船用制冷系統不凝性氣體自動排放裝置

黃 華，許長青

（浙江國際海運職業技術學院 航海工程學院，浙江 舟山 316021）

0 引言

在遠洋船舶上，由于航程長，需要大量的食物儲備，一般配有伙食冷庫系統；另外船舶航行于各個海域，氣象條件復雜，氣候多變，為了使得船員、旅客有一個舒適的生活與工作環境，一般都配有空氣調節裝置。這些制冷裝置實際工作過程中常有不凝性氣體存在，從而造成制冷系統工作性能下降，維護工作量增加。為了應對這一問題，需要一種創新的解決方案，能夠有效地排放不凝性氣體，維持制冷系統的高效運行。

目前，國內外船用制冷系統排除不凝性氣體還是以手動式為主。這種操作方式需根據操作人員記錄的系統冷凝壓力表的變化情況，分析制冷系統壓力變化的原因，從而判斷是否由不凝性氣體引起，并決定是否進行排氣操作[1]。然而手動排放不凝性氣體存在著一些顯著的缺點和挑戰。首先，手動排放不凝性氣體的過程高度依賴于操作人員的經驗和技巧，他們需要具備深入的專業知識和靈活的操作技能，以確保不凝性氣體得以有效排除。其次，在手動排氣過程中，雖然可以有效排除不凝性氣體，但同時也會導致大量制冷劑的流失。這不僅對環境造成污染，還可能對大氣中的臭氧層造成破壞。最后，手動排氣操作還存在潛在的危險，操作人員需要接觸有害的制冷劑，可能會危及操作人員的健康和安全[2]。

因此，研究和開發更智能、高效、環保的自動排放裝置對于改進船用制冷系統至關重要[3]。這將有助于提高系統的性能，降低能源消耗，保護環境，減少操作人員的維護工作量和風險。本文設計了一個不凝性氣體排放裝置，該裝置能夠自動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，當滿足一定條件時，自動排放不凝性氣體。

1 不凝性氣體的產生和危害

1.1 不凝性氣體在系統中的產生過程

蒸氣壓縮式制冷是現今應用最廣泛的機械制冷方法，也是船舶所用的主要制冷方法，其工作原理見圖1。選擇在常壓時沸點很低的液體作為制冷劑，經膨脹閥節流進入蒸發器的盤管中，在較低的蒸發壓力（相應的蒸發溫度也低）下吸熱汽化，吸收冷庫內食物發出的熱量，從而實現制冷。為了在蒸發器中維持低壓，需要壓縮機將其中氣態冷劑不斷抽出，壓送到冷凝器中去。冷凝器中的冷凝壓力及相應的冷凝溫度較高，這樣就能用常溫的水或空氣作冷卻介質，使氣態冷劑冷凝而重新液化，然后再經膨脹閥節流送入蒸發器氣化吸熱，連續不斷的制冷。

圖1 制冷系統工作原理圖

制冷系統在運行調試、操作和維修過程中，有時不可避免地會使一些空氣混入制冷系統。例如，在系統運行或加注制冷劑、滑油時，若制冷裝置低壓系統或曲軸箱內壓力低于外界大氣壓，空氣容易由各閥門、軸封等密封不嚴處滲入系統[4]。此外，制冷壓縮機因排氣溫度過高，少量制冷劑與潤滑油可能分解為氣體。這些空氣或分解產生的氣體存留在制冷系統中，隨著冷劑一起參與相變反應，當進入冷凝器時，高溫高壓的氣態冷劑釋放熱量被冷凝成液態冷劑，而空氣和其它氣體的混合氣體則不會被冷凝成液體，仍以氣體的形式存在，被稱為不凝性氣體。

1.2 不凝性氣體對制冷系統的影響

不凝性氣體存在于制冷系統中可能導致系統性能下降，因為會影響制冷劑的流動和相變過程，從而影響制冷效果，主要包括：

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

2）排氣溫度升高。不凝性氣體的存在，會導致制冷壓縮機的排氣壓力和排氣溫度升高，引起壓縮機摩擦面的潤滑條件惡化。同時，高溫高壓制冷劑蒸氣與空氣的混合氣體，遇明火時有爆炸的危險。

3）潤滑性能下降。在高溫高壓條件下，不凝性氣體與潤滑油中的成分可能發生化學反應，可能導致生成酸性或腐蝕性物質，損害壓縮機的運動部件[5]，影響部件正常運轉。

2 不凝性氣體自動排放裝置工作原理及關鍵技術

2.1 不凝性氣體自動排放裝置的工作原理

本文設計的不凝氣體自動排放裝置采用S7-1200系列PLC為主控制器，其系統組成見圖2。不凝性氣體自動排放裝置供液管的供液電磁閥L與壓縮機同步啟停，熱力膨脹閥G根據回氣過熱度的大小控制供液量?；旌蠚怏w進入不凝性氣體自動排放裝置本體J后被換熱盤管內的液態冷劑冷卻降溫，其中的制冷劑蒸氣被冷凝成液體，不凝性氣體仍以氣態形式積聚在不凝性氣體自動排放裝置本體的頂部。由于不凝性氣體冷卻放出的顯熱遠小于制冷劑液化時放出的潛熱，所以不凝性氣體沒有發生相變，仍然是氣態。氣體在頂部積聚，溫度越來越低，與裝置底部的溫差也就不斷增大。溫度傳感器H與I將溫度信號送至S7-1200 PLC，當溫差達到設定值時，S7-1200 PLC控制混合氣體進口電磁閥E關閉，延時開啟不凝性氣體排放電磁閥F，通過背壓閥K緩慢向外界排放不凝性氣體。通過這樣的設計有助于不凝性氣體的排放，同時減少制冷劑的誤排放。當不凝性氣體完全排放后，溫度傳感器H檢測的溫度上升，溫度傳感器H與I的溫差逐漸降到設定值的下限，S7-1200 PLC控制電磁閥F關閉，電磁閥E開啟，排放不凝性氣體過程暫時結束，如此循環。

圖2 不凝性氣體自動排放裝置

該不凝性氣體排放裝置的控制信號，即溫差大小可根據實際制冷系統進行調節。另外裝置排放次數與排放時間等相關信息也可以在液晶屏上顯示，以供維護管理人員了解制冷系統的運行狀態，及時采取措施，減少不凝性氣體的產生。例如在維護、操作和檢修制冷系統時，確保工作條件適當，避免過高的溫度和壓力，且定期檢查和維護制冷系統，確保所有密封件、閥門和連接都處于良好狀態，以減少氣體滲入的機會。

2.2 不凝性氣體自動排放裝置的關鍵技術

制冷系統不凝性氣體自動排放裝置的關鍵技術包括以下3個方面：

1）檢測技術。這是不凝性氣體自動排放裝置的核心。需要使用靈敏度高的溫度傳感器來間接測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、高穩定性和快速響應的特點，以確保及時準確地檢測到不凝性氣體的存量將影響系統工作性能。

2）數據處理與分析技術。通過采集到的數據，需要進行數據處理和對比分析，以確定不凝性氣體的比例是否超過了安全閾值。為了實現實時監測和分析，通常需要借助微處理器、嵌入式系統或計算機軟件等技術手段。

3）自動控制技術。一旦檢測到不凝性氣體比例且超過了安全閾值，需要自動排放裝置的執行機構動作，如電磁閥開啟或關閉，以排放不凝性氣體，但排放速度不宜過快，可在不凝性氣體排放管路上安裝背壓閥K。

此外，不凝性氣體自動排放裝置的設計需要全面綜合地考慮節能、環保和安全等多方面因素，以實現最佳的排放效果。在設計時，以下方面需加以考慮：

1）不凝性氣體自動排放裝置的供液管應從制冷系統冷凝器出口的高壓液管接出，節流后作為不凝性氣體自動排放裝置的冷源。

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

3）混合氣體管接自冷凝器頂部。由于儲液器的液封作用，使進入制冷系統的不凝性氣體積都集聚在冷凝器頂部，故應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）對于混合氣體內被冷凝的液態冷劑，臥式冷凝器可內部循環使用，立式冷凝器可接回供液管循環使用，也可以利用高度差進入儲液器中。

3 結論

控制和排放制冷系統中的不凝性氣體是維護制冷系統性能和環境保護的重要環節。本文設計的不凝性氣體自動排放裝置可以及時檢測和排放不凝性氣體，有助于保持制冷系統的高效運行，延長設備壽命。同時減輕了輪機員的負擔，減少了人為失誤可能造成的制冷劑泄漏，進而污染大氣以及危害操作人員的問題。總的來說，該不凝性氣體自動排放裝置提高了排放的準確性和效率，有利于環境保護和安全管理。