制冷管道中的气锤现象

制冷管道中的气锤现象
程有凯　常　琳
(大连水产学院制冷教研室)
摘　要　本文通过对冷库制冷系统管道的事故原因分析,并与水锤现象进行对比,说明了制冷系统回气管道中出现气锤现象的原因,并提出了解决气锤现象的方法。

关键词　制冷　气锤现象　制冷回气管
THE G AS HAMMER PHEN OMEN ON IN REFRIGERATION PIPE
CHEN G Y oukai CHAN G Lin
ABSTRACT The article analyses a accident in return gas pipe of refrigerating system.And it gives the reason of gas hammer phenomenon in contrasts with water hammer phenomenon.In the last it poses solving way.
KE Y WOR DS refrigeration gas hammer phenomenon refrigeration return gas pipe
1　引言
大连某渔业公司冷库在进行改造后,增设了新的速冻间,速冻间采用搁架加顶排管式冻结,流程为串联式。

回气管道为Φ133mm ,距机房约为100m 左右。

工作时蒸发温度大约在-40℃～-50℃,制冷剂为氨,液泵供液,用两台或三台8AS J 17压缩机同时工作。

冷库投产后,在速冻结
束停机以后,回气管道靠近低压循环桶处会发出“咚”、“咚”的几声爆响,爆响声断断续续逐渐减弱,一直能延续二十几分钟。

这种爆响声犹如建筑上用于打桩的气锤声,沉闷而又带有金属音。

该冷库的这种响声,使得在新速冻间投产后的两三个月中靠近机房处的回气管道发生两次断裂事故,断口整齐。

发生断裂后厂方认为是施工单位选材不当,而施工单位认为是管道发生共振引起的断裂,一直没有明确的解释。

应邀考察现场后,对于这种响声现象,我们认为应属于“气锤现象”。

气锤现象在制冷系统中较难见到,造成管路断裂事故就更少见了。

该冷库回气管道两度断裂就是一种典型的气锤现象造成的破坏性事故。

2　气锤现象和水锤现象
对于气锤现象人们很难见到,而对于与之物理意义相似的水锤现象却并不少见。

有不少居民楼
的自来水管道在突然打开时会产生“刚”、“刚”或“突”、“突”、“突”等不同音调和有节奏的响声,这是一种水锤现象。

所谓“水冲击”,又称“水锤”。

给水管道中的水锤现象就是由于管道中存有蒸汽或空气,阀门关闭过快过猛而产生的[1]。

水锤现象的产生是由于水流产生流动后又突然受阻,而后面的水流又具有一定的动能,把动能突然释放出来而产生的冲击。

在产生冲击时如果有可缓冲的空气室存在就可以造成连续而有节奏的响声。

有的水龙头在突然打开时产生的响声除了因为管道中有空气室存在外,水龙头的皮垫硬化松动并且随水锤现象一关一闭,加强了水锤作用,可使响声一直持续很久。

由于自来水管道设计承压较高,水锤产生的力不是很大,一般不会造成破坏,但对于较脆弱的管道,若水锤现象再引发管路共振就可能造成破坏使水管断裂。

我国科技工作者早在20世纪60年代前就利用水锤现象设计生产了水锤泵,用于农业提水灌
溉,对于部分偏僻或经济不发达但具有河(溪)渠等水力资源的山区,水锤泵具有广泛的应用价值[2]。

它是利用有一定落差的水流进入泵中产生水锤现象,压缩空气室中的水,把一部分水泵送到比水源更高的地方进行农田灌溉。

这种泵的最大优点在
于,它是利用水的位能工作而不需要电力或其他能源。

气锤现象的产生与水锤现象相似,也是由于高速流动的流体在突然受阻释放出动能所造成的一种压力冲击。

不同之处在于气体可被压缩,气流的动能又大大小于水,产生明显的气锤现象的机会就较少。

只有在管道足够长,气流夹带液柱运动时才能见到明显的气锤现象。

产生于大连某渔业公司冷库的制冷管道中的响声,刚停机时响声并不明显,而3～5分钟后才开始产生响声,初始声音较重,后来逐渐减弱,这与蒸发器中蒸发过程减弱及管道中的压力回升有关。

该系统的管道中响声是如何产生的?原因分析如下:
速冻结束停机后,由于管道存在坡度,100m 长管道中的液体在3～5分钟后基本上都回到了低压循环桶中,形成一段长长的低压管道,并且长而直。

停机后,搁架中的液体还会吸热蒸发产生气体,由于是串联布置,前面的管道产生液封,当产生的气体积累到一定量和达到一定压力冲开液封时,这个压力就产生一种动能,并带动一段液封的液体在管道中高速流动,在管道中又不断被加速,犹如一匹野马突然脱缰,向前狂奔,在加速流动中动能不断增大,类似长长的枪管,使子弹在其中不断加速一样。

