制冷系统冰塞分析

分析了船舶冷库制冷系统常见故障之一———冰塞产生的机理及部位、冰塞的危害及诊断,对船舶冷库系统中冰塞常易发生的部位提出了自己的处理方法,并从管理上提出了一旦出现冰塞故障后的应急处理措施。




0　引　言

冰塞是船舶冷库制冷系统常见故障之一。在实际工作中,当冷库出现制冷效果下降,冷库温度降不下来,压缩机频繁停车等现象时,都会考虑系统冰塞的可能性。对于单纯的冰塞,比较容易分析升高处理;对于多种故障造成的冰塞,往往会被现象所迷惑,如冷库内膨胀阀后有结霜现象但蒸发器上却没有,这样很难找出问题的症结。如果判断错误,将浪费大量时间和精力,也影响到冷藏食品的质量,甚至于影响船员正常生活及船舶的持续安全航行。因此必须搞清楚冰塞产生的机理、产生的部位、处理方法及预防措施,使轮机管理人员能快速正确地处理冰塞故障。

1　冰塞产生的机理及产生的部位

现有船舶冷库大都采用氟里昂为制冷剂,其中以R22为多见,而制冷剂中又不可避免地含有水分。冷剂所带的水分呈两种状态:一种是游离态水,一种是溶于冷剂中的水。后者一般不会结冰,而游离态水会在温度低于冰点的部位结冰。若结冰固着并积聚于系统中某处,便会阻碍冷剂流过,使系统不能正常制冷。氟里昂制冷剂的特点是都具有一定的溶水能力,而且其溶水能力与温度和相态有关。水在氟里昂制冷剂中的溶解度随着温度降低而大大减少。例如,R22在30℃时的溶解度为1 400 mg/kg;-30℃时,液态R22溶解度为180 mg/kg;而R22气态溶解度仅为60 mg/kg。-10℃时,液态R22溶水量约450 mg/kg;气态R22溶水量约170 mg/kg。因此,即使在常温下不含游离水的冷剂,当其运行到低温管系时,其含水量仍可能超过该温度下的饱和值而析出游离水,从而导致冰塞。
制冷系统含有少量水分,会溶解在冷剂中循环,不会产生冰塞现象。只有当系统不正常地进入较多水分,且这些水分超过了制冷系统低温部分冷剂的溶解能力而析出成为游离态的水,这些游离态的水因温度低于0℃而形成细小冰晶。在适当的位置,这些细小的冰晶会逐渐长大而形成冰核,最终形成冰塞。一般要求R22的含水量小于60 mg/kg~80 mg/kg,也就是说,在制冷要求范围内,不会有结冰现象发生。
以R22为例,在标准工况下, R22在30℃时的溶解度为1 400 mg/kg,在-15℃时为300 mg/kg。因此在冷凝温度下溶解度处于饱和状态,经节流降压后将有1 100 mg/kg的水分析出,成为游离态的水。正常工作状态系统高压部分一般很难使水的溶解度达到饱和状态,也就是高压部分很难出现游离态的水。即使有水分超过冷凝温度对应下的溶水能力,由于氟里昂的密度是水的1.2

