Неконденсируемые газы в холодильной системе — это газы, которые не превращаются в жидкость при нормальной эксплуатации. Они накапливаются в конденсаторе и могут вызвать пять распространенных проблем: повышенное давление конденсации, более высокую потребность в энергии, перегрузку компрессора, повреждение масла, загрязнение конденсатора и нестабильную температуру продукта. Эти проблемы особенно важны в промышленном холодильном оборудовании и системах замораживания продуктов питания, где стабильное охлаждение влияет как на срок службы оборудования, так и на качество продукции.
На основе опыта обслуживания промышленного холодильного оборудования и системы с использованием аммиака в этом руководстве объясняется, откуда берутся неконденсируемые газы, как они влияют на работу системы, как технические специалисты могут их обнаружить и как правильное вакуумирование и автоматическая продувка помогают удалить эти газы.
Что такое неконденсируемые газы и откуда они появляются?
Неконденсируемые газы — это газы, которые остаются в газообразном состоянии внутри холодильной системы. Они не переходят в жидкое состояние. К распространённым примерам относятся воздух, азот, водород, кислород и пары углеводородов.
НЦГ попадают в системы через три основных источника. В нижеследующей таблице описаны каждый из них:
- Неполное вакуумирование: Воздух остается в системе, если при установке или после ремонта вакуумный отсос недостаточно глубокий.
- Утечки на стороне низкого давления: Системы, работающие при давлении ниже атмосферного, пропускают воздух через изношенные сальниковые уплотнения штоков клапанов, уплотнители вала компрессора и резьбовые соединения.
- Внутреннее разложение: Аммиак со временем распадается на водород и азот. Масло для смазки разлагается при высокой температуре и выделяет углеводородные газы. Оба эти вещества накапливаются в виде NCG, даже в полностью герметизированной системе.
Согласно данным IIAR (2023), накопление NCG из-за разложения аммиака и масла происходит в любой системе с непрерывным циклом работы. NCG не похож на влагу или фракционирование хладагента. Влага замерзает внутри системы. Фракционирование применяется только к смешанным хладагентам. NCG остаются в виде газа постоянно, поэтому они накапливаются в конденсаторе и остаются там.
Почему давление конденсации (нагнетания) повышается выше нормального давления насыщения?
НЦГ накапливаются в конденсаторе и занимают место на поверхности теплообменника. Они не могут конденсироваться, поэтому они блокируют область, в которой хладагент должен выделять тепло. Система реагирует, повышая давление конденсации.
Физика этого процесса проста. Общее давление в конденсаторе равно сумме давления насыщенного хладагента и давления всех присутствующих NCG. Поэтому при наличии NCG в системе измеренное давление конденсации всегда выше, чем указано в графике давления и температуры для текущей температуры окружающей среды.
Расходы на энергию быстро увеличиваются. По данным IIAR (2023), каждые дополнительные 4 lbs (1,8 kg) давления конденсации при работе с NCG повышает потребление энергии компрессора на 2% и снижает производительность компрессора на 1%. В крупной системе с использованием аммиака круглый год эта потеря постоянно увеличивается. Ярким признаком NCG является высокий разрыв между температурой конденсации и температурой наружного воздуха. Когда этот разрыв слишком велик и змеевик конденсатора чист, NCG является вероятной причиной.
Что происходит с компрессором, когда давление конденсации (нагнетания) остаётся повышенным?
Высокое давление в системе компрессора заставляет его работать с более высоким коэффициентом сжатия, чем рассчитано на него. Это повышает температуру нагнетаемого газа и оказывает дополнительное давление на внутренние детали.
Три способа, которыми повышенное давление повреждает компрессор
Высокая температура нагнетания приводит к повреждению компрессора из-за трех взаимосвязанных проблем:
- Разрушение масляной плёнки: При нагревании масло становится менее вязким. Чем более тонкий слой масла, тем меньше защиты обеспечивается между движущимися металлическими частями, поэтому подшипники, поршни и клапанные пластины быстрее изнашиваются.
- Нагрузка на клапаны: Циклы сжатия при высоких температурах оказывают повторяющееся воздействие на детали клапанов, из-за чего они преждевременно изнашиваются.
- Риск гидроудара жидкого хладагента: Накопление неконденсируемых газов нарушает баланс давления. Это повышает риск попадания жидкого хладагента в цилиндр компрессора. Жидкость не может быть сжата в цилиндре. В результате могут погнуться шатуны, поломятся клапанные пластины или произойдет полная механическая поломка.
В системах с несколькими компрессорами — что характерно для установок IQF с спиральными морозильными камерами — NCG не распределяются равномерно по всем агрегатам. Это приводит к неравномерному износу и может привести к преждевременному выходу из строя одного из компрессоров при одних и тех же часах работы.
Как высокая температура нагнетания влияет на химический состав компрессорного масла холодильной системы?
Высокие температуры нагнетания вызывают химическую реакцию между кислородом, влагой и компрессорным маслом. Эта реакция приводит к образованию органических кислот внутри компрессора и охлаждающей системы.
Три части системы, подвергающейся воздействию кислот
В таблице ниже показаны, какие части системы поражают органические кислоты и к какому нарушению приводит каждый из них:
| Компонент | Действие кислоты | Результат неудачи |
| Обмотки электродвигателя | Разрушает электрическую изоляцию | Короткое замыкание обмотки |
| Металлические трубопроводы | Причиняет внутреннюю ржавчину и образование ям | Новые места утечки хладагента |
| Уплотнители и уплотнительные кольца | Разрушает материал уплотнителя | Новые пути для поступления воздуха |
Разрушение масла также приводит к образованию шлака. Шлакообразующие вещества накапливаются на поверхностях теплообменников и блокируют каналы возвращения масла. Попадание меньшего количества масла в компрессор ускоряет износ. Повреждения часто проявляются через несколько недель или месяцев после начала проблемы NCG. Это затрудняет установление истинной причины без тщательного анализа. Тест на кислотный показатель масла (AN) позволяет выявить проблему на ранней стадии. Кислотный показатель выше 0,05 мг KOH/г означает наличие загрязнения. Сочетание этого тестирования с более широким графиком обслуживания системы замораживания помогает предотвратить повреждения, связанные с NCG, до того, как они станут слишком дорогостоящими.
