制冷壓力容器的安全閥泄放口徑計(jì)算方法探討

熊從貴，何 靜，林家鋒

(臺(tái)州龍江化工機(jī)械科技有限公司，浙江溫嶺 317500)

0 引言

制冷壓力容器工作在蒸氣壓縮制冷循環(huán)中，蒸氣壓縮制冷循環(huán)是氣態(tài)制冷劑經(jīng)壓縮機(jī)加壓后冷凝成液化氣體，液態(tài)制冷劑經(jīng)節(jié)流膨脹、吸收外界熱量后蒸發(fā)成氣態(tài)，氣態(tài)制冷劑再被吸入壓縮機(jī)進(jìn)入下一次壓縮循環(huán)[1-3]。蒸氣壓縮制冷循環(huán)中壓力容器承受的內(nèi)壓力等于制冷劑的飽和蒸氣壓力，制冷系統(tǒng)以節(jié)流膨脹元件為界被分為高壓側(cè)、低壓側(cè)，高壓側(cè)的工作壓力等于制冷劑在冷凝溫度下的飽和蒸氣壓力，低壓側(cè)的工作壓力等于制冷劑在蒸發(fā)溫度下的飽和蒸氣壓力。低壓側(cè)的設(shè)備通常工作在0 ℃以下，其飽和蒸氣壓力較低。按照產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的要求，高壓側(cè)的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)高于50 ℃的制冷劑飽和蒸氣壓力，低壓側(cè)的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)不低于38 ℃時(shí)的制冷劑飽和蒸氣壓力。

制冷系統(tǒng)中凡是有閥門切斷的獨(dú)立的容器或管道均應(yīng)設(shè)置超壓泄放裝置，因爆破片使用條件的局限性，很少在制冷系統(tǒng)中采用，制冷系統(tǒng)中的超壓泄放裝置通常為安全閥，很多研究人員對(duì)低溫儲(chǔ)罐的安全泄放量計(jì)算方法進(jìn)行了分析、討論[4-9]。我國(guó)于1988年制定了首部制冷壓力容器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)ZB J73003—88《制冷用鋼制焊接壓力容器技術(shù)條件》，已歷經(jīng)5次修訂，最新標(biāo)準(zhǔn)為NB/T 47012—2020《制冷裝置用壓力容器》。安全閥的選型計(jì)算方法也歷經(jīng)了3次修改。1993年以前，制冷壓力容器的安全閥泄放口徑的計(jì)算方法與GB 150—89《鋼制壓力容器》一致；從1993年版開(kāi)始，安全閥泄放口徑的計(jì)算方法采用JIS B8240—1986《致冷用壓力容器的結(jié)構(gòu)》；2020年開(kāi)始，安全閥泄放口徑的計(jì)算方法采用ISO 5149：2014RefrigeratingSystemsandHeatPumps—SafetyandEnvironmentalRequirements，參考了ASHRAE 15—2019SafetyStandardforRefrigerationSystems，3種計(jì)算方法完全不同。由于GB 150—89中關(guān)于液化氣體安全泄放量的計(jì)算方法與GB/T 150.1—2011《壓力容器 第1部分:通用要求》是一致的，文中舉例計(jì)算時(shí)，采用GB/T 150.1—2011的計(jì)算公式。吳全龍等[10-12]對(duì)GB/T 150.1—2011附錄B中盛裝液化氣體容器在火災(zāi)時(shí)的安全泄放量計(jì)算公式進(jìn)行了推導(dǎo)，并對(duì)泄放量的計(jì)算方法進(jìn)行了比較分析，從真空絕熱低溫容器失效模式及安全泄放裝置類型選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)置、設(shè)定壓力和排放壓力的確定等方面進(jìn)行分析比較；史斐菲等[13]對(duì)真空絕熱深冷壓力容器的安全泄放量計(jì)算公式進(jìn)行推導(dǎo)分析，探討了公式適用條件；熊從貴等[14-16]分析了安全閥的泄放系統(tǒng)對(duì)安全泄放量的影響。但是，制冷壓力容器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中安全閥泄放口徑的計(jì)算方法與GB/T 150.1—2011存在哪些差異，計(jì)算方法是否科學(xué)，至今還未見(jiàn)有公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)分析過(guò)。

