馬一太,顧昊翔

(天津大學(xué)中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072)

氨冷庫(kù)熱氣融霜和液錘的探討

馬一太*,顧昊翔

(天津大學(xué)中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072)

2013年發(fā)生兩次嚴(yán)重的氨泄漏事故,在原因上都屬于熱氨融霜操作不當(dāng),因液錘破壞了管路的封頭,造成生命財(cái)產(chǎn)的重大損失。本文先從原理上介紹熱氨融霜的過(guò)程,并對(duì)液爆和液錘現(xiàn)象的產(chǎn)生進(jìn)行分析,提出防止液錘的方法。

氨冷庫(kù);熱氨融霜;液爆;液錘;氨泄漏

0 課題背景

2013年發(fā)生兩起嚴(yán)重的氨泄漏事故,一是上海翁牌冷藏實(shí)業(yè)有限公司“8·31”重大氨泄漏事故,二是乳山合和食品有限公司“11·28”液氨泄漏事故。這兩起事故都己經(jīng)處理完畢,事故原因基本查清,責(zé)任人受到相應(yīng)的處罰,并在全國(guó)展開(kāi)制冷系統(tǒng)安全性的大檢查,杜絕類似事故的再次發(fā)生。

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),這兩起事故有一定相似性,都是因熱氨融霜操作不當(dāng),都是低壓管道封頭處有嚴(yán)重的焊接缺陷,都是管帽脫落引起大量氨泄漏造成人員傷亡。在《涉氨制冷企業(yè)液氨使用專項(xiàng)治理技術(shù)指導(dǎo)書(試行)》[1](以下簡(jiǎn)稱《氨制冷指導(dǎo)書》)對(duì)這兩起事故分析都有描述,重點(diǎn)摘錄如下:

“情況分析:1.熱氨融霜作業(yè)時(shí),應(yīng)嚴(yán)格按照技術(shù)操作規(guī)程要求,排除蒸發(fā)器內(nèi)的液氨。當(dāng)管道內(nèi)留有一定量的液氨,熱氨充入初期,留有的液氨發(fā)生急劇汽化和相變引起液錘現(xiàn)象(液錘現(xiàn)象:有壓管道中,液體流速發(fā)生急劇變化所引起的壓強(qiáng)大幅度波動(dòng)的現(xiàn)象),應(yīng)力集中于回氣集管末端,管帽焊縫處的應(yīng)力快速升高。2.管帽與回氣集管焊接接頭存在嚴(yán)重焊接缺陷,導(dǎo)致嚴(yán)重的應(yīng)力集中,在壓力波動(dòng)過(guò)大或者壓力瞬間升高極易產(chǎn)生低應(yīng)力脆斷。3.低碳鋼在常溫時(shí)具有較高韌性和較強(qiáng)抵抗斷裂的能力,但在低溫時(shí)則表現(xiàn)出極低的韌性,受沖擊極易產(chǎn)生脆性開(kāi)裂。事發(fā)管帽焊縫處的斷裂呈現(xiàn)完全脆性斷裂,說(shuō)明開(kāi)裂時(shí)管道處于低溫狀態(tài)。低溫脆性再與焊接缺陷處的應(yīng)力集中相疊加,更易產(chǎn)生脆性斷裂。綜上分析,由于熱氨融霜違規(guī)操作和管帽連接焊縫存在嚴(yán)重焊接缺陷,導(dǎo)致焊接接頭的低溫低應(yīng)力脆性斷裂,致使回氣集管管帽脫落,造成氨泄漏?！?/p>

這段內(nèi)容給出了兩起事故的原因。結(jié)合年初發(fā)生在吉林寶源豐發(fā)生的重大火災(zāi)奪命121人,血的教訓(xùn)告訴我們,在通常人們覺(jué)得相對(duì)安全的制冷行業(yè),存在著嚴(yán)重隱患,隨時(shí)可能危及操作人員的生命。生命無(wú)價(jià),制冷系統(tǒng)的安全性比任何時(shí)期都明顯地?cái)[在制冷人的面前。