~1.3倍,游离态的水会浮在冷凝器上部,不会随制冷剂重返低温部分。
而溶有水分的高压液态冷剂经膨胀阀节流降压,在短时间内温度迅速下降,同时冷剂状态由液态变成湿蒸汽。一方面水在液态冷剂中的溶解度随温度降低而大大减少;另一方面气态R22的饱和含水量比液态低,此时在低压部分就有可能有游离态的水析出,从而迅速冻结成细小冰晶,使冰塞故障的产生具备了可能。另外由于系统长期运转及震动等,从而造成一些部件的磨损和泄露,若系统一旦泄露,则会直接引起两种后果。第一,气态冷剂漏出系统,因气态R22的饱和含水量比液体小得多,随着气态冷剂的泄漏,系统中的含水浓度将越来越高;第二,低压管路上的泄露可能导致空气或水分直接进入系统,以致造成冰塞、滑油氧化、乳化,对机件的磨损加剧,系统脏污,导致了冷剂中水分含量大大增加。不论气态冷剂的漏出,还是空气水分的漏入都将导致冰塞的发生。
冰塞的形成除具备游离态的水温度低于冰点0℃这一条件外,还应具备以下条件方能形成冰塞:
①结成的细小冰晶能牢固地附在某处,并逐渐长大;
②形成节流后的冰核不易被冷剂冲散。
分析整个系统并结合实践,会发现冰塞往往在库温较低、膨胀阀开度较小时开始形成,此时进入蒸发器的冷剂流量小,管内流速也相对低,在这种情况下,若冷剂中有水分在低温管路内析出成细小冰晶,这些冰晶就容易附着在某一处,后续流过冷剂中析出的水分便会以这种已固着的小冰晶为晶核,不断积累。于是,冰晶逐渐长大和蔓延,直至冰塞整个流道。由于冰晶最易附着于流道形状复杂、表面粗糙、冷剂流速慢的部位,故冰塞常见于膨胀阀内滤网及膨胀阀到蒸发器前的管路中,偶而也出现于背压阀前滤网及截止阀上。
冰塞症状首先从肉库中表现出来,随着故障加重,菜库也开始冰塞,而且冰塞并不是发生在膨胀阀处,而是发生在膨胀阀后到蒸发器前这段管路内。
此外,盘管式蒸发器盘管弯头及变径处也是冰塞的高发位置。原因在于盘管式蒸发器为增大蒸发面积,管径较粗,往往是膨胀阀到蒸发器管路间管路直径的几倍。冷剂流经蒸发器后,流速明显变慢,析出的冰晶易在弯头及变径处被截留,不会被冷剂轻易冲掉,从而逐渐长大形成冰塞。



2　冰塞的危害及诊断

冰塞现象发生后,会使船舶制冷系统中进入蒸发器的冷剂流量减少,从而使蒸发器的过热度增加,制冷效果下降;整个系统的制冷剂循环量和蒸发量将减少,压缩机的产冷量下降,库温下降缓慢。如果“冰塞”严重或没有及时消除,将引起货物的变质,特别是对刚进库的货。
冰塞现象严重时,会使压缩机吸入压力下降过大而停

止工作。系统停止工作后,一部分冰将融化,冷剂沿余隙进入蒸发器,使吸入压力回升而启动。压缩机启动后,随着冷剂的循环,系统中水分在节流降压处重新凝结成冰而形成冰塞,周而复始形成恶性循环,使压缩机启停频繁,系统无法正常工作,并严重影响压缩机的使用寿命。
因此当冰塞现象发生时,必须尽快处理,以免影响船员的正常生活。必须指出,冰塞、膨胀阀脏堵及盘管式蒸发器油堵具有类似的故障现象,都会使附近管路不结霜,但是冰塞时用毛巾热敷后,冰塞点以后的管路会短时间结霜,而脏堵或油堵用毛巾热敷后则无明显变化。

3　冰塞部位的查找

发生“冰塞”后,为了及时地消除“冰塞”现象,必须能准确地发现“冰塞”部位,以便进行消除。一般有以下几种方法:
(1)分析法:膨胀阀与蒸发器的连接管小于蒸发器管子,有的有多处弯管,故连接管子及膨胀阀出口部位最易“冰塞”;
(2)经验法:一般堵塞部位前管子外面附有一层薄霜,而后面层融化,同时膨胀阀出口处可观察到结霜程度,如出口霜层变为湿霜并逐渐融化,则可初步判断为冰塞;
(3)试验法:在经验法的基础上,可将该段管子前后的截止阀门关闭,彻底清除其间管子外部的附着物;结束后,迅速开启所关闭的阀门。若一段管子有霜层,而另一段管子无霜层,则该临界处即为堵塞点或“冰塞”点。