本文通過(guò)舉例，運(yùn)用GB 150—89《鋼制壓力容器》、JB/T 6917—1993《制冷裝置用壓力容器》和NB/T 47012—2020《制冷裝置用壓力容器》的計(jì)算方法，計(jì)算出制冷壓力容器的安全閥泄放口徑，并進(jìn)行對(duì)比分析。

1 制冷壓力容器的安全閥泄放口徑的計(jì)算

1.1 GB 150—89的計(jì)算方法

根據(jù)容器不同的工作介質(zhì)，先按照不同的計(jì)算公式計(jì)算容器的安全泄放量，再計(jì)算出所需安全閥的泄放面積，實(shí)際選用安全閥泄放面積不小于所需安全閥泄放面積即滿足要求。

1.1.1 高壓側(cè)

根據(jù)制冷壓力容器的工作特點(diǎn)，高壓側(cè)壓力容器主要有換熱容器(冷凝器)、貯存容器，一般情況下高壓側(cè)壓力容器都無(wú)絕熱保溫層。冷凝器的安全泄放量應(yīng)為與其相連接的所有制冷壓縮機(jī)的最大排氣量之和，對(duì)于系列化的冷凝器，應(yīng)在設(shè)計(jì)圖樣上注明適用的制冷壓縮機(jī)最大排氣量。貯存容器盛裝的是常溫液化氣體，根據(jù)容器的受熱面積、所處環(huán)境、液化氣體的汽化潛熱，容器安全泄放量采用下式計(jì)算：

(1)

式中，Ws為容器安全泄放量，kg/h；F為環(huán)境系數(shù)，具體按GB 150—89選取；Ar為容器受熱面積，m2，根據(jù)容器不同的形狀和放置方式，受熱面積的具體計(jì)算公式按GB 150—89選??；q為泄放壓力下液化氣體的汽化潛熱，kJ/kg。

盛裝液化氣體的容器安全泄放量實(shí)質(zhì)為每小時(shí)內(nèi)容器通過(guò)罐壁表面吸收的熱量與泄放壓力下液化氣體的汽化潛熱之比值。液化氣體的汽化潛熱越小，表示其每汽化單位質(zhì)量的液化氣體所需要的熱量越小，即該液化氣體越容易汽化。

1.1.2 低壓側(cè)

制冷系統(tǒng)低壓側(cè)壓力容器均在低溫下工作，低壓側(cè)壓力容器均有完整的絕熱保溫層，根據(jù)低壓側(cè)壓力容器的用途，分為換熱容器、貯存容器和分離容器。制冷系統(tǒng)低壓側(cè)換熱器的安全泄放量為每小時(shí)內(nèi)的熱輸入量與液化氣體在泄放壓力下的汽化潛熱之比值，例如載冷劑換熱器(蒸發(fā)器)的安全泄放量可用下式計(jì)算：

(2)

式中，w為載冷劑質(zhì)量流量，kg/h；Cp為載冷劑的平均比熱容，kJ/(kg·℃)；ΔT為進(jìn)出口的載冷劑溫差，℃。

低壓側(cè)貯存容器只用于貯存低溫液化制冷劑，其安全泄放量按下式計(jì)算：

(3)

式中，t為泄放壓力下液化氣體的飽和溫度，℃；λ為常溫下絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)，kJ/(m·h·℃)；δ為絕熱材料的厚度，m。

制冷系統(tǒng)低壓側(cè)的分離容器一般具有兩種用途，一是貯存一定量的低溫液體制冷劑，用于向蒸發(fā)器供液；二是蒸發(fā)器中蒸發(fā)出來(lái)的氣體制冷劑在分離容器中進(jìn)行氣、液分離，氣體被制冷壓縮機(jī)吸走，液體沉降到分離容器下部后再次供往蒸發(fā)器。基于制冷系統(tǒng)低壓側(cè)的分離容器的工作特點(diǎn)，其安全泄放量為進(jìn)入分離容器的制冷劑氣體與分離容器下部的液體制冷劑受熱后汽化生成的制冷劑氣體之和。對(duì)于系列化設(shè)計(jì)的分離容器，因難以獲得與之相連的蒸發(fā)器中蒸發(fā)后進(jìn)入分離容器內(nèi)的制冷劑氣體量，這部分制冷劑氣體泄放量可按下式計(jì)算：

Ws=3600uAυ

(4)