為了把熱氨融霜的原理以及可能產(chǎn)生液錘現(xiàn)象進(jìn)行分析,本文做了一些文獻(xiàn)調(diào)研,并發(fā)現(xiàn)有一些值得探討之處。本文所能找到一些文獻(xiàn),主要是近年在《制冷技術(shù)》、《冷藏技術(shù)》和《制冷》等技術(shù)性刊物中。文獻(xiàn)[2]比較詳細(xì)介紹熱氨融霜自動(dòng)控制系統(tǒng)及原理。發(fā)表于2003年的文獻(xiàn)[3]詳細(xì)分析介紹了常春市某冷庫(kù)發(fā)生的一起因熱氨融霜造成的事故。事故的要點(diǎn)是蒸發(fā)器內(nèi)存有因融霜凝結(jié)的氨液,融霜結(jié)束后回氣主閥打開(kāi),蒸發(fā)器中的凝結(jié)液在ΔP=0.6 MPa壓差下被加速,造成回氣集管的封頭被打飛。這是典型的因“液錘”破壞了管道,造成了氨液泄漏,所幸沒(méi)有造成人身事故,但造成嚴(yán)重的漏氨及商品污染事故。而這個(gè)融霜控制是看來(lái)是自動(dòng)的,在使用熱氨融霜時(shí),發(fā)現(xiàn)管路有劇烈振動(dòng),沒(méi)有排除故障,半個(gè)月后發(fā)生封頭爆炸,引起漏氨。從這起事故可以找到2013年上海和乳山兩起事故的影子。文獻(xiàn)[4]說(shuō)明冷風(fēng)機(jī)熱氨融霜不徹底的原因和解決辦法,文獻(xiàn)[5]介紹了冷風(fēng)機(jī)因熱氨融霜造成了管路變形、冷風(fēng)機(jī)移位。文獻(xiàn)[6]分析了在融霜時(shí)過(guò)濾器爆裂事故。這些文獻(xiàn)都涉及了氨制冷或氟制冷的事故,文獻(xiàn)[7～9]是丹佛斯的有關(guān)自動(dòng)融霜產(chǎn)品樣本或說(shuō)明,其中也有避免液錘發(fā)生的內(nèi)容。

通過(guò)上海翁牌事故的處理報(bào)告[10],可大致的了解到事故發(fā)生的時(shí)間間隔。約 10∶45,氨壓縮機(jī)房的操作工潘澤旭在氨調(diào)節(jié)站進(jìn)行熱氨融霜作業(yè)。10∶48∶20起,單凍機(jī)生產(chǎn)線區(qū)域內(nèi)的監(jiān)控錄像顯示現(xiàn)場(chǎng)陸續(xù)發(fā)生約7次輕微震動(dòng),單次震動(dòng)持續(xù)時(shí)間約(1～6) s不等。10∶50∶15正在進(jìn)行融霜作業(yè)的單凍機(jī)回氣集管北端管帽脫落,導(dǎo)致氨泄漏。管帽脫落后被沖出的水平距離約 3.5 m。管帽實(shí)測(cè)內(nèi)徑為143.2 mm,端部壁厚平均為7.5 mm。從開(kāi)始融霜到管帽脫落時(shí)間僅 5 min。另外,單凍機(jī)組南北向擺放,回氣集管外包保溫材料,通過(guò)管道與其下方的蒸發(fā)器相連,南端管帽連接完好,北端管帽己脫落。圖1顯示事故現(xiàn)場(chǎng)脫落的管帽和管道。

圖1 上海翁牌冷藏實(shí)業(yè)有限公司事故現(xiàn)場(chǎng)的管帽和管道

文獻(xiàn)[11]中提到,熱氣融霜是一種最高效的蒸發(fā)器融霜方式。在絕大多數(shù)的案例中,可以明顯的看出熱氣融霜較其他融霜方式(如鹽水融霜)的效果要好得多。

