空气分离器在氨制冷系统中作用简析

引言

在氨制冷系统中的氨制冷剂中往往含有部分混合气体，这部分混合气体在系统正常运行的冷凝温度和冷凝压力下是不会液化的，所以被称为不凝性气体。虽然一般来说占的比重不高，但它对氨制冷系统会产生严重的危害，如不仅会降低氨制冷系统的制冷效率、增加能耗，而且可能使制冷设备产生应力腐蚀开裂，造成设备泄漏、爆炸等非常严重的后果。

纵观近几年发生的数十起氨制冷系统应力腐蚀开裂事故，研究表明均与未配置或未正常使用空气分离器有关。特别是新系统投用使用三年内或者三年内系统有停用史且管理不善等情况，只要系统中空气含量达到一定的量，就容易诱发氨制冷设备应力腐蚀开裂等危害。

1 氨制冷系统中不凝性气体的来源

氨制冷系统中的不凝性气体主要成分是空气，其主要来源于以下几个方面：

1.1 系统新投用及维修后

新安装的系统充满空气，需要在充装液氨前进行抽真空处理。制冷系统往往在气密性试验后进行抽真空，当系统内剩余压力小于5.333KPa时，保持24h，系统内压力无变化为合格。系统如发现泄漏，补焊后应重新进行气密性试验和抽真空试验［1］。虽然制冷系统进行了抽真空操作，但是做不到绝对真空，还是会残留部分空气。另外，在设备维修后按照常规做法是不做抽真空处理的，因为进入系统的空气会比较少，但是经多次维修后，也会累积一定的量。

1.2 加氨时进入系统

根据GB /T 536-2017标准灌装液氨用钢瓶或槽车应定期进行水洗、烘干，罐车在充装前应经抽真空处理［2］。但如果处理不当，液氨就会被空气污染。同时，由于加氨时操作不当也会进入一部分空气。

1.3 运行时从外界渗入

在制冷系统的低压侧，如压缩机的轴封、阀门的阀杆、管道等的连接处，由于是负压运行，只要存在细微的缝隙，空气就很容易进入到系统中。特别在轴封磨损的情况下，会有大量空气进入系统中。

1.4 氨及润滑油的分解

氨及润滑油在高温下会分解出氢气、氧气和碳氢化合物，虽然这种分解的量很少，但是经过长年累月的积累，也成为不凝性气体的一部分。

2 不凝性气体对氨制冷系统的危害

根据道尔顿分压原理，混合气体的总压等于把各组分气体单独置于同一容器里所产生的压力之和。所以，制冷系统的冷凝压力是由制冷剂在冷凝温度下对应的冷凝压力加各个不凝性气体的分压总和。因此，在同一温度下，不凝性气体占有的比例越多，则冷凝压力也越高。随着冷凝压力的提高，冷凝温度也会提高，压缩机的能耗将增加。由于冷凝温度的提高，会加速制冷系统中垫片等橡胶制品老化。同时，制冷量将降低，所以制冷效率降低，能耗增加。根据文献，由于不凝性气体的影响，制冷系统中能耗可能增加10%～50%［3］。

一般情况下，无水液氨只对钢材产生轻微的均匀腐蚀，且由文献［4］可知，综合考虑介质和材料因素，16MnR钢材在无水液氨环境中的应力腐蚀敏感性较低。但当液氨受到空气污染，空气中的氧和二氧化碳会加速氨对碳钢的腐蚀，其反应如下：

腐蚀反应中产生的氨基甲酸铵(NH4CO2NH2)对碳钢有强烈的腐蚀作用，破坏钢表面的氧化膜，破坏的表面和未破坏的表面分别形成阳极和阴极，阳极处的金属成为离子而被溶解破坏。在拉应力的作用下，破坏处逐渐形成裂纹并沿纵深方向扩展直到断裂，这就是氨应力腐蚀开裂。氨应力腐蚀开裂是一种严重的失效形式，是脆性断裂，没有明显的腐蚀减薄，无明显的塑性变形等特点。所以往往防不胜防。

3 不凝性气体在制冷系统的分布规律

系统中的不凝性气体，与制冷剂蒸汽混合，被压缩机吸入，连同不凝性气体一起被带到冷凝器低流速区，制冷剂被冷凝成液体，而不凝性气体由于无法冷凝，从而聚集在冷凝器中。在冷凝器越冷的地方，不凝性气体含量越多，由于不凝性气体的比重比氨气的比重大，所以不凝性气体一般聚集在冷凝器的中下部。同时由于高压贮氨器的液封作用，使得不凝性气体很难进入低压系统，从而大部分不凝性气体聚集在冷凝器中，少部分不凝性气体聚集在高压贮氨器的中上部。所以不凝性气体主要分布在冷凝器的中下部和高压贮氨器的中上部。