式中，u為分離容器內(nèi)制冷劑氣體的最大流速，m/s,臥式分離容器取u=0.8 m/s,立式分離容器取u=0.5 m/s；A為分離器內(nèi)的氣相流通橫截面積，m2,臥式分離器的流通橫截面積為最高液位線以上的圓筒弓形面積，立式分離器的流通橫截面積為圓筒的圓形截面積；υ為制冷劑標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)下的氣體比容，kg/m3。

制冷系統(tǒng)低壓側(cè)分離容器的安全泄放量為公式(3)(4)計(jì)算結(jié)果之和。公式(3)采用GB/T 150.1—2011，為單位時(shí)間內(nèi)分離容器下部液化制冷劑受熱后的汽化量；公式(4)為制冷系統(tǒng)中蒸發(fā)器汽化后的制冷劑氣體在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入分離容器上部的氣體量。

1.2 JB/T 6917—1993的計(jì)算方法

我國(guó)從1988年制定ZB J73003—1988《制冷用鋼制焊接壓力容器技術(shù)條件》以來(lái)，該標(biāo)準(zhǔn)至今已歷經(jīng)5次修訂，安全閥泄放口徑的計(jì)算方法也歷經(jīng)3次重大變化。從1993年版開(kāi)始至2010年版，安全閥泄放口徑的計(jì)算方法采用JIS B8240—1986的計(jì)算方法，該方法計(jì)算簡(jiǎn)單、快捷，計(jì)算公式如下：

(5)

式中，d為全啟式安全閥的最小泄放口徑，mm；C1為常數(shù)，在JB/T 6917—1993附錄B中選??；Do為壓力容器的外徑，m；L為壓力容器的總長(zhǎng)，m。

公式(5)由日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)查會(huì)第一次提出，是對(duì)用于盛裝制冷劑的安全閥泄放口徑的簡(jiǎn)單估算，考慮了盛裝制冷劑的容器的受熱面積對(duì)容器內(nèi)制冷劑在單位時(shí)間內(nèi)的汽化量的影響，并根據(jù)不同制冷劑的物性賦予其不同的常數(shù)。公式(5)計(jì)算簡(jiǎn)單，但沒(méi)有考慮制冷系統(tǒng)低壓側(cè)容器如存在完整絕熱層時(shí)、且在火災(zāi)條件下絕熱層不會(huì)被破壞時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)容器中的制冷劑汽化量會(huì)大幅度減少的情況，也就是該計(jì)算公式假定制冷系統(tǒng)低壓側(cè)容器的絕熱層是不耐火的。

1.3 NB/T 47012—2020的計(jì)算方法

2021年2月1日開(kāi)始實(shí)施的NB/T 47012—2020《制冷裝置用壓力容器》，給出了圓筒形容器用安全閥的最小泄放量的計(jì)算公式(6)，該公式計(jì)算結(jié)果是基于火災(zāi)情況的最小安全泄放量。安全閥最小泄放面積的計(jì)算需要根據(jù)最小泄放量，結(jié)合介質(zhì)的特性、臨界條件，按照GB/T 150.1—2011附錄B計(jì)算安全閥的泄放面積，再根據(jù)安全閥的結(jié)構(gòu)形式計(jì)算安全閥的泄放口徑，用于泄放氣體、液化氣體的，應(yīng)選用全啟式結(jié)構(gòu)。

Ws=fDoL

(6)

式中，f為由制冷劑類型決定的系數(shù)，kg/(s·m2)，NB/T 47012—2020中表B.1和表B.2給出了常用制冷劑的f值，當(dāng)容器周圍使用易燃材料時(shí)，f值應(yīng)在查得表B.1和表B.2給出值后乘以2.5。

公式(6)采用了ISO 5149：2014的規(guī)定，參考了ASHRAE 15—2019，ASHRAE 15最早可以追溯到1964年。雖然與公式(5)相似，但公式(5)計(jì)算所得結(jié)果為安全閥泄放口徑，而公式(6)計(jì)算所得結(jié)果為需要的安全閥的最小泄放量。公式(6)同樣考慮了盛裝制冷劑的容器的受熱面積對(duì)容器內(nèi)制冷劑在單位時(shí)間內(nèi)的汽化量的影響，并規(guī)定了不同制冷劑在單位受熱面積、單位時(shí)間內(nèi)的汽化量，用系數(shù)f表示。從公式(6)可以看出，該公式計(jì)算簡(jiǎn)單，但受熱面積為估算，且相同溫度下制冷劑的汽化潛熱相差較大，但在NB/T 47012—2020中規(guī)定的系數(shù)f相同，因此，采用公式(6)計(jì)算所得的汽化量與實(shí)際必然存在較大差異。