國(guó)際上在冷庫(kù)中有用氨/二氧化碳復(fù)疊式循環(huán)代替氨雙級(jí)制冷循環(huán),以提高制冷系統(tǒng)的安全性。我國(guó)也在推廣這種復(fù)疊循環(huán),采用二氧化碳作為低溫側(cè)的冷媒,同時(shí)采用二氧化碳熱氣進(jìn)行融霜。這時(shí)的工況相比氨而言要更加復(fù)雜,因?yàn)槠鋲毫Φ燃?jí)及壓差都要比氨系統(tǒng)高的多,在高壓力和高壓差的系統(tǒng)環(huán)境下,如果出現(xiàn)操作失誤,二氧化碳系統(tǒng)較氨系統(tǒng)更易出現(xiàn)液錘風(fēng)險(xiǎn)。所以,有關(guān)融霜時(shí)產(chǎn)生液錘的研究顯得特別重要。

氨是環(huán)境友好的自然工質(zhì),在工業(yè)制冷和大中型冷庫(kù)承擔(dān)著重要的角色,雖然發(fā)生了一些意外的事故,但通過(guò)加強(qiáng)管理和嚴(yán)格培訓(xùn),今后氨的應(yīng)用還應(yīng)該有很大的發(fā)展。為防患于未然,作為設(shè)置制冷專業(yè)的高等學(xué)校,應(yīng)該在教學(xué)中加強(qiáng)氨制冷安全性的有關(guān)內(nèi)容。對(duì)于液爆、液錘等現(xiàn)象,要進(jìn)行深入研究,提出防控液錘的措施,這就是本文的主要目的。

1 熱氣融霜(熱氨融霜、熱氨除霜、熱氣除霜)

在氨冷庫(kù)的蒸發(fā)器上,即在冷風(fēng)機(jī)或排墻管上,因儲(chǔ)存貨物或空氣帶有水分而產(chǎn)生結(jié)霜現(xiàn)象。冷風(fēng)機(jī)或排墻管上凝結(jié)的霜會(huì)對(duì)其效率造成很大的影響,霜層很厚時(shí)甚至可以完全阻塞空氣流動(dòng),會(huì)嚴(yán)重影響蒸發(fā)器的換熱,需要除霜或也稱為融霜。除霜方式有很多種,其中熱氨融霜是一種高效、節(jié)約能源的除霜方式,在某些空氣源熱泵中也有采用,通常就稱為熱氣融霜了,這在一般的制冷教材和書籍中都有介紹。

熱氨融霜的原理并不復(fù)雜,它實(shí)際上是將系統(tǒng)中高壓的氨蒸氣送入蒸發(fā)器里,類似熱泵原理,用蒸氣的凝結(jié)放熱融化管外的結(jié)霜。如果系統(tǒng)較簡(jiǎn)單,容量較小,蒸發(fā)器的承壓能力足夠,只需停機(jī),將蒸發(fā)器中的低壓液體導(dǎo)入低壓儲(chǔ)液器,關(guān)閉制冷時(shí)的管路,讓高壓蒸氣進(jìn)入蒸發(fā)器,進(jìn)行化霜過(guò)程。待化霜完畢,需要緩沖一段時(shí)間,待液氨壓力溫度下降后再開(kāi)機(jī),避免化霜凝結(jié)的液體因壓力高而進(jìn)入壓縮機(jī)。這對(duì)于中小型冷庫(kù)或小型制冷熱泵系統(tǒng),一般不會(huì)有什么問(wèn)題。

對(duì)于容量較大的氨冷庫(kù),可能有多個(gè)并聯(lián)的蒸發(fā)器,可在別的蒸發(fā)器工作的條件下,對(duì)單個(gè)蒸發(fā)器輪流化霜。因蒸發(fā)器的承壓能力所限,化霜的蒸氣采用較低的壓力。因此,為了化霜需要有單獨(dú)的控制閥門,控制蒸發(fā)器的排液、進(jìn)氣等程序?；獣r(shí)可能需要配合外部熱水融霜或電加熱等程序,使得化霜過(guò)程比較復(fù)雜。熱氨融霜有人工和自動(dòng)兩種,人工熱氨融霜系統(tǒng)的設(shè)備比較簡(jiǎn)單,但需要有熟練的技術(shù);自動(dòng)熱氨融霜在元器件和自動(dòng)控制方面比較復(fù)雜,可以減輕對(duì)操作人員技術(shù)的要求,是今后發(fā)展的方向。

