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氨制冷的暗隐患

2016-06-01 11:25:49 山东紫翔化工销售有限公司 阅读

 制冷系统净化包含二个主要部分
1、 除去积存在制冷系统高压部分的空气等不凝性气体,提高冷凝器效率,降低系统冷凝压力和压缩机排气温度,从而降低压缩机电机的输入功率,提高压缩机的制冷量。
2、 氨制冷剂被水污染后,其热力性能和物理性能比较纯氨都有不利于制冷的较大改变,要维持相同低的蒸发器温度,需使蒸发压力降得更低。这样就降低了系统制冷能力,增加系统运转时间,增大系统能耗。氨制冷系统的制冷剂净化除水能极大保证系统具有尽可能高的蒸发压力,提高制冷系统的COP值。

人们不重视氨制冷系统的水污染
一直以来,在工业氨制冷系统的建设、设计、安装、运行、操作、维护、管理等诸方面和诸过程,人们对于氨制冷剂水污染对系统性能影响的严重性都忽视了。

氨制冷剂水污染的来源
在工业氨制冷系统,污染制冷剂的水的来源可分成二个期。一是安装和初始运转期,二是日常运转维护期。
1. 制冷系统建设和初始运转
新装容器遗留的水。水试压后,没有完全排净导致残留;制冷系统安装时,雨水等水分通过开启的管路或焊口进入;系统管道安装时,在管内、容器内凝结一部分水分;采用压缩空气为系统气密性试压时,在系统内部凝结的水分;系统排污时,操作不当,使设备、管道的水分排出不彻底;充装制冷剂时,制冷剂本身达不到质量标准,水分和杂质含量超标。
2. 系统投入日常运行
系统低压设备和管路有漏点,使水分在系统压力为负压时进入;
低压设备、容器及管路放油或泄氨时操作不当,致使水分被吸入处于负压的容器或管道,甚至充满容器;
正常运转情况下,低压容器、管路、附件等处于负压(真空)状态,空气、水分通过阀杆、活接、法兰、丝扣等活动连接处,压缩机、冷剂泵等运转设备轴封处泄漏进入系统内;
处于负压(真空)工作状态的蒸发器换热盘管,若有泄漏,则进入系统内的水分量更大,且操作人员更不易察觉;制冷系统、设备及部件排空操作不规范、不彻底,致使系统在维护、检修后进入空气和水分;
系统内发生复杂的化学反应,在氨、氧气、水、油类以及污泥等杂物之间产生化学反应产生游离的水。
系统投入正常运行后,要彻底避免氨制冷剂的水污染是不可能的。很经常地,制冷设备操作人员,甚至系统管理、维护工程师都不会对氨制冷剂水污染的危害性,对系统性能和效率的不利影响有足够的认识和重视。如果没有特别设备和措施将系统里制冷剂污染的水清除掉,通过各种渠道和方式进入系统里的水分永远在制冷系统里留存。随时间推移,这些极为有害的水分会越积越多,并同制冷剂一起参与循环,严重降低制冷系统的制冷效率,减少制冷压缩机的制冷量,增加系统运转时间和能耗。

详细分析水分进入情形,尤其是怎样在人们毫不察觉情况下进入的
1、一个瓶试验清晰地显示了氨和水之间具有很强的亲和力。将充满制冷系统氨蒸汽的瓶子口朝下浸入水里,不要使瓶子整体没入水里,只是瓶口部分在水下。慢慢地,水进入瓶子里,一直到稳定的平衡水位。实验说明,瓶子里的氨蒸汽溶解在水里,减少了瓶子的压力,使其具有一定的真空度,从而将水吸进瓶子里并形成一定水位。试验提示我们,当制冷系统、设备或管路部件排空并将排空管路接进有水的容器时,在排空管路系统设置高效、可靠的单向阀是很重要的。经常地,浸没入水里的排空管要设置一个阀门,排空时,该阀呈开启状。排空进行中必须使系统或部件具有一定正压力,此时不必将排空管抬升出水面。如果使用透明的、能看清水流的排空管路,操作人员可观察到是否有水吸入到排空管路里,这种情况下,可不设排空单向阀。
2、在达到真空状态低温运行的制冷系统的低压容器或管路向外排放油和制冷剂时,尤其是排向充满水的容器里时,排空管上总要设置单向阀以避免水倒流进系统里。即使如此,也应保证排空系统和管路压力高于大气压力。但总有阀门泄漏和操作失误,从而使排空压力低于大气压力使排空系统处于真空状态,使水倒流进排空系统里。此时,排空单向阀就起作用了。
3、工厂里与水接触的加工设备,尤其像制冰机等,压力通常处于正压。然而,因为制冷系统或加工设备本身的操作调整需要,常常使得加工设备系统内降压至负压。此时即有若干渠道可能使系统进水。对此类设备,建议在回气管路上设置蒸发压力调整阀,以保证蒸发器压力不低于大气压力。
4、制冷系统的低压部分,在系统压力低于大气压力时,从密封不紧密处、连接松动处进入空气,而空气携带着水蒸汽。此时,空气里的水蒸汽与系统里的氨迅速反应,被氨吸收。空气被压缩机随氨一起提高压力并排入冷凝器,转化成高压氨液进入高压贮氨器。根据道尔顿定律,空气压力将占据一部分冷凝压力。更重要地,空气在冷凝器换热面上形成一层热阻,导致冷凝器换热性能大大下降。制冷系统的高压部分积聚太多的空气后,冷凝压力被强迫升得很高。
5、积聚在高压系统的空气可通过手动或自动放空器排放掉,可随空气进入系统里的水蒸汽却总是留存着。以这种方式进入的水量,取决于进入系统里的空气量和空气的含水量。如果放空气是根据需要人工操作的话,对进入系统的空气量操作人员可有大致推断。利用自动空气分离器放空气时,就必须安装放空气自动计数装置,以对系统进入的空气量有总体把握。
6、管路系统破裂时,可导致极短时间内发生大量水进入系统,产生极严重水污染。随空气进入(人们不注意)的水量的确定
设一台自动空气分离器的持续排气量为 5 L/min,系统泄漏空气点的空气温度为20℃,相对湿度为80%。则每泄露进系统1000 L空气,则带进13.84 g的水量。
核算:
5 L × 1/1000 L × 13.84 g × 60 min = 4.15 g 水/ h 或:
4.15 g/h × 1/1000 L × 24 h × 365 天 = 36.35 kg 水/ 年制冷系统运行十年以后,有363.5 kg 水进入系统。