2 不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)安全閥泄放口徑計(jì)算結(jié)果的差異

如前所述，至今產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的制冷壓力容器用安全閥泄放口徑的計(jì)算方法有3種，為了深入分析3種計(jì)算方法的差異，以下分別以高壓側(cè)容器、低壓側(cè)容器為例進(jìn)行計(jì)算。

2.1 高壓側(cè)容器的計(jì)算結(jié)果差異

以某橢圓形封頭的臥式容器為例，介質(zhì)為液氨，規(guī)格為DN 1800 mm×16 mm，筒體長(zhǎng)度為6 000 mm，無(wú)絕熱層，容器置于地面上可能發(fā)生火災(zāi)的環(huán)境，安全閥泄放壓力為2.05 MPa，安全閥的出口側(cè)背壓取10%的整定壓力，按照前述3種計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 高壓側(cè)容器用安全閥的泄放口徑Tab.1 Relief diameter of safety valve for pressure vessel at high pressure side

2.2 低壓側(cè)臥式容器的計(jì)算結(jié)果差異

以某臥式容器為例，介質(zhì)為液氨，規(guī)格為DN 1800 mm×16 mm，筒體長(zhǎng)度6 000 mm，最大充裝量80%，有絕熱層，絕熱層厚度100 mm，絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)0.144 kJ/(m·h·℃)，容器置于可能發(fā)生火災(zāi)的環(huán)境，安全閥泄放壓力2.05 MPa，安全閥的出口側(cè)背壓取10%的整定壓力，按照前述3種計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 低壓側(cè)臥式容器用安全閥的泄放口徑Tab.2 Relief diameter of safety valve for horizontal vessel at low pressure side

2.3 低壓側(cè)立式容器的計(jì)算結(jié)果差異

以某立式容器為例，介質(zhì)為液氨，規(guī)格為DN 1800 mm×16 mm，筒體長(zhǎng)度6 000 mm，有絕熱層，絕熱層厚度100 mm，絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)0.144 kJ/(m·h·℃)，容器置于可能發(fā)生火災(zāi)的環(huán)境，安全閥泄放壓力2.05 MPa，安全閥的出口側(cè)背壓取10%的整定壓力，按照前述3種計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 低壓側(cè)立式容器用安全閥的泄放口徑Tab.3 Relief diameter of safety valve for vertical vessel at low pressure side

2.4 差異分析

按照容器是否設(shè)置絕熱層對(duì)容器安全泄放量進(jìn)行計(jì)算，分別按公式(1)(4)計(jì)算。當(dāng)容器設(shè)置絕熱層時(shí)，相同幾何尺寸、相同絕熱層、相同工作介質(zhì)的臥式容器和立式容器安全泄放量的計(jì)算結(jié)果略有差異；相同幾何尺寸、相同工作介質(zhì)的容器，設(shè)置絕熱層與未設(shè)置絕熱層時(shí)的安全泄放量差異非常大，主要原因是絕熱層阻止了容器罐壁對(duì)外界熱量的攝入。容器安全泄放量除了與絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)，還與絕熱層的厚度有關(guān)，絕熱層厚度越大，計(jì)算所得的容器安全泄放量越小。

JB/T 6917—1993中沒(méi)有計(jì)算安全泄放量，而是直接用公式(5)計(jì)算全啟式安全閥泄放口徑，對(duì)安全閥泄放口徑的計(jì)算，顯然沒(méi)有考慮絕熱材料對(duì)容器罐壁攝入熱量的影響，對(duì)設(shè)置絕熱層的低壓側(cè)制冷容器，在計(jì)算安全閥泄放口徑時(shí)反而采用了比高壓側(cè)更大的常數(shù)C1，使得計(jì)算所需的安全閥泄放口徑更大。假設(shè)低壓側(cè)、高壓側(cè)容器均無(wú)絕熱層時(shí)，低壓側(cè)罐壁溫度與環(huán)境溫度的溫差比高壓側(cè)更大。根據(jù)傳熱原理，低壓側(cè)罐壁的單位傳熱量更大，JB/T 6917—1993用公式(5)計(jì)算安全閥泄放口徑時(shí)選用比高壓側(cè)更大的常數(shù)C1貌似合理。但是，當(dāng)?shù)蛪簜?cè)容器設(shè)置絕熱層后，罐壁與環(huán)境空氣的傳熱熱阻大幅度增加，罐壁攝入的熱量減少，使得容器內(nèi)的制冷劑汽化量也大幅度減少。因此，JB/T 6917—1993用公式(5)計(jì)算安全閥泄放口徑時(shí)，有絕熱層的低壓側(cè)容器比無(wú)絕熱層的高壓側(cè)容器選用更大的常數(shù)C1實(shí)則是不合理的。