在流动到端头时,管道突然改变方向,气体所夹带的液封突然把动能变成压力能就会产生很大的冲击和响声。

蒸发器中产生的气体不断累积,达到一定压力再次冲破液阻,又会产生一次气锤现象。

这样断断续续的响声一直会持续到管道中压力升高,蒸发器中的蒸发过程减弱为止。

这种气锤现象很像打桩用的气锤,从高处下落不断加速,势能变为动能,在接触桩头时,突然把动能释放变成压力能把桩打入地下的情况。

由于气锤现象产生的压力冲击巨大,造成末段回气管道弯头附近(靠近机房端回气管道)发生断裂就不奇怪了。

我们也可以用一个简单的物理模型来解释:假设有一段很长的水平管道(直径D为0.1m),忽略所有摩擦阻力,有一段小液柱(视为质点)重1kg,它在前后压力差为0.2bar的蒸汽推动下以初速度1m/s运动,求它前进100m后的速度和动能,如果在距它100m处有个挡板,求它对挡板的平均作用力,设作用时间Δt为0.01s。

由动能定理可知E2-E1=ΔP×A×L
即1/2(m×v22)-1/2(m×v12)=ΔP×A×L[3]
将A=1/4(π×D2)代入上式,并由已知条件可得v2=177.2(m/s)
此时动能E2=1/2(m×v22)[3]=15700(J)
根据冲量定理I=F′×Δt=0-m×v2[3]
求出F′=-17720(N)
这个平均作用力F’是很大的,我们可以把它换算成为重为1kg的物块从高空中做自由落体运动的情况,同样我们忽略所有摩擦阻力,假定物块与地面作用时间为0.01s,物块距地面高度为S。

相关公式如下:S=1/2(g×t2),
v=g×t=(2×g×s)1/2
I=F′×Δt=m×v-0[3]
求出S=1602(m)
以上公式中:
E1,E2—为液柱初始和末状态的动能;
ΔP—为液柱前后两端压力差;
A—为管道横截面积;
v1,v2—为液柱始末速度;
F′—为液柱对挡板的平均作用力;
S—为高度;
v—为物块与地面接触时的速度。

由以上计算可知,液柱对挡板的作用力相当于与其质量相同的物块从大约1600米的高空落下时对地面的平均作用力,这个力是相当大的,很有可能会对管路造成破坏。

当然,在实际问题当中,由于液柱要受到管道的摩擦阻力等因素的影响,它对管道的作用力应比计算值要小一些。

类似的气锤现象还会产生在供热高压蒸汽管道中。

总体说来在热力系统中这种现象比较多,当输出的蒸汽与少量的积水相遇时,部分热量被水迅速吸收,使少量蒸汽冷凝成水,体积突然缩小,形成局部真空,引起周围水介质的高速冲击,产生巨大的音响和震动。

另外,在管道内,流水有时被空气和蒸汽阻塞,使水流不能畅通,也会发生冲击音响和震动。

蒸汽管道出现水冲击是最常见的现象,主
要表现为管系上周期性地发生“咚咚”声响且剧烈地抖动,管道穿墙处则墙壁震动、掉灰[1]。

3　避免制冷管道中气锤现象破坏的措施
前面提到的冷库管道由于气锤现象造成管道两次断裂事故,如果不能采取适当的措施加以避免,这种破坏也许还会发生。

由于这种现象和破坏很少发生,又很少有人谈及,下面谈一下我们的看法供参考。

(1)、这种现象产生于长而直的回气管道。

对于制冷系统的设计,应尽量把速冻间等蒸发温度低、耗冷量大的冷间及设备靠近机房布置,避免了回气管道过长,可使气锤现象产生时,由于加速段短,而难以形成破坏。

(2)、产生气锤现象时需要有一定的液塞(液囊),在设计蒸发器回气管道时应避免形成液囊,使蒸发器产生的气体顺利进入回气管道。

蒸发器组之间的连接应并联而不应该串联,串联方式也会形成液囊使气体受阻而产生气锤现象。

(3)、在已产生气锤现象的系统中,在停机后立即向低压循环桶中加压能够防止产生气锤现象,可以采用把高压气体接入低压循环桶加压的方法。

4　结论
大连某渔业公司冷库制冷系统管道产生的响声属于一种“气锤现象”,气锤现象可以造成管道断裂等事故。

在制冷系统回气管路及蒸发器联接的设计上,应避免产生液囊,避免回气管道过长,这样就可以避免产生气锤现象。

对于已产生气锤现象的系统,可以在停机后立即向低压循环桶中加压,这样可以避免产生气锤现象。

参考文献
1　黄生琪,周菊华.热力管系水冲击的分析处理及防范措施.工业安全与环保,2001,(27):28-30. 2　刘英学,陶毅,刘高联.水波泵的流体力学原理与设计计算.流体机械,2003,(31):15-18.
3　金仲辉,梁德余.大学基础物理学.北京:科学出版社,2000年3月第一版.。