氨冷庫(kù)循環(huán)原理和熱氣融霜過(guò)程如圖2所示。1 -2-3-4-1是蒸氣壓縮制冷循環(huán)。

圖2 氨冷庫(kù)循環(huán)原理和熱氣融霜過(guò)程

熱氨融霜過(guò)程是2-5-6-7,通常5-6需要的壓力是0.65 MPa,這時(shí)對(duì)應(yīng)的飽和溫度是12 ℃,需要從壓縮機(jī)出口或高壓儲(chǔ)液罐引出的高壓氨蒸氣,經(jīng)過(guò)熱氣節(jié)流閥2-5降壓,進(jìn)入蒸發(fā)器。這時(shí)的蒸發(fā)器己經(jīng)作為冷凝器用,氨蒸氣凝結(jié)放熱,用于融霜。融霜之后在6點(diǎn)凝結(jié)的氨液要再次降低壓力,與原來(lái)的低壓相平衡,為避免開(kāi)閥時(shí)的壓力波動(dòng),必須還要有一個(gè)6-7的節(jié)流過(guò)程。手動(dòng)或自動(dòng)融霜結(jié)束時(shí),關(guān)閉融霜系統(tǒng)的控制閥門,先將排氣閥打開(kāi)10%,待閥門前后壓差很小時(shí),約0.15 MPa,閥門完全打開(kāi)。給蒸發(fā)器適量氨液,開(kāi)始正常制冷過(guò)程。

圖3是簡(jiǎn)化的帶有融霜控制閥門的蒸發(fā)器示意圖,為控制正常制冷狀態(tài)或融霜狀態(tài)要有4組閥門,注意每一組閥門可能由兩三個(gè)閥門串聯(lián)組成,分別包括截止閥、電磁閥和調(diào)節(jié)閥等。參考丹佛斯的資料[7-8],無(wú)論手動(dòng)還是自動(dòng),其基本的控制過(guò)程如下。

1)當(dāng)蒸發(fā)器正常工作時(shí),閥門組1、4關(guān)門,閥門組2、3打開(kāi),風(fēng)扇工作。

2)當(dāng)有融霜要求時(shí),首先閥門組3關(guān)閉,閥門組2開(kāi)并延遲關(guān)閉,風(fēng)扇工作。延遲時(shí)間由蒸發(fā)器尺寸確定,目的是將蒸發(fā)器中的氨液盡量排空。

3)正式融霜時(shí),閥門組2、3關(guān)閉,閥門組1打開(kāi),加調(diào)節(jié)閥4控制壓力,風(fēng)扇停止。時(shí)間也是由蒸發(fā)器尺寸確定。

4)融霜結(jié)束,閥門組1、4關(guān)閉,閥門組2中的閥2輔先打開(kāi),其流量?jī)H是閥2主的10%,緩慢釋放融霜時(shí)形成的凝結(jié)液體的壓力,當(dāng)蒸發(fā)器與低壓吸氣的壓差降到0.15 MPa時(shí),閥門2主打開(kāi),逐步達(dá)到正常的蒸發(fā)壓力,此過(guò)程風(fēng)扇不工作。

5)恢復(fù)到蒸發(fā)器正常工作,閥門組1、4關(guān)門,閥門組2、3打開(kāi),風(fēng)扇工作。

注意以上控制過(guò)程僅為理解熱氣融霜時(shí)必要的程序而做的原理說(shuō)明。當(dāng)設(shè)計(jì)真正熱氨融霜的控制系統(tǒng)時(shí),應(yīng)參照有關(guān)產(chǎn)品樣本。

圖3 帶有融霜控制閥門的蒸發(fā)器示意圖

2 關(guān)于液錘

縱觀國(guó)內(nèi)一般制冷書籍、教材、標(biāo)準(zhǔn)或操作說(shuō)明,鮮有有關(guān)液錘現(xiàn)象的說(shuō)明和介紹。液錘的產(chǎn)生有其自有規(guī)律,可以從水力學(xué)中有關(guān)水錘現(xiàn)象分析,再用熱力學(xué)相似的原理,分析氨液的液錘規(guī)律。注意在《氨制冷指導(dǎo)書》(第47頁(yè))提到液爆,與液錘不是一回事,但液爆與液錘有一定的因果關(guān)系。

