陳靈江，許林滔

（臺州市特種設(shè)備檢驗檢測研究院，浙江臺州 318000）

引言

在氨制冷系統(tǒng)中的氨制冷劑中往往含有部分混合氣體，這部分混合氣體在系統(tǒng)正常運(yùn)行的冷凝溫度和冷凝壓力下是不會液化的，所以被稱為不凝性氣體。雖然一般來說占的比重不高，但它對氨制冷系統(tǒng)會產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，如不僅會降低氨制冷系統(tǒng)的制冷效率、增加能耗，而且可能使制冷設(shè)備產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂，造成設(shè)備泄漏、爆炸等非常嚴(yán)重的后果。

縱觀近幾年發(fā)生的數(shù)十起氨制冷系統(tǒng)應(yīng)力腐蝕開裂事故，研究表明均與未配置或未正常使用空氣分離器有關(guān)。特別是新系統(tǒng)投用使用三年內(nèi)或者三年內(nèi)系統(tǒng)有停用史且管理不善等情況，只要系統(tǒng)中空氣含量達(dá)到一定的量，就容易誘發(fā)氨制冷設(shè)備應(yīng)力腐蝕開裂等危害。

1 氨制冷系統(tǒng)中不凝性氣體的來源

氨制冷系統(tǒng)中的不凝性氣體主要成分是空氣，其主要來源于以下幾個方面：

1.1 系統(tǒng)新投用及維修后

新安裝的系統(tǒng)充滿空氣，需要在充裝液氨前進(jìn)行抽真空處理。制冷系統(tǒng)往往在氣密性試驗后進(jìn)行抽真空，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)剩余壓力小于5.333KPa時，保持24h，系統(tǒng)內(nèi)壓力無變化為合格。系統(tǒng)如發(fā)現(xiàn)泄漏，補(bǔ)焊后應(yīng)重新進(jìn)行氣密性試驗和抽真空試驗［1］。雖然制冷系統(tǒng)進(jìn)行了抽真空操作，但是做不到絕對真空，還是會殘留部分空氣。另外，在設(shè)備維修后按照常規(guī)做法是不做抽真空處理的，因為進(jìn)入系統(tǒng)的空氣會比較少，但是經(jīng)多次維修后，也會累積一定的量。

1.2 加氨時進(jìn)入系統(tǒng)

根據(jù)GB /T 536-2017標(biāo)準(zhǔn)灌裝液氨用鋼瓶或槽車應(yīng)定期進(jìn)行水洗、烘干，罐車在充裝前應(yīng)經(jīng)抽真空處理［2］。但如果處理不當(dāng)，液氨就會被空氣污染。同時，由于加氨時操作不當(dāng)也會進(jìn)入一部分空氣。

1.3 運(yùn)行時從外界滲入

在制冷系統(tǒng)的低壓側(cè)，如壓縮機(jī)的軸封、閥門的閥桿、管道等的連接處，由于是負(fù)壓運(yùn)行，只要存在細(xì)微的縫隙，空氣就很容易進(jìn)入到系統(tǒng)中。特別在軸封磨損的情況下，會有大量空氣進(jìn)入系統(tǒng)中。

1.4 氨及潤滑油的分解

氨及潤滑油在高溫下會分解出氫氣、氧氣和碳?xì)浠衔?，雖然這種分解的量很少，但是經(jīng)過長年累月的積累，也成為不凝性氣體的一部分。

2 不凝性氣體對氨制冷系統(tǒng)的危害

根據(jù)道爾頓分壓原理，混合氣體的總壓等于把各組分氣體單獨置于同一容器里所產(chǎn)生的壓力之和。所以，制冷系統(tǒng)的冷凝壓力是由制冷劑在冷凝溫度下對應(yīng)的冷凝壓力加各個不凝性氣體的分壓總和。因此，在同一溫度下，不凝性氣體占有的比例越多，則冷凝壓力也越高。隨著冷凝壓力的提高，冷凝溫度也會提高，壓縮機(jī)的能耗將增加。由于冷凝溫度的提高，會加速制冷系統(tǒng)中墊片等橡膠制品老化。同時，制冷量將降低，所以制冷效率降低，能耗增加。根據(jù)文獻(xiàn)，由于不凝性氣體的影響，制冷系統(tǒng)中能耗可能增加10%～50%［3］。

一般情況下，無水液氨只對鋼材產(chǎn)生輕微的均勻腐蝕，且由文獻(xiàn)［4］可知，綜合考慮介質(zhì)和材料因素，16MnR鋼材在無水液氨環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕敏感性較低。但當(dāng)液氨受到空氣污染，空氣中的氧和二氧化碳會加速氨對碳鋼的腐蝕，其反應(yīng)如下：

腐蝕反應(yīng)中產(chǎn)生的氨基甲酸銨(NH4CO2NH2)對碳鋼有強(qiáng)烈的腐蝕作用，破壞鋼表面的氧化膜，破壞的表面和未破壞的表面分別形成陽極和陰極，陽極處的金屬成為離子而被溶解破壞。在拉應(yīng)力的作用下，破壞處逐漸形成裂紋并沿縱深方向擴(kuò)展直到斷裂，這就是氨應(yīng)力腐蝕開裂。氨應(yīng)力腐蝕開裂是一種嚴(yán)重的失效形式，是脆性斷裂，沒有明顯的腐蝕減薄，無明顯的塑性變形等特點。所以往往防不勝防。

3 不凝性氣體在制冷系統(tǒng)的分布規(guī)律

系統(tǒng)中的不凝性氣體，與制冷劑蒸汽混合，被壓縮機(jī)吸入，連同不凝性氣體一起被帶到冷凝器低流速區(qū)，制冷劑被冷凝成液體，而不凝性氣體由于無法冷凝，從而聚集在冷凝器中。在冷凝器越冷的地方，不凝性氣體含量越多，由于不凝性氣體的比重比氨氣的比重大，所以不凝性氣體一般聚集在冷凝器的中下部。同時由于高壓貯氨器的液封作用，使得不凝性氣體很難進(jìn)入低壓系統(tǒng)，從而大部分不凝性氣體聚集在冷凝器中，少部分不凝性氣體聚集在高壓貯氨器的中上部。所以不凝性氣體主要分布在冷凝器的中下部和高壓貯氨器的中上部。

4 空氣分離器的設(shè)置及工作原理

通過以上分析，在氨制冷系統(tǒng)中及時排除不凝性氣體顯得尤為重要。特別是系統(tǒng)新投用和添加新的氨液時，以及停用幾個月后重新運(yùn)行等情況更要及時排出不凝性氣體。所以在大中型制冷裝置系統(tǒng)中，經(jīng)?？梢砸姷剿麄兊纳碛?。而在小型的制冷裝置系統(tǒng)中通常不設(shè)置空氣分離器，而直接從冷凝器、高壓貯氨器或排氣管上的放空閥把空氣等不凝性氣體排出。這種方法由氨機(jī)工根據(jù)冷凝溫度下相應(yīng)的冷凝壓力的高低來判斷制冷系統(tǒng)內(nèi)部是否含有較多的不凝性氣體，并決定是否排放。這種方法雖然節(jié)省投資，操作簡單、方便，但要憑氨機(jī)工經(jīng)驗，容易將制冷劑隨不凝性氣體一起排出去，不僅浪費資源，還對環(huán)境造成影響，而且也很難確定排出空氣的效果。

制冷系統(tǒng)中空氣等不凝性氣體實際上是與制冷劑蒸汽混合存在的，隨著制冷劑和不凝性氣體的混合物溫度降低，制冷劑凝結(jié)成液體，混合氣體中制冷劑所占的比例減少。例如在絕壓0.98MPa下，溫度20℃時，混合氣體中不凝性氣體占20%；保持混合氣體壓力不變，溫度降至-20℃時，不凝性氣體占87%。溫度不變，增大氣體壓力時亦有類似的結(jié)果。空氣分離器就是利用這一原理，在冷凝壓力下將混合氣體冷卻到接近冷凝溫度，使混合氣體中的大部分制冷劑蒸汽冷凝成液體，并把空氣等不凝性氣體分離出來，達(dá)到回收混合氣體中制冷劑的目的，減少制冷劑隨不凝氣體的排出對大氣的污染及浪費。

5 空氣分離器的結(jié)構(gòu)

目前，應(yīng)用最多的是立式空氣分離器和臥式空氣分離器。

5.1 立式空氣分離器

立式空氣分離器如圖1所示，其外殼一般由無縫鋼管制成，里面由一組蛇形蒸發(fā)盤管組成。它的工作原理是當(dāng)混合氣體自閥1進(jìn)入，與蒸發(fā)盤管內(nèi)的制冷劑發(fā)生熱量交換而氣化，蒸發(fā)盤管內(nèi)的氣化的制冷劑從閥2被壓縮機(jī)吸走，混合氣體的制冷劑液化流到底部，經(jīng)閥3通過供液管流入蛇形蒸發(fā)盤管，不凝性氣體便被分離出來從閥4的放空管排出。它的頂部常設(shè)有溫度計，用于測量混合氣體的溫度，從溫度計讀數(shù)來決定是否需要放空氣。當(dāng)溫度計讀數(shù)低于冷凝壓力所對應(yīng)的冷凝溫度很多時，說明空氣含量很多，需要放空氣；反之，若溫度計讀數(shù)接近于冷凝壓力所對應(yīng)的冷凝溫度時，說明空氣已經(jīng)很少了。

圖1 立式空氣分離器

5.2 臥式空氣分離器

臥式空氣分離器如圖2所示，它是由直徑不同的4根無縫鋼管組成，所以也稱為四重套管式空氣分離器。臥式空氣分離器中的管1與管3相通，管2與管4相通。高壓、常溫的制冷劑液體經(jīng)由節(jié)流閥進(jìn)入管1、管3，與管2、管4內(nèi)的混合氣體發(fā)生熱量交換而氣化，氣化的制冷劑由連接于管3的回氣管引出?；旌蠚怏w由管4進(jìn)入管2、管4內(nèi)，被管1、管3內(nèi)的高壓、常溫的制冷劑液體冷卻。其中制冷劑蒸汽凝結(jié)成液體貯存于管4底部，可通過回液管節(jié)流后回到管1、管3，重新蒸發(fā)返回系統(tǒng)。不凝性氣體便被分離出來通過管2的放空管排出。

不管是立式、臥式空氣分離器，放空管一般都是接到水桶里，放空氣時通過觀察水里的氣泡確定放空氣的效果。水桶內(nèi)氣泡在上升過程中，氣泡不縮小，水溫不升高，證明放出的是空氣。如果在上升過程中氣泡變小，水溫升高，且水呈乳白色，證明放空氣完畢，放出的是氨氣，因為氨氣溶于水，生成了乳白色的水溶液。

圖2 臥式空氣分離器

6 結(jié)束語

綜上所述，空氣分離器對于氨制冷企業(yè)節(jié)能降耗，提高制冷效率，特別是減少氨制冷系統(tǒng)設(shè)備由于氨應(yīng)力腐蝕開裂，導(dǎo)致氨泄漏發(fā)生的危害人民生命、財產(chǎn)的嚴(yán)重事故，發(fā)揮了重要的作用。目前，還有部分企業(yè)的氨制冷系統(tǒng)未設(shè)置空氣分離器，排出不凝性氣體的方法僅靠氨機(jī)工的經(jīng)驗、責(zé)任心手動進(jìn)行排放，效果不是很理想。因此，應(yīng)使氨制冷系統(tǒng)使用單位、相關(guān)人員認(rèn)識到不凝性氣體對氨制冷系統(tǒng)的危害性、設(shè)置空氣分離器的必要性，而且還要掌握正確使用空氣分離器的方法，并且在有條件的企業(yè)中盡量設(shè)置自動控制空氣分離器，將不凝性氣體對氨制冷系統(tǒng)的危害降到最低，保障氨制冷系統(tǒng)能夠高效、安全的運(yùn)行。