船用制冷系统不凝性气体自动排放装置

黄 华，许长青

（浙江国际海运职业技术学院 航海工程学院，浙江 舟山 316021）

0 引言

在远洋船舶上，由于航程长，需要大量的食物储备，一般配有伙食冷库系统；另外船舶航行于各个海域，气象条件复杂，气候多变，为了使得船员、旅客有一个舒适的生活与工作环境，一般都配有空气调节装置。这些制冷装置实际工作过程中常有不凝性气体存在，从而造成制冷系统工作性能下降，维护工作量增加。为了应对这一问题，需要一种创新的解决方案，能够有效地排放不凝性气体，维持制冷系统的高效运行。

目前，国内外船用制冷系统排除不凝性气体还是以手动式为主。这种操作方式需根据操作人员记录的系统冷凝压力表的变化情况，分析制冷系统压力变化的原因，从而判断是否由不凝性气体引起，并决定是否进行排气操作[1]。然而手动排放不凝性气体存在着一些显著的缺点和挑战。首先，手动排放不凝性气体的过程高度依赖于操作人员的经验和技巧，他们需要具备深入的专业知识和灵活的操作技能，以确保不凝性气体得以有效排除。其次，在手动排气过程中，虽然可以有效排除不凝性气体，但同时也会导致大量制冷剂的流失。这不仅对环境造成污染，还可能对大气中的臭氧层造成破坏。最后，手动排气操作还存在潜在的危险，操作人员需要接触有害的制冷剂，可能会危及操作人员的健康和安全[2]。

因此，研究和开发更智能、高效、环保的自动排放装置对于改进船用制冷系统至关重要[3]。这将有助于提高系统的性能，降低能源消耗，保护环境，减少操作人员的维护工作量和风险。本文设计了一个不凝性气体排放装置，该装置能够自动分离制冷剂与不凝性气体，将不凝性气体汇集到分离装置的顶部，当满足一定条件时，自动排放不凝性气体。

1 不凝性气体的产生和危害

1.1 不凝性气体在系统中的产生过程

蒸气压缩式制冷是现今应用最广泛的机械制冷方法，也是船舶所用的主要制冷方法，其工作原理见图1。选择在常压时沸点很低的液体作为制冷剂，经膨胀阀节流进入蒸发器的盘管中，在较低的蒸发压力（相应的蒸发温度也低）下吸热汽化，吸收冷库内食物发出的热量，从而实现制冷。为了在蒸发器中维持低压，需要压缩机将其中气态冷剂不断抽出，压送到冷凝器中去。冷凝器中的冷凝压力及相应的冷凝温度较高，这样就能用常温的水或空气作冷却介质，使气态冷剂冷凝而重新液化，然后再经膨胀阀节流送入蒸发器气化吸热，连续不断的制冷。

图1 制冷系统工作原理图

制冷系统在运行调试、操作和维修过程中，有时不可避免地会使一些空气混入制冷系统。例如，在系统运行或加注制冷剂、滑油时，若制冷装置低压系统或曲轴箱内压力低于外界大气压，空气容易由各阀门、轴封等密封不严处渗入系统[4]。此外，制冷压缩机因排气温度过高，少量制冷剂与润滑油可能分解为气体。这些空气或分解产生的气体存留在制冷系统中，随着冷剂一起参与相变反应，当进入冷凝器时，高温高压的气态冷剂释放热量被冷凝成液态冷剂，而空气和其它气体的混合气体则不会被冷凝成液体，仍以气体的形式存在，被称为不凝性气体。

1.2 不凝性气体对制冷系统的影响

不凝性气体存在于制冷系统中可能导致系统性能下降，因为会影响制冷剂的流动和相变过程，从而影响制冷效果，主要包括：

1）冷凝压力升高。冷凝器内存在不凝性气体时，它会以气膜的形式附着在制冷装置换热器表面，使冷凝器的导热系数下降，即热阻增加，致使冷凝压力和冷凝温度升高，从而导致制冷循环的压缩比增大，压缩机输气量减少，制冷量减小，制冷效率降低，压缩机功耗增加。

2）排气温度升高。不凝性气体的存在，会导致制冷压缩机的排气压力和排气温度升高，引起压缩机摩擦面的润滑条件恶化。同时，高温高压制冷剂蒸气与空气的混合气体，遇明火时有爆炸的危险。