Какие долгосрочные повреждения могут возникнуть в результате использования испарительных конденсаторных труб?
Высокие температуры нагнетания, вызванные NCG, ускоряют образование минерального налета на трубах испарительного конденсатора. С течением времени NCG и налет ухудшают друг друга: NCG снижают производительность конденсатора, что повышает температуру нагнетания, что приводит к образованию большего количества налета, что еще больше снижает производительность.
На поверхности конденсаторных труб накапливается слой минерального налёта, который выполняет функцию теплового изолятора. Даже тонкий слой минерального налёта значительно снижает эффективность теплопередачи, согласно данным ASHRAE о термическом сопротивлении загрязнений. Это приводит к повышению давления при конденсации, что еще больше усугубляет проблему, созданную NCG. Это еще больше повышает давление при конденсации — что еще больше усугубляет проблему давления конденсации, уже возникшую из-за NCG. Два очевидных признака указывают на то, что на конденсаторных трубах начался процесс загрязнения:
- Температурный напор конденсатора (approach) превышает проектное значение
- Перепад давления на водяной стороне конденсатора увеличивается, поскольку отложения сужают проходное отверстие трубки.
Для устранения загрязнений необходимо проводить химическую чистку. При подтверждении загрязнения NCG необходимо скорректировать графики проведения осмотра и очистки конденсатора, чтобы предотвратить дальнейшее снижение эффективности работы.
Как нестабильное конденсационное давление влияет на температуру продукта в системах IQF?
Нестабильный конденсационный давление от NCG вызывает колебания температуры испарения. В цикле спиральных морозильных камер IQF требуется стабильная температура испарения для замораживания каждого куска продукта до постоянной температуры ядра.
В таблице ниже показано, как колебания температуры при испарении влияют на качество продуктов питания:
| Изменение температуры при испарении | Влияние на температуру в центре продукта | Результаты качества питания |
| ±0,5°C | Очень маленький | В пределах нормальных технологических допусканий |
| ±1,0°C | Продукция меняется на 1–2°C | Лимит для чувствительных продуктов |
| ±2,0°C | Продукция меняется на 3–4°C | Ущерб от кристаллизации льда; риск нарушения характеристик процесса |
| >±2,0°C | Неравномерное замораживание по ширине конвейерной ленты | Риск качества продукции и безопасности пищевых продуктов |
При неравномерном замораживании внутри продукта образуются более крупные кристаллы льда. Эти кристаллы разрушают клеточные мембраны в морепродуктах и мясе. Это приводит к увеличению потери жидкости при размораживании. Для обработки креветок, рыбы и мяса IQF более высокая потеря жидкости означает меньшую массу продукта и более низкий доход на килограмм. Регулировка температурных заданных значений в одиночку не решит эту проблему. NCG должны быть сначала удалены из системы.
Как можно обнаружить эти проблемы, прежде чем они приведут к отказу оборудования?
Стандартный тест для NCG сравнивает измеренный давление конденсатора с насыщающим давлением хладагента при текущей температуре окружающей среды. Показатель выше значения в таблице давления и температуры означает наличие NCG.
Пятиступенчатый полевой тест приведен ниже:
- Выключите компрессор. Постарайтесь не отключать вентилятор конденсатора.
- Подождите, пока температуры линии нагнетания, жидкостной линии и наружного воздуха сравняются.
- Запишите давление в конденсаторе, как только все три показания температуры будут одинаковыми.
- Узнайте давление насыщения хладагента при данной температуре на диаграмме P-T.
- Любой дополнительный избыток давления выше этой величины вызван NCGs.
Три другие проблемы вызывают похожие признаки, и сначала необходимо исключить именно их. Загрязнённый змеевик конденсатора сам по себе повышает давление конденсации — очистите его и повторите проверку. Недостаточный поток воздуха через конденсатор вызывает такую же увеличенную разницу между температурой конденсации и температурой наружного воздуха. Избыточная заправка хладагентом также повышает давление нагнетания. Прежде чем считать причиной неконденсируемые газы (NCGs), сравните массу заправки с проектной спецификацией. В аммиачных системах перегрев пара на нагнетании, значительно превышающий проектное значение, служит дополнительным признаком, требующим проверки. Уточните предусмотренный диапазон перегрева в проектной документации системы.
Как правильно удалить неконденсируемые газы из системы?
Автоматические многоточечные газоотделители являются оптимальным инструментом для удаления NCG из промышленных систем с аммиаком. Они работают непрерывно, извлекают NCG из точек конденсатора с наибольшим давлением и высвобождают гораздо меньше хладагента за цикл, чем ручные методы.
В таблице ниже сравниваются ручное и автоматическое очищение в четырех ключевых областях:
| Критерии | Ручное очищение | Автоматический многоточечный газоотделитель |
| Рефрижерант, высвобождаемый при очистке | Высокий | Низкий |
| Экспозиция оператора аммиаку | Воздействие происходит при каждой продувке | Очень низкий |
| Ведение учета соответствия требованиям | Несогласованность | Непрерывный журнал |
| Необходима рабочая сила | Высокий | Низкий |
Новые системы необходимо откачивать до уровня 500 микрон (0,5 Torr) или ниже перед первым наполнением хладагентом. Это удаляет воздух и влагу перед запