不同參數(shù)對熱氨融霜過程中液錘的影響研究

盧 沛，郭吉林，張翀宇，許林滔，鄭淵蔚

(臺州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心，浙江 臺州 318000)

氨由于廉價(jià)及良好的熱力學(xué)性能，使用經(jīng)驗(yàn)成熟，廣泛使用在制冷行業(yè)[1-4]。隨著速凍行業(yè)的快速發(fā)展，為了提高速凍效率，許多企業(yè)開始加裝單凍機(jī)，并普遍采用熱氨融霜工藝，融霜過程中熱氨進(jìn)口壓力約0.6MPa，溫度約100℃，使得系統(tǒng)低溫低應(yīng)力工況被破壞，造成回氣總管脫落事故頻發(fā)，臺州地區(qū)近年來有4起回氣總管管帽脫落事故。研究表明熱氨融霜過程中回氣總管內(nèi)介質(zhì)流動屬熱氨蒸汽-深冷液氨二相分層流動，沖霜閥快速開啟導(dǎo)致速度突變會易形成液擊沖擊，其多相流動液擊形成機(jī)理理論的研究在國際上也倍受學(xué)者關(guān)注[5-13]。由于氨具有毒性和在空間積累到一定程度濃度時(shí)具有潛在的爆炸危險(xiǎn)，使其在作為制冷劑使用時(shí),氨液的泄漏容易導(dǎo)致重大事故發(fā)生，國內(nèi)典型事故有上海翁牌“8.31” 重大事故。根據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，發(fā)生此類事故主要原因?yàn)椴牧洗鄶嗉耙哄N沖擊導(dǎo)致[6]。因此，本文對熱氨融霜過程中產(chǎn)生液錘的各種因素進(jìn)行模擬研究，揭示不同參數(shù)對液錘產(chǎn)生的影響，對預(yù)防同類事故發(fā)生有著重要的意義。

1 計(jì)算流體動力學(xué)模型

1.1 結(jié)構(gòu)模型及參數(shù)

根據(jù)某氨制冷企業(yè)現(xiàn)場采集的工藝和材料參數(shù)如表1，流體物性參數(shù)如表2。回氣總管的總體結(jié)構(gòu)形式及利用ANSYS軟件建立回氣總管有限元力學(xué)模型如圖1。

表1 工藝和材料參數(shù)

表2 流體物性參數(shù)表

圖1 回氣總管結(jié)構(gòu)

1.2 邊界條件

回氣總管熱氨進(jìn)口流速：V=V0+at；

回氣總管壁面條件：無滑移V=0；

壓力出口：P=0 Pa。

2 不同參數(shù)對回氣總管熱氨融霜過程液錘的影響

2.1 氨液剩余填充量對回氣總管熱氨融霜過程液錘的影響

現(xiàn)固定其它參數(shù)不變，通過改變氨液剩余填充量，分析氨液剩余填充量對回氣總管熱氨融霜過程液錘的影響。其中固定回氣總管長度50m，熱氨進(jìn)口流速設(shè)定為V=0.001+20000(t-0.0001))，其熱氨進(jìn)口流速加載見圖2。氨液剩余填充量分別取19.23%、50%、80.74%和90.12%，氨液剩余填充量對回氣總管熱氨融霜過程液錘過程的影響分析，結(jié)果如圖3所示。圖4為氨液剩余填充量與最大液錘壓力關(guān)系曲線。