3）润滑性能下降。在高温高压条件下，不凝性气体与润滑油中的成分可能发生化学反应，可能导致生成酸性或腐蚀性物质，损害压缩机的运动部件[5]，影响部件正常运转。

2 不凝性气体自动排放装置工作原理及关键技术

2.1 不凝性气体自动排放装置的工作原理

本文设计的不凝气体自动排放装置采用S7-1200系列PLC为主控制器，其系统组成见图2。不凝性气体自动排放装置供液管的供液电磁阀L与压缩机同步启停，热力膨胀阀G根据回气过热度的大小控制供液量。混合气体进入不凝性气体自动排放装置本体J后被换热盘管内的液态冷剂冷却降温，其中的制冷剂蒸气被冷凝成液体，不凝性气体仍以气态形式积聚在不凝性气体自动排放装置本体的顶部。由于不凝性气体冷却放出的显热远小于制冷剂液化时放出的潜热，所以不凝性气体没有发生相变，仍然是气态。气体在顶部积聚，温度越来越低，与装置底部的温差也就不断增大。温度传感器H与I将温度信号送至S7-1200 PLC，当温差达到设定值时，S7-1200 PLC控制混合气体进口电磁阀E关闭，延时开启不凝性气体排放电磁阀F，通过背压阀K缓慢向外界排放不凝性气体。通过这样的设计有助于不凝性气体的排放，同时减少制冷剂的误排放。当不凝性气体完全排放后，温度传感器H检测的温度上升，温度传感器H与I的温差逐渐降到设定值的下限，S7-1200 PLC控制电磁阀F关闭，电磁阀E开启，排放不凝性气体过程暂时结束，如此循环。

图2 不凝性气体自动排放装置

该不凝性气体排放装置的控制信号，即温差大小可根据实际制冷系统进行调节。另外装置排放次数与排放时间等相关信息也可以在液晶屏上显示，以供维护管理人员了解制冷系统的运行状态，及时采取措施，减少不凝性气体的产生。例如在维护、操作和检修制冷系统时，确保工作条件适当，避免过高的温度和压力，且定期检查和维护制冷系统，确保所有密封件、阀门和连接都处于良好状态，以减少气体渗入的机会。

2.2 不凝性气体自动排放装置的关键技术

制冷系统不凝性气体自动排放装置的关键技术包括以下3个方面：

1）检测技术。这是不凝性气体自动排放装置的核心。需要使用灵敏度高的温度传感器来间接测量制冷装置中的不凝性气体的比例。这些传感器需要具备高精度、高稳定性和快速响应的特点，以确保及时准确地检测到不凝性气体的存量将影响系统工作性能。

2）数据处理与分析技术。通过采集到的数据，需要进行数据处理和对比分析，以确定不凝性气体的比例是否超过了安全阈值。为了实现实时监测和分析，通常需要借助微处理器、嵌入式系统或计算机软件等技术手段。

3）自动控制技术。一旦检测到不凝性气体比例且超过了安全阈值，需要自动排放装置的执行机构动作，如电磁阀开启或关闭，以排放不凝性气体，但排放速度不宜过快，可在不凝性气体排放管路上安装背压阀K。

此外，不凝性气体自动排放装置的设计需要全面综合地考虑节能、环保和安全等多方面因素，以实现最佳的排放效果。在设计时，以下方面需加以考虑：

1）不凝性气体自动排放装置的供液管应从制冷系统冷凝器出口的高压液管接出，节流后作为不凝性气体自动排放装置的冷源。

2）回气管需接在蒸发温度较低、经常工作且工况稳定的蒸发回路的回气管道上，不能直接与吸入管连接，以避免供液多的时侯发生湿行程。

3）混合气体管接自冷凝器顶部。由于储液器的液封作用，使进入制冷系统的不凝性气体积都集聚在冷凝器顶部，故应从这冷凝器顶部接出混合气管至不凝性气体分离装置。

4）排放空气管接至船舷外，以防制冷剂意外排放而造成人员窒息。

5）对于混合气体内被冷凝的液态冷剂，卧式冷凝器可内部循环使用，立式冷凝器可接回供液管循环使用，也可以利用高度差进入储液器中。

3 结论

控制和排放制冷系统中的不凝性气体是维护制冷系统性能和环境保护的重要环节。本文设计的不凝性气体自动排放装置可以及时检测和排放不凝性气体，有助于保持制冷系统的高效运行，延长设备寿命。同时减轻了轮机员的负担，减少了人为失误可能造成的制冷剂泄漏，进而污染大气以及危害操作人员的问题。总的来说，该不凝性气体自动排放装置提高了排放的准确性和效率，有利于环境保护和安全管理。