基于R134A分體空調(diào)連續(xù)運(yùn)行穩(wěn)定性提升

曹旭東

(國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)天津液化天然氣有限責(zé)任公司，天津 300000)

0 引言

LNG接收站是我國(guó)LNG行業(yè)的核心設(shè)施，空調(diào)系統(tǒng)對(duì)于LNG行業(yè)的作用是不可替代的。由于其臨近海邊的特殊作業(yè)條件，環(huán)境濕度較大，作業(yè)空間狹小，對(duì)平臺(tái)設(shè)備設(shè)施及工作人員健康影響極大。同時(shí)房間設(shè)備分布密集，散熱量大，空氣含鹽量較高，如果僅采用風(fēng)機(jī)進(jìn)行散熱無(wú)法滿足設(shè)備設(shè)施正常工作環(huán)境，導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行不正常，縮短使用壽命。

由于分體空調(diào)無(wú)論冬夏都需要長(zhǎng)期不間斷連續(xù)運(yùn)行，并且環(huán)境惡劣，易出現(xiàn)壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)頻繁啟停、空調(diào)震動(dòng)高、制冷劑管線薄弱處容易破損漏氟、熱交換過(guò)度導(dǎo)致低壓報(bào)警等問題，此外，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜導(dǎo)致部分室外機(jī)與室內(nèi)機(jī)管線過(guò)長(zhǎng)、高度落差較大，空調(diào)制冷效果不佳，因此對(duì)于提升R134A分體空調(diào)連續(xù)運(yùn)行的穩(wěn)定性十分必要。

1 分體空調(diào)結(jié)構(gòu)及原理

隨著科技的不斷提升，空調(diào)的使用越來(lái)越廣泛。目前LNG接收站的空調(diào)主要分為中央空調(diào)和分體空調(diào)兩類。而分體空調(diào)又分為壁掛式、吊頂式、嵌入式和立柜式空調(diào)。

分體空調(diào)由制冷系統(tǒng)、風(fēng)路系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、箱體和面板四部分組成，主要包含壓縮機(jī)、儲(chǔ)液罐、蒸發(fā)器、冷凝器、膨脹閥、電磁閥、供液過(guò)濾器、風(fēng)機(jī)和控制電路等部件。

分體空調(diào)常用R134A作為制冷劑，其工作原理(見圖1)，即壓縮機(jī)將氣態(tài)的制冷劑壓縮為高溫高壓的液態(tài)制冷劑，然后送到冷凝器散熱后成為低溫高壓的液態(tài)制冷劑，循環(huán)到室內(nèi)機(jī)后在膨脹閥、毛細(xì)管的作用下壓力減小氣化為低溫低壓的氣態(tài)制冷劑，最后在蒸發(fā)器內(nèi)吸收室內(nèi)空氣中的熱量吹出冷風(fēng)制冷。

圖1 分體空調(diào)系統(tǒng)原理圖

2 分體空調(diào)性能提升方案

R134A分體空調(diào)由于工作環(huán)境限制需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，易出現(xiàn)出現(xiàn)高、低報(bào)警，冷媒管線泄漏、結(jié)霜，制冷效果不佳、壓縮機(jī)損壞等問題，對(duì)于設(shè)備設(shè)施的正常運(yùn)行造成極大的影響，因此需要采取相應(yīng)措施提升分體空調(diào)連續(xù)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.1 縮短室內(nèi)外機(jī)制冷劑管線長(zhǎng)度，調(diào)整高度落差

由于房屋及內(nèi)部空間受限，環(huán)境復(fù)雜，部分分體空調(diào)室內(nèi)、外機(jī)的連接管線較長(zhǎng)、高度落差較大，會(huì)增大制冷劑在管線中流動(dòng)的阻力，產(chǎn)生不同程度的壓降，對(duì)分體空調(diào)壓縮機(jī)功率、制冷劑溫度、壓力等都會(huì)造成影響，降低分體空調(diào)的制冷效果。

分體空調(diào)室外機(jī)與室內(nèi)機(jī)的冷媒連接管有低壓管線和高壓管線2根。高壓管線通過(guò)熱力膨脹閥連接蒸發(fā)器，內(nèi)部制冷劑以液體為主，低壓管線通過(guò)壓縮機(jī)和儲(chǔ)液罐與冷凝器連接，內(nèi)部制冷劑以氣態(tài)為主，制冷劑在管線內(nèi)流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的阻力，主要包括水平管線的沿程阻力、垂直管線的靜壓降和管線彎頭與接口等造成的局部阻力(局部阻力較小通常忽略不計(jì))。

制冷劑管線沿程阻力壓降、靜壓降阻力算法如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

其中：P1為水平阻力(Pa)，P2為垂直阻力(Pa)，f為管內(nèi)沿程阻力系數(shù)，u為制冷劑平均流速(m/s)，qm為制冷劑質(zhì)量流量，Re為雷諾系數(shù)，v為制冷劑比熱容，ρ為制冷劑密度(kg/m3)，l為管長(zhǎng)(m)，d為管內(nèi)直徑(cm)。

由式(4)(5)可知管線越長(zhǎng)，高度落差越大制冷劑的壓降越大。計(jì)算結(jié)果如表1、表2所示。

表1 空調(diào)水平管線與壓降的管線

表2 高度落差與壓降的關(guān)系

通過(guò)計(jì)算得知，分體空調(diào)70 m水平管的制冷劑的壓降是15 m水平管的6.15倍，5 m垂直管的制冷劑的壓降是3 m水平管的1.82倍，因此管線越長(zhǎng)、高度落差越大制冷劑壓降越大。

在實(shí)際安裝中空調(diào)水平管盡量不超過(guò)20 m，垂直管落差不超過(guò)5 m，并減少制冷劑管線局部彎曲、接頭等情況，以減小制冷劑在室內(nèi)、外機(jī)管線中的壓降，提升分體空調(diào)使用效率。

2.2 降低冷凝器熱交換，提升冬季低溫制冷性能

家用分體空調(diào)通常在夏季高溫的情況下才啟動(dòng)制冷，但在設(shè)備間的設(shè)備散熱較大，冬季室外低溫的情況下仍然需要進(jìn)行室內(nèi)制冷。在低溫環(huán)境下，室外機(jī)換熱環(huán)境惡劣，冷凝器對(duì)流換熱系數(shù)增大，制冷劑散熱快，冷凝壓力急劇降低，大量制冷劑聚集在冷凝器中，導(dǎo)致蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑壓力降低，制冷能力衰減嚴(yán)重；此外，還會(huì)造成蒸發(fā)器結(jié)霜、低壓報(bào)警、壓縮機(jī)抱死等問題，導(dǎo)致分體空調(diào)不能正常工作，甚至故障停機(jī)。解決分體空調(diào)冬季低溫制冷不佳問題的核心在于降低冷凝器換熱能力。

冷凝器外側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算公式如下：

(6)

其中，h為冷凝器外側(cè)空氣對(duì)流換熱系數(shù)，V為冷凝翅片最窄處空氣流速，D為直徑當(dāng)量，v為空氣運(yùn)動(dòng)黏度，Re為冷凝器外側(cè)空氣雷諾系數(shù)，n為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)(n<1)。

通過(guò)對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算公式(6)，采取降低空氣流動(dòng)速率的措施降低冷凝器的對(duì)流換熱系數(shù)的方法，提高冷凝溫度和蒸發(fā)溫度。

2.2.1 室外機(jī)添加百葉窗擋風(fēng)裝置

可在室外機(jī)冷凝翅片外側(cè)安裝百葉窗擋風(fēng)裝置，根據(jù)環(huán)境氣溫變化，手動(dòng)調(diào)節(jié)百葉窗擋風(fēng)裝置風(fēng)條角度，改變百葉窗擋風(fēng)裝置翅片開度，減少冷凝翅片處的空氣流動(dòng)，增加冷凝器外側(cè)進(jìn)風(fēng)阻力，使式(6)中冷凝器外側(cè)最窄處空氣流動(dòng)速度減小。在其他條件不變的情況下，冷凝器對(duì)流換熱系數(shù)h降低，冷凝翅片處制冷劑與外界換熱速度降低，提高冷凝器溫度，防止制冷劑快速散熱使得冷凝器出口壓力降低。

在冷凝翅片處安裝百葉窗，不僅可以大大緩解分體空調(diào)冬季制冷效率低的問題，而且安裝便捷，在改善空調(diào)性能的同時(shí)也可以防止冷凝翅片灰塵聚集導(dǎo)致濾網(wǎng)臟堵，減少空調(diào)室外機(jī)維護(hù)保養(yǎng)頻率。

2.2.2 限制室外機(jī)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)頻率

室外風(fēng)機(jī)啟動(dòng)會(huì)加速冷凝器與外界換熱是造成冬季制冷效果不佳的重要原因，相同時(shí)間流過(guò)冷凝翅片的風(fēng)量越大，換熱越充分。目前海洋平臺(tái)上使用的分體空調(diào)大多使用定頻風(fēng)機(jī)，如果采用變頻或者變壓調(diào)速的方法，分體空調(diào)的改造成本較高，電路較復(fù)雜，因此此處采用降低風(fēng)機(jī)啟動(dòng)頻率的方法。

如圖2所示，可在室外機(jī)風(fēng)機(jī)控制回路中串入旋鈕式溫度開關(guān)常開觸點(diǎn)，根據(jù)冷凝器處溫度控制風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)停止；同時(shí)，根據(jù)室外溫度手動(dòng)設(shè)置溫度開關(guān)觸點(diǎn)動(dòng)作溫度值。當(dāng)冷凝器處溫度低于設(shè)定值時(shí)，抑制風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，通過(guò)自然散熱對(duì)冷凝翅片進(jìn)行降溫；當(dāng)冷凝器處溫度高于設(shè)定值時(shí)，溫度開關(guān)常開觸點(diǎn)閉合，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)對(duì)冷凝器進(jìn)行降溫，降低風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)頻率，增加冷凝壓力和蒸發(fā)壓力，達(dá)到提升分體空調(diào)低溫制冷的效果。