4　冰塞的正确处理方法

发生“冰塞”时,必须及时、准确地予以消除,以免因“冰塞”而引起一系列危害。这样既给自己的工作带来便利,又能大大提高效率和经济性。现一般有以下几种消除方法:
(1)拆下冰塞元件除冰;
(2)化冰后用干燥剂吸水;
(3)用解冻剂消除;
(4)回收系统冷剂到钢瓶,再用干燥空气吹系统。
在实际工作中要注意正确区别不同情况,从而采取相应的处理方法。如对于膨胀阀处的冰塞宜采用拆洗法。发生冰塞故障后,拆下膨胀阀内的滤器进行清洗,之后用干燥的压缩空气吹干,在膨胀阀滤器清洗装复后,可将干燥器投入系统运行以进一步吸收残余水分。
以上几种方法操作前应先调换干燥剂,以免“冰塞”消除后再发生“冰塞”。

5　冰塞的预防

冰塞故障的处理是非常烦琐耗时的工作,因此,在船舶冷库的日常管理中重在防止冰塞现象的产生,也即防止水分进入制冷系统。氟利昂冷剂在生产过程中含有水分的可能性极小,系统进入水分形成冰塞的途径主要来源于两个方面:一是检修时空气进入。船舶机舱温度在45℃左右,属于一个高温高湿的环境,空气的含湿量较大,空气进入系统后就会在温度相对较低的管路及元件内壁上凝结,系统检修完后抽空时,凝结的水分很难在短时间内被抽出,随着检修

次数的增加,系统进入水分的量也会增加。系统进入水分的另一途径为补充冷剂时,由于操作不当可能使水分进入系统。
具体在管理中应注意以下几点:
(1)针对系统检修时易进入水分的特点,在日常的维护中,如更换干燥器内的干燥剂、换滑油、清洗滤器,检修热力膨胀阀和压缩机等,应正确操作,减少空气进入的量。在船舶制冷装置中,这些部件的前后都装有截止阀,在停机拆除这些部件前,必须关闭这些截止阀,同时应先关进口阀,后关出口阀。
拆检完毕装复这些部件时,应先慢慢打开进口阀以驱赶管系中的空气,装复后再打开出口阀。检修完毕后应检漏除漏,装置运行时,应使干燥器投入运行,以吸收残余水分,运行一段时间后再使干燥器旁通;
(2)系统拆过的部位一定要检漏除漏,对易漏泄的部位最好定期检查;
(3)当船舶在大风浪中航行时,为避免贮液钢瓶中悬浮水分和冷剂因船舶摇晃而混合均匀,应尽量避免此时给系统补充冷剂;
(4)在正常情况下补充冷剂时,应遵循正确的操作步骤。贮液钢瓶应向下倾斜放置,绝对禁止将贮液钢瓶倒置;连接系统充剂阀和贮液钢瓶出口阀时,应注意驱除连接软管中的空气;在充剂过程中应使干燥器投入运行;
(5)在充注新制冷剂前,应对管路系统彻底抽真空,以使系统中的水汽排净;
(6)尽量选用合格的常用厂家的制冷剂。选择质量较好的冷剂。补充剂一定要经过干燥剂,充前先换一次干燥剂,充入质量差的冷剂后,最好隔几天后再换干燥剂;
(7)充加质量难保证的冷剂时,可以用压缩机抽吸气态冷剂,这样做可防止充入游离态水,而且R22气态饱和含水量还比液态低,可少带入水分;
(8)对于一些老龄船舶,由于机械的磨损,管系的老化,系统的密封性相对较差,外部空气易进入系统而造成冰塞现象的发生,因此应用卤素灯对易漏部位经常检查密封性,发现漏泄及时解决;
(9)对于有些老龄船舶,干燥器在系统正常运行时是投入工作的,因此应经常检查干燥器内的干燥剂,如失效则应及时更新;
(10)尽量避免造成系统真空,低压继电器STOP值应大于0;
(11)对轴封、安全阀等部位要定期检查;
(12)对备用滑油应密封保存,储存在干燥舱室;
(13)增设液管潮汽指示器,对制冷剂中的水分进行监控。


6　结　语

冰塞现象已成为船舶冷库制冷系统不容忽视的问题,系统发生冰塞现象后,应根据其产生的机理及可能产生的部位,正确快速地作出诊断,以免延误时间,影响船员生活及船舶的正常续航。