圖2 熱氨進(jìn)口流速曲線

圖3 氨液剩余填充量對回氣總管熱氨融霜過程液錘過程的影響

研究結(jié)果表明液錘是在熱氨融霜過程閥門開啟瞬間的進(jìn)口流速加速過程中產(chǎn)生，當(dāng)熱氨進(jìn)口流速達(dá)到工作流速而趨于穩(wěn)定時(shí)，液錘壓力迅速減小，而趨于回氣總管的工作壓力。當(dāng)氨液剩余填充量由19.23%增加為90.12%時(shí)，回氣總管的液錘最大壓力8174627.5Pa增加為18067692Pa，回氣總管的最大液錘壓力隨著氨液剩余填充量增加而增大，且氨液剩余填充量與最大液錘壓力呈二次曲線正比關(guān)系。由此可見，避免熱氨融霜過程回氣總管液錘破壞的技術(shù)關(guān)鍵就是在熱氨融霜過程前排凈液氨，方能開啟熱氨進(jìn)氣閥，為此建議：為了避免人為誤操作造成系統(tǒng)液擊失效，應(yīng)建立液氨排凈與熱氨進(jìn)氣閥開啟的安全聯(lián)鎖裝置，確保排凈液氨后，方可開啟熱氨進(jìn)氣閥。

圖4 氨液剩余填充量與最大液錘壓力關(guān)系曲線

2.2 回氣總管管長對回氣總管熱氨融霜過程液錘的影響

現(xiàn)固定其它參數(shù)不變，通過改變回氣總管管長，分析回氣總管管長對回氣總管熱氨融霜過程液錘的影響。其中固定氨液剩余填充量為50%，熱氨進(jìn)口流速為V=0.001+20000(t-0.0001))，熱氨進(jìn)口流速增加加速度為20000 m/s2，其熱氨進(jìn)口流速加載見圖5。回氣總管管長分別取20 m、30 m、40 m、50 m、100 m和200 m，回氣總管管長對回氣總管熱氨融霜過程液錘過程的影響分析結(jié)果如圖6所示。圖7為回氣總管管長與最大液錘壓力關(guān)系曲線。

圖5 熱氨進(jìn)口流速曲線

圖6 回氣總管管長對回氣總管熱氨融霜過程液錘過程的影響

研究結(jié)果表明液錘是在熱氨融霜過程閥門開啟瞬間的進(jìn)口流速加速過程中產(chǎn)生，當(dāng)熱氨進(jìn)口流速達(dá)到工作流速而趨于穩(wěn)定時(shí)，液錘壓力迅速減小，而趨于回氣總管的工作壓力。當(dāng)回氣總管管長由20 m增加為200 m時(shí)，即回氣總管管長增加10倍，回氣總管的最大液錘壓力由8626489Pa增加為15973744Pa，即回氣總管液錘最大壓力增加1.85倍。回氣總管的最大液錘壓力隨著回氣總管管長增長而增大，且回氣總管管長與最大液錘壓力近似呈線性正比關(guān)系。由此可見，縮短回氣總管管長，有利于減小其液錘壓力。

圖7 回氣總管管長與最大液錘壓力關(guān)系曲線

3 結(jié)論

從上述分析表明，在熱氨融霜過程中，液錘液擊壓力主要取決于氨液剩余填充量和回氣總管管長；并得出以下結(jié)論：

(1)液錘是在熱氨融霜過程閥門開啟瞬間的進(jìn)口流速加速過程中產(chǎn)生，當(dāng)熱氨進(jìn)口流速達(dá)到工作流速而趨于穩(wěn)定時(shí)，液錘壓力迅速減小，而趨于回氣總管的工作壓力,液錘即刻消失；

(2)在熱氨融霜過程中，液錘液擊壓力隨著氨液剩余填充量增加而增大，且氨液剩余填充量與最大液錘壓力呈二次曲線正比關(guān)系。避免熱氨融霜過程回氣總管液錘破壞的技術(shù)關(guān)鍵就是在熱氨融霜過程前排凈液氨后，方能開啟熱氨進(jìn)氣閥；

(3)回氣總管的液錘最大壓力隨著回氣總管管長增長而增大，且回氣總管管長與最大液錘壓力近似呈線性正比關(guān)系，縮短回氣總管管長，有利于減小其液錘壓力；

(4)為了避免人為誤操作導(dǎo)致系統(tǒng)失效，應(yīng)建立液氨排凈與熱氨進(jìn)氣閥開啟的安全聯(lián)鎖裝置，確保排凈液氨后，方可開啟熱氨進(jìn)氣閥。