圖2 室外風(fēng)機(jī)改造電路圖

此外，采用旋鈕溫度開關(guān)降低風(fēng)機(jī)啟動(dòng)頻率的方法，不僅在低溫環(huán)境下使用，也可以長(zhǎng)期保持。根據(jù)渤海平均氣溫在-15℃～35℃，壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)，冷凝器溫度在10℃～50℃變化，根據(jù)外界氣溫的變化，改變旋鈕式溫度開關(guān)的動(dòng)作值，防止高溫時(shí)風(fēng)機(jī)頻繁啟動(dòng)，也可以在一定程度上減小分體空調(diào)室外機(jī)的震動(dòng)，防止分體空調(diào)內(nèi)部軟管和管線焊接薄弱處破裂，防止制冷劑泄漏，提升分體空調(diào)連續(xù)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.3 安裝氣液分離器，延長(zhǎng)壓縮機(jī)使用壽命

在空調(diào)制冷運(yùn)行時(shí)，低溫高壓制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)吸熱蒸發(fā)形成高溫低壓的汽態(tài)制冷劑，但往往在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)制冷劑無(wú)法完全蒸發(fā)的現(xiàn)象。未完全蒸發(fā)的液體制冷劑在壓縮機(jī)內(nèi)部升溫膨脹，使壓縮機(jī)氣缸壓力驟增，產(chǎn)生液擊，造成壓縮機(jī)出現(xiàn)不同程度的損傷，甚至嚴(yán)重?fù)p壞，影響空調(diào)的正常運(yùn)行。

為盡可能地避免液擊，保證壓縮機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，可在壓縮機(jī)吸氣口加裝氣液分離器，防止液態(tài)制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)，同時(shí)為溢流而出的液態(tài)制冷劑提供臨時(shí)的儲(chǔ)存，降低壓縮機(jī)的故障率，保證空調(diào)長(zhǎng)期連續(xù)的正常運(yùn)行。氣液分離器安裝示意圖如圖3所示。

圖3 氣液分離器安裝示意圖

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，安裝分體空調(diào)氣液分離器后可以延長(zhǎng)壓縮機(jī)壽命2～3年，具有實(shí)際意義。

2.4 噴涂防腐材料，防止制冷劑泄漏

分體空調(diào)通常采用銅或銅鋁合金作為制冷劑管線和冷凝器原料，其耐腐蝕性能較鋁管好，但由于海風(fēng)中含有大量NaCl粒子，部分油田還會(huì)有微量HS2氣體，隨著空氣流動(dòng)逐漸沉積至銅管和冷凝器上。

當(dāng)分體空調(diào)運(yùn)行時(shí)，銅管和冷凝器上會(huì)產(chǎn)生冷凝水，溶解NaCl產(chǎn)生Cl-，Cl-半徑小但穿透性強(qiáng)，易破壞銅表面的氧化膜形成點(diǎn)蝕源，在電化學(xué)腐蝕的共同作用下產(chǎn)生CuCl，CuCl和水發(fā)生水解反應(yīng)：

H2O+CuCl→Cu2O+2HCl

產(chǎn)生HCl進(jìn)一步加重腐蝕，導(dǎo)致制冷劑泄漏。為防止管線、冷凝器點(diǎn)蝕可以在銅管和冷凝器表面噴涂銅管緩蝕劑(如苯駢三氮唑、甲基苯駢三氮唑緩蝕劑)形成一層或者多層保護(hù)膜，延長(zhǎng)管線和冷凝器的使用壽命。

3 實(shí)施效果

3.1 設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)潔有效

依托分體空調(diào)自身設(shè)計(jì)，完成相關(guān)適應(yīng)性改造設(shè)計(jì)。在改造設(shè)計(jì)進(jìn)行大膽創(chuàng)新，并且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔有效，安裝時(shí)不用大改大造，施工成本低，將降本增效的理念運(yùn)用于實(shí)際。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)單，實(shí)際效果穩(wěn)定

在分體空調(diào)運(yùn)行時(shí)，只需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度調(diào)節(jié)百葉窗翅片角度及旋鈕式溫度開關(guān)設(shè)定值，便可以極大提升空調(diào)冬季制冷的效果，維持房間溫度恒定，減少人員維護(hù)保養(yǎng)和故障維修的次數(shù)，并對(duì)其他LNG行業(yè)所使用的分體空調(diào)性能提升改造具有實(shí)際意義。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)R134A分體空調(diào)工作原理及低溫制冷效果不佳、壓縮機(jī)損壞等常見故障問題的分析，采取相應(yīng)措施，通過(guò)減少室內(nèi)外機(jī)管線長(zhǎng)度、高度落差、風(fēng)機(jī)控制回路串入旋鈕式溫度開關(guān)降低風(fēng)機(jī)啟動(dòng)頻率、安裝百葉窗、噴涂銅管緩蝕劑等措施，提升分體空調(diào)長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的穩(wěn)定性，降低分體空調(diào)故障率，維持房間設(shè)備設(shè)施的最佳工作環(huán)境，保障設(shè)備設(shè)施的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。