水污染使制冷系统性能降低和能耗加大
1、 氨让水污染成为氨水溶液后,其热力学性能和物理性能变化较大。要使蒸发器维持相同低的蒸发器温度,需使蒸发压力降得更低。这就使得制冷系统的制冷能力大大降低,同时增加了压缩机的功耗。

举例说明
  一台采用板式换热器的冷水机组,制冷量为500 kw ,蒸发压力为3 bar (绝对),当氨制冷剂的纯度为100%时,其蒸发温度为 -9.23 ℃。采用板式换热器的冷水机组因为换热效率高,氨制冷剂充装量通常很少,而且蒸发温度与被冷却流体间的换热温差一般在3-4 (℃)。
  设定板式换热器采用湿式蒸发,则在蒸发器和分离器里充装的氨液约有22 kg。这意味着2.2 kg水即可达10%的水污染,4.4 kg水即可达20%的水污染。
  设定板式换热器采用干式蒸发,则在蒸发器里充装的氨液约有5 L。这意味着0.5 kg水即可达10%的水污染,1 kg水即可达20%的水污染。
在水污染达10%蒸发器里,同样在蒸发压力为3 bar(绝对)时,其蒸发温度提高到-6.69 ℃。
在水污染达20%蒸发器里,同样在蒸发压力为3 bar(绝对)时,其蒸发温度提高到-3.16 ℃。
  如此看来,制冷剂被水污染的冷水机组不能达到设计的降温冷却温度要求,经常地,技术服务工程师被要求解决问题。如果工程师不了解氨制冷剂被水污染后其水溶液饱和温度升高的变化情况,很自然地,他将故障原因归于蒸发器回气过热度大。在找寻过热度大的原因时,他可能考虑许多事情:阀门、过滤器、蒸发器传热、温度和压力传感器等。在所有这些努力中,最应该清楚地弄明白的事是:蒸发器压力表上的压力和温度对应指示不再准确、不再真实反映制冷工况了!
  更应该注意! 在由热力膨胀阀控制供液的系统中,水污染制冷剂后,其饱和温度提高了,导致热力膨胀阀误动作,使得进入蒸发器的氨液过量,可发生压缩机“潮车)事故。
2、 氨制冷剂被水污染后,随着低吸气压力严重影响着制冷效率COP值,低温工况的系统性能降低的更大,情况更严重。一个最差状况计算举例可说明:
  制冷系统工况为蒸发温度-42 ℃,冷凝温度30 ℃,采用螺杆压缩机。假定蒸发器的水污染浓度为10%和最差状况的20%时,系统制冷量和功耗受到影响。
制冷系数
COP值工况一:蒸发器里 100% 的氨和0% 的水
ET = -42 ℃,EP = 0.64 bar(abs) CT = 30 ℃
制冷量:361.7 kw
轴功率:252.6 kw
COP = 1.43

工况二:蒸发器里 90% 的氨和10% 的水
ET = -42 ℃,EP = 0.59 bar(abs) CT = 30 ℃
制冷量:327.1 kw
轴功率:248.6 kw
COP = 1.32

工况三:蒸发器里 80% 的氨和20% 的水
ET = -42 ℃,EP = 0.51 bar(abs) CT = 30 ℃
制冷量:278.8 kw
轴功率:241.1 kw
COP = 1.16
  三种工况的运转记录分析结果显示,水污染导致严重的压缩机制冷量减少和制冷系数COP降低。
水污染后,制冷系统功耗增多了
假定系统每天运行10h,一年运行300天。在以上三种工况下,计算制取同样的制冷量,所需不同的功耗。
定义:COP = 制冷量 ÷ 功耗
工况一:蒸发器里 100% 的氨和0% 的水
每1000kw制冷量的功耗为:
1000 ÷ 1.43 = 699.3 kw
则一年的运转功耗为:
10 × 300 × 699.3 = 2097900 kwh

工况二:蒸发器里 90% 的氨和10% 的水
每1000kw制冷量的功耗为:
1000 ÷ 1.32 = 757.6 kw
则一年的运转功耗为:
10 × 300 × 757.6 = 2272800 kwh
制取1000kw制冷量,运行一年多支出功耗:
2272800 – 2097900 = 174900 kwh

工况三:蒸发器里 80% 的氨和20% 的水
每1000kw制冷量的功耗为:
1000 ÷ 1.16 = 862.1 kw
则一年的运转功耗为:
10 × 300 × 862.1 = 2586300 kwh
制取1000kw制冷量,运行一年的多支出功耗:
2586300 – 2097900 = 488400 kwh
除制冷量减少和功耗增加外,更是严重的能源浪费和更多的环境污染。

水污染引致化学反应
  纯净的无水氨在制冷系统里的化学活性不很强,但是被水污染的氨却具有很强的化学活性。
  真正纯净的没有任何水分的纯氨对铜无腐蚀作用。但是只要有一点水分溶于氨中,氨就形成化学活性很强的“氢氧化铵”!