4 空气分离器的设置及工作原理

通过以上分析，在氨制冷系统中及时排除不凝性气体显得尤为重要。特别是系统新投用和添加新的氨液时，以及停用几个月后重新运行等情况更要及时排出不凝性气体。所以在大中型制冷装置系统中，经常可以见到他们的身影。而在小型的制冷装置系统中通常不设置空气分离器，而直接从冷凝器、高压贮氨器或排气管上的放空阀把空气等不凝性气体排出。这种方法由氨机工根据冷凝温度下相应的冷凝压力的高低来判断制冷系统内部是否含有较多的不凝性气体，并决定是否排放。这种方法虽然节省投资，操作简单、方便，但要凭氨机工经验，容易将制冷剂随不凝性气体一起排出去，不仅浪费资源，还对环境造成影响，而且也很难确定排出空气的效果。

制冷系统中空气等不凝性气体实际上是与制冷剂蒸汽混合存在的，随着制冷剂和不凝性气体的混合物温度降低，制冷剂凝结成液体，混合气体中制冷剂所占的比例减少。例如在绝压0.98MPa下，温度20℃时，混合气体中不凝性气体占20%；保持混合气体压力不变，温度降至-20℃时，不凝性气体占87%。温度不变，增大气体压力时亦有类似的结果。空气分离器就是利用这一原理，在冷凝压力下将混合气体冷却到接近冷凝温度，使混合气体中的大部分制冷剂蒸汽冷凝成液体，并把空气等不凝性气体分离出来，达到回收混合气体中制冷剂的目的，减少制冷剂随不凝气体的排出对大气的污染及浪费。

5 空气分离器的结构

目前，应用最多的是立式空气分离器和卧式空气分离器。

5.1 立式空气分离器

立式空气分离器如图1所示，其外壳一般由无缝钢管制成，里面由一组蛇形蒸发盘管组成。它的工作原理是当混合气体自阀1进入，与蒸发盘管内的制冷剂发生热量交换而气化，蒸发盘管内的气化的制冷剂从阀2被压缩机吸走，混合气体的制冷剂液化流到底部，经阀3通过供液管流入蛇形蒸发盘管，不凝性气体便被分离出来从阀4的放空管排出。它的顶部常设有温度计，用于测量混合气体的温度，从温度计读数来决定是否需要放空气。当温度计读数低于冷凝压力所对应的冷凝温度很多时，说明空气含量很多，需要放空气；反之，若温度计读数接近于冷凝压力所对应的冷凝温度时，说明空气已经很少了。

图1 立式空气分离器

5.2 卧式空气分离器

卧式空气分离器如图2所示，它是由直径不同的4根无缝钢管组成，所以也称为四重套管式空气分离器。卧式空气分离器中的管1与管3相通，管2与管4相通。高压、常温的制冷剂液体经由节流阀进入管1、管3，与管2、管4内的混合气体发生热量交换而气化，气化的制冷剂由连接于管3的回气管引出。混合气体由管4进入管2、管4内，被管1、管3内的高压、常温的制冷剂液体冷却。其中制冷剂蒸汽凝结成液体贮存于管4底部，可通过回液管节流后回到管1、管3，重新蒸发返回系统。不凝性气体便被分离出来通过管2的放空管排出。

不管是立式、卧式空气分离器，放空管一般都是接到水桶里，放空气时通过观察水里的气泡确定放空气的效果。水桶内气泡在上升过程中，气泡不缩小，水温不升高，证明放出的是空气。如果在上升过程中气泡变小，水温升高，且水呈乳白色，证明放空气完毕，放出的是氨气，因为氨气溶于水，生成了乳白色的水溶液。

图2 卧式空气分离器

6 结束语

综上所述，空气分离器对于氨制冷企业节能降耗，提高制冷效率，特别是减少氨制冷系统设备由于氨应力腐蚀开裂，导致氨泄漏发生的危害人民生命、财产的严重事故，发挥了重要的作用。目前，还有部分企业的氨制冷系统未设置空气分离器，排出不凝性气体的方法仅靠氨机工的经验、责任心手动进行排放，效果不是很理想。因此，应使氨制冷系统使用单位、相关人员认识到不凝性气体对氨制冷系统的危害性、设置空气分离器的必要性，而且还要掌握正确使用空气分离器的方法，并且在有条件的企业中尽量设置自动控制空气分离器，将不凝性气体对氨制冷系统的危害降到最低，保障氨制冷系统能够高效、安全的运行。