(shí)，以下方面需加以考慮：

1）不凝性氣體自動(dòng)排放裝置的供液管應(yīng)從制冷系統(tǒng)冷凝器出口的高壓液管接出，節(jié)流后作為不凝性氣體自動(dòng)排放裝置的冷源。

2）回氣管需接在蒸發(fā)溫度較低、經(jīng)常工作且工況穩(wěn)定的蒸發(fā)回路的回氣管道上，不能直接與吸入管連接，以避免供液多的時(shí)侯發(fā)生濕行程。

3）混合氣體管接自冷凝器頂部。由于儲(chǔ)液器的液封作用，使進(jìn)入制冷系統(tǒng)的不凝性氣體積都集聚在冷凝器頂部，故應(yīng)從這冷凝器頂部接出混合氣管至不凝性氣體分離裝置。

4）排放空氣管接至船舷外，以防制冷劑意外排放而造成人員窒息。

5）對(duì)于混合氣體內(nèi)被冷凝的液態(tài)冷劑，臥式冷凝器可內(nèi)部循環(huán)使用，立式冷凝器可接回供液管循環(huán)使用，也可以利用高度差進(jìn)入儲(chǔ)液器中。

3 結(jié)論

控制和排放制冷系統(tǒng)中的不凝性氣體是維護(hù)制冷系統(tǒng)性能和環(huán)境保護(hù)的重要環(huán)節(jié)。本文設(shè)計(jì)的不凝性氣體自動(dòng)排放裝置可以及時(shí)檢測(cè)和排放不凝性氣體，有助于保持制冷系統(tǒng)的高效運(yùn)行，延長(zhǎng)設(shè)備壽命。同時(shí)減輕了輪機(jī)員的負(fù)擔(dān)，減少了人為失誤可能造成的制冷劑泄漏，進(jìn)而污染大氣以及危害操作人員的問(wèn)題。總的來(lái)說(shuō)，該不凝性氣體自動(dòng)排放裝置提高了排放的準(zhǔn)確性和效率，有利于環(huán)境保護(hù)和安全管理。