資料[11]介紹在水力學(xué)上的水錘效應(yīng)(hydraulic hammer effect)是指在水泵、管道和閥門等的供水系統(tǒng)中水管內(nèi)部,管內(nèi)壁光滑,水流動(dòng)阻力很小。當(dāng)有水泵或閥門突然打開(kāi)或關(guān)閉,有水流在壓差的作用下流動(dòng),可迅速達(dá)到最大流速,當(dāng)遇到阻礙時(shí)就產(chǎn)生沖擊性的破壞作用,這就是水力學(xué)中的水錘效應(yīng)。

在工業(yè)蒸汽系統(tǒng)或過(guò)去常用的蒸汽采暖系統(tǒng)中,一般要用疏水器把凝結(jié)水排空。如果有凝結(jié)水的管道中,有過(guò)熱蒸汽或飽和蒸汽與水混合,凝結(jié)水會(huì)在汽化過(guò)程中體積迅速膨脹,因管道中的空間是一定的,蒸汽則會(huì)沿著管道迅速流動(dòng)。來(lái)不及排除的水會(huì)在非常高的流速下流向低壓端。當(dāng)遇到阻擋時(shí),如閥門、管帽,高速流動(dòng)的水就會(huì)像錘子一樣沖擊甚至破壞閥門或管帽。這就是在蒸汽管道中產(chǎn)生的水錘效應(yīng)。

無(wú)論什么原因產(chǎn)生的水錘,水錘的破壞力與水當(dāng)時(shí)的動(dòng)量有關(guān),符合沖量定理Ft=mv,即作用在閥門或管道封頭上的力×作用時(shí)間=水的質(zhì)量×水的流速。水的質(zhì)量越大,流速越高,產(chǎn)生的破壞力越大。

水錘現(xiàn)象有實(shí)驗(yàn)和理論分析。圖4表明,在管道中有100 ℃蒸汽和冷凝水混合時(shí),冷凝水的溫度在70 ℃～80 ℃時(shí)就會(huì)產(chǎn)生劇烈的水錘[9]。

圖4 水力學(xué)上液錘發(fā)生的特點(diǎn)[9]

當(dāng)用熱氨融霜時(shí),如果在蒸發(fā)器中有氨的液體,并流入一個(gè)較長(zhǎng)的管道,發(fā)生的現(xiàn)象與蒸汽管道中的水錘是相似的,也會(huì)產(chǎn)生劇烈的液錘。

3 熱氨融霜時(shí)的液爆和液錘

液錘的發(fā)生就像炮膛中的炮彈,炮彈動(dòng)能的產(chǎn)生有三個(gè)必要條件:炮彈、炮膛和火藥。炮彈的質(zhì)量越大、炮膛長(zhǎng)度越長(zhǎng)、火藥的能量越大,炮彈的破壞力就越大。在熱氣融霜時(shí)沒(méi)按規(guī)章操作,就可能造成液體的“炮彈”,即液錘,其產(chǎn)生的條件是:在一部分凝結(jié)液體因意外原因存留在低壓排氣管道中,排氣管道比較長(zhǎng)(這在大型冷庫(kù)中是常見(jiàn)的),液體前后有較大的壓差。

液錘的能量,還是來(lái)自高壓的融霜熱氣,主要是圖2中6點(diǎn)的能量釋放。當(dāng)融霜結(jié)束時(shí),如果急速打開(kāi)蒸發(fā)器的排氣閥(圖3中的閥組2),蒸發(fā)器內(nèi)的液體就會(huì)因突然降壓而發(fā)生液爆,液爆有時(shí)也稱爆沸(explosive boiling),這是一種突然的爆炸式的閃蒸過(guò)程,來(lái)不及蒸發(fā)的液體在蒸氣的夾帶下沖進(jìn)低壓管道,這部分液體在蒸氣壓力的推動(dòng)下迅速向管道的低壓端移動(dòng),這就形成了液錘。其原理可用圖5說(shuō)明。

圖5 液爆和液錘的形成

液爆或爆沸現(xiàn)象在工業(yè)領(lǐng)域偶有發(fā)生。當(dāng)有盛有一定壓力的液體的壓力容器因意外突然破裂,或閥門突然打開(kāi)連通大氣,容器內(nèi)的氣體首先迅速膨脹,使容器內(nèi)的壓力瞬時(shí)降至大氣壓力。此時(shí)容器的飽和液處于過(guò)熱狀態(tài),也就是說(shuō)它的溫度高于它在大氣壓力下的沸點(diǎn)。于是氣液兩相失去平衡,液體迅速大量蒸發(fā)氣化,體積急劇膨脹。如果容器的閥門是向系統(tǒng)的低壓端打開(kāi),例如氨制冷的低壓端可能低于大氣壓力,容器內(nèi)同樣產(chǎn)生液爆。

注意液錘的發(fā)生是極其迅速、非穩(wěn)態(tài)的,用一般儀表檢測(cè)不出來(lái),安全閥因有較大的惰性也不會(huì)起作用。其本質(zhì)是高壓熱氨蒸氣是有作功能力的,排入低壓系統(tǒng)時(shí),其高的烙值如何合理釋放。高壓的過(guò)熱蒸氣可通過(guò)凝結(jié)放熱進(jìn)行融霜,但其攜帶的膨脹功不會(huì)瞬時(shí)耗散。方法是通過(guò)緩慢節(jié)流、降壓將其烙值以熱量形式傳遞,而不要轉(zhuǎn)換為膨脹功。按操作規(guī)程,融霜前要將蒸發(fā)器的液體排空,也包括潤(rùn)滑油。排除液體是為了融霜時(shí)容納足夠的冷凝液體,融霜后會(huì)再次有液體出現(xiàn)。注意這部分液體具有較高的壓力,是形成液錘的主力。

如果采用手動(dòng)熱氨融霜,各閥門組在閥門的開(kāi)閉、開(kāi)閥速度、融霜時(shí)間與蒸發(fā)器的形式和體積以及環(huán)境條件都有關(guān)系,可能有很大的不確定性。這在一些人工融霜操作說(shuō)明中,對(duì)控制閥門常有非定量的操作描述,如“稍微開(kāi)啟”、“間歇開(kāi)關(guān)”、“不能常開(kāi)也不能開(kāi)啟過(guò)大”,都是難于準(zhǔn)確掌控的。在教學(xué)或培訓(xùn)上崗工人時(shí),或者是在冷庫(kù)控制系統(tǒng)的調(diào)試階段,如何能做到準(zhǔn)確無(wú)誤?也許在實(shí)際操作時(shí),稍有失手,就會(huì)出現(xiàn)液錘,造成氨泄漏事故。

4 液錘產(chǎn)生的動(dòng)量分析

因文獻(xiàn)[3]是作者能找到的最詳細(xì)的數(shù)據(jù),因此通過(guò)分析盡量回溯這篇文章中的數(shù)據(jù)。設(shè)蒸發(fā)溫度為-45 ℃,對(duì)應(yīng)蒸發(fā)壓力為0.0545 MPa,并設(shè)冷凝溫度為40 ℃,對(duì)應(yīng)冷凝壓力為1.55 MPa,熱氨融霜通常需要的壓力是0.65 MPa,這時(shí)對(duì)應(yīng)的飽和溫度是12 ℃,需要從壓縮機(jī)出口引出的高壓氨蒸氣,經(jīng)過(guò)節(jié)流閥 2-5降壓,進(jìn)入蒸發(fā)器。這時(shí)的蒸發(fā)器己經(jīng)作為冷凝器用,氨蒸氣凝結(jié)放熱,用于融霜。融霜結(jié)束如果沒(méi)有節(jié)流措施,直接打開(kāi)排向壓縮機(jī)的閥門,這部分液體在0.65 MPa壓力的作用下,急劇汽化形成液爆,并帶動(dòng)液體在集管內(nèi)高速流動(dòng),形成液錘并打在集管終端的封頭。