NB/T 47012—2020附錄B中對(duì)制冷劑進(jìn)行分組，同一組制冷劑的系數(shù)f的賦值相同，f值相當(dāng)于在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的罐壁攝入熱量后汽化的制冷劑質(zhì)量。根據(jù)介質(zhì)的特性、臨界條件，按GB/T 150.1—2011附錄B計(jì)算安全閥的泄放面積，再根據(jù)安全閥的結(jié)構(gòu)形式計(jì)算安全閥的泄放口徑。在NB/T 47012—2020中，高壓側(cè)容器和低壓側(cè)容器采用相同的f值，顯然公式(6)同樣沒(méi)有考慮絕熱層對(duì)容器罐壁攝入熱量的影響。除了外界環(huán)境因素，容器內(nèi)制冷劑的汽化量不但和是否設(shè)置絕熱層有關(guān)，還和制冷劑的汽化潛熱相關(guān)。因此，筆者認(rèn)為應(yīng)當(dāng)將相同溫度下汽化潛熱相差不大的制冷劑賦予相同的f值，否則計(jì)算結(jié)果與實(shí)際將產(chǎn)生較大的誤差，而NB/T 47012—2020附錄B中的同一組制冷劑在相同溫度下的汽化潛熱差值超過(guò)1倍，這種分組方法明顯是不合理的。

從表1的計(jì)算結(jié)果看，采用GB/T 150.1—2011，JB/T 6917—1993和NB/T 47012—2020三種方法計(jì)算所得的制冷系統(tǒng)高壓側(cè)壓力容器的安全閥泄放口徑相差不大，其中NB/T 47012—2020的計(jì)算結(jié)果最小，JB/T 6917—1993的計(jì)算結(jié)果最大。NB/T 47012—2020、JB/T 6917—1993的計(jì)算結(jié)果與GB/T 150.1—2011的計(jì)算結(jié)果相比，偏差均不超過(guò)10%。

從表2，3的計(jì)算結(jié)果可以看出，由于JB/T 6917—1993，NB/T 47012—2020在計(jì)算制冷系統(tǒng)低壓側(cè)壓力容器的安全閥泄放口徑時(shí)均沒(méi)有考慮絕熱層對(duì)罐壁攝入熱量的影響，采用二者的計(jì)算方法所得的安全閥泄放口徑均很大，與采用GB/T 150.1—2011的計(jì)算方法所得結(jié)果相比存在較大差異。

3 結(jié)語(yǔ)

制冷壓力容器用安全閥泄放口徑的計(jì)算，無(wú)論是已經(jīng)廢止的JB/T 6917—1993，還是現(xiàn)行的NB/T 47012—2020，其計(jì)算方法都是估算，沒(méi)有考慮制冷劑的汽化潛熱、容器是否設(shè)置絕熱層對(duì)制冷劑汽化量的影響，計(jì)算所得的低壓側(cè)容器的安全閥泄放口徑與按GB/T 150.1—2011的通用計(jì)算方法所得結(jié)果差異較大。制冷壓力容器安全泄放量的計(jì)算，應(yīng)根據(jù)容器的工作特點(diǎn)及其用途，采用合適的計(jì)算方法，NB/T 47012—2020的方法不適合計(jì)算制冷系統(tǒng)中的換熱容器(冷凝器、蒸發(fā)器)和分離容器的安全泄放量，建議在修訂NB/T 47012—2020標(biāo)準(zhǔn)時(shí)充分考慮這一問(wèn)題。根據(jù)制冷系統(tǒng)中的冷凝器、蒸發(fā)器和分離容器的工作原理，冷凝器的安全泄放量為與其相連接的制冷壓縮機(jī)最大排氣量之和，蒸發(fā)器的安全泄放量可按公式(2)計(jì)算，分離容器的安全泄放量可按公式(3)(4)計(jì)算，為公式(3)(4)的計(jì)算結(jié)果之和。