雖然液體沒(méi)有準(zhǔn)確形狀,在高速流動(dòng)中只能是以汽液兩相流的形式。但為了說(shuō)明問(wèn)題,我們做一些假設(shè)和化簡(jiǎn),把在管道中流動(dòng)的氨液體視為一段圓柱體。其長(zhǎng)度為S,直徑為D,兩側(cè)的壓力差為0.6 MPa,管道的壁厚為0.06D,長(zhǎng)度為L(zhǎng)。液體開(kāi)始的速度為零,并假設(shè)管道非常光滑,液體在流動(dòng)過(guò)程中沒(méi)有摩擦阻力,在管道中逐漸加速以最大速度撞擊到端蓋。如圖6所示。

圖6 液錘及管道圖

液體質(zhì)量:

推動(dòng)力:

加速度:

因ΔP和ρ都可認(rèn)為是定值,液體的加速度只和液柱的長(zhǎng)度成反比。從實(shí)際分析,液柱不能太短,也不能太長(zhǎng),可設(shè)D＜S＜3D。

假設(shè)在理想情況下,忽略流動(dòng)摩擦力,液體的運(yùn)動(dòng)為勻加速直線運(yùn)動(dòng),最終速度為vmax,撞擊時(shí)間為t,這個(gè)撞擊時(shí)間是將液柱認(rèn)為并不是一個(gè)剛性的整體,它可能有蒸氣夾帶,整段以最終速度撞擊端部的封頭,撞擊力為Fmax:

因?yàn)镾與D有比例關(guān)系,設(shè)S=3D,上式可變?yōu)?

可以認(rèn)為最后撞擊力與集管的直徑和長(zhǎng)度都成正比。

端蓋焊接處受到的破壞應(yīng)力σ:

破壞力與集管長(zhǎng)度成正比,與液體的長(zhǎng)度成反比,這是由于我們假設(shè),撞擊時(shí)間與液體的長(zhǎng)度成正比。

考慮焊接可能存在缺陷,設(shè)端蓋焊接強(qiáng)度相當(dāng)于同壁厚鋼管的抗拉強(qiáng)度的一半,根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 699-1999查閱鋼材的抗拉強(qiáng)度[σ]=335 Mpa,若要使得端蓋被打開(kāi),則有 σ ＞ 0.5[σ],即滿足L/S ＞ 35.51。若此比值達(dá)到臨界值,當(dāng)設(shè)管道內(nèi)徑為140 mm,S為3D時(shí),代入氨的狀態(tài)參數(shù),則液體最終速度的大約值為261.7 m/s。

在一個(gè)有限的空間內(nèi),液爆時(shí)液體汽化,體積會(huì)發(fā)生數(shù)百倍的變化,因此液爆和液錘發(fā)生極其迅速,瞬間完成,這樣的速度完全有可能。

上面的分析,雖然只是用簡(jiǎn)化的方法,也可得出液錘發(fā)生的一些規(guī)律。

1)液錘發(fā)生在細(xì)長(zhǎng)的低壓管道的端部。

2)如果管道有直角彎,液錘會(huì)打在彎頭部位。

3)低壓管道兩端可能存在壓力差,靠近壓縮機(jī)吸氣口一端壓力會(huì)更低些,如果發(fā)生液錘,一定打在靠近壓縮機(jī)的這一端。

4)由于液體的慣性,液錘不會(huì)進(jìn)入T型管接頭的垂直管段,而是“一往直前”。

5)液錘是液體高速流動(dòng)并瞬間撞擊前進(jìn)方向的阻擋物的結(jié)果,因撞擊在前進(jìn)方向上產(chǎn)生瞬間(毫秒級(jí))壓力突增,在管道中安裝的壓力表和傳感器測(cè)量不出來(lái)。

6)液錘即使沒(méi)有破壞管帽,也會(huì)將其沖量轉(zhuǎn)化為管路的振動(dòng)或變形,甚至?xí)斐烧w管路的位移。

5 如何避免液錘的發(fā)生

為了解決在融霜過(guò)程中因閥門開(kāi)啟過(guò)快造成的液錘現(xiàn)象,關(guān)鍵是控制好圖2中的6-7節(jié)流過(guò)程。丹佛斯公司研發(fā)了一種依靠閥門前后壓差、分兩步控制閥門開(kāi)啟度的回汽電磁閥。如圖7和圖8。第一步,當(dāng)電磁閥線圈通電后,閥的開(kāi)度為10%,使蒸發(fā)器內(nèi)壓力緩慢下降。第二步,當(dāng)閥門前后壓差小于0.15 MPa時(shí),閥門完全打開(kāi),這時(shí)壓差己無(wú)力形成液錘。

圖7 回汽電磁閥結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 回氣電磁閥工作條件下壓差示意圖

圖9 是熱氣除霜過(guò)程中冷風(fēng)機(jī)內(nèi)的壓力變化圖,如果按照這個(gè)圖控制蒸發(fā)器內(nèi)的壓力,不會(huì)發(fā)生液錘現(xiàn)象。

如果不采用圖7的組合閥,完全可以用兩個(gè)不同流量的截止閥或電磁閥并聯(lián)實(shí)現(xiàn)小流量和大流量的組合。

可以說(shuō),避免液錘發(fā)生的最核心的關(guān)鍵處,一是融霜前盡量排空蒸發(fā)器內(nèi)的低壓液體,二是閥組2的設(shè)計(jì)和操作。如果能對(duì)目前存在隱患的氨冷庫(kù)融霜操作系統(tǒng)進(jìn)行改造,就能達(dá)到安全運(yùn)行。當(dāng)然,對(duì)于任何閥件的選取、管道的選材和焊接質(zhì)量都不能有絲毫差錯(cuò),才能保證萬(wàn)無(wú)一失。

圖9 熱氣除霜過(guò)程中冷風(fēng)機(jī)內(nèi)的壓力變化圖

另外,在低壓集管的端部,設(shè)置緩沖系統(tǒng)也可有效防止液錘造成破壞。例如在管道內(nèi)部加入阻尼系統(tǒng),吸收液錘的動(dòng)量。如果從最壞的可能考慮,作為低壓集氣管的端頭管帽處,可安裝一個(gè)安全帽,將管帽部位套在其中,而不是暴露在冷庫(kù)或車間。這樣,萬(wàn)一發(fā)生管帽脫落,液氨會(huì)阻隔在安全帽之中,可解除氨泄漏的危險(xiǎn)。

6 結(jié)論

本文通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研,分析發(fā)生在2013年的兩起因熱氣融霜操作失誤引起的嚴(yán)重氨泄漏事故,給出了液爆、液錘的發(fā)生原因和液錘的動(dòng)量分析,以及避免發(fā)生液錘的方法。

由于國(guó)內(nèi)制冷教材、產(chǎn)品樣本或操作說(shuō)明中鮮有關(guān)于液錘的內(nèi)容,而液錘的發(fā)生密切關(guān)系到氨冷庫(kù)的安全和操作者的性命。作者希望將相關(guān)內(nèi)容展開(kāi)討論,對(duì)現(xiàn)在的氨冷庫(kù)進(jìn)行合理改造,以保證氨制冷系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

以上僅對(duì)參考文獻(xiàn)所涉及的故障現(xiàn)象作了分析,實(shí)際中的故障或事故可能有多方面的原因,本文難免掛一漏萬(wàn)。如有不當(dāng)之處 ,望各位同行多提寶貴意見(jiàn)。

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lnvestigation on Hot Gas Defrost and Liquid Hammer in Ammonia Cold Storage

MA Yi-tai*, GU Hao-xiang
(Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade Energy, MOE, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Two accidents of leak of ammonia that took place in 2013 were attributed to wrong operation of hot gas defrost. It is the liquid hammer that destroyed the elliptical head of the pipe, resulting in the great loss of life and property. The process of hot gas defrost is introduced according to the principle. The appearance of liquid explosion, liquid hammer and how to prevent it are also analyzed.

Ammonia cold storage; Hot gas defrost; Liquid explosion; Liquid hammer; Leak of ammonia

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.03.102

*馬一太(1945-),男,教授,博士。研究方向:制冷與熱泵節(jié)能技術(shù)。聯(lián)系地址:天津市南開(kāi)區(qū)衛(wèi)津路92號(hào),郵編:300072。聯(lián)系電話:022-87401539。E-mail:ytma@tju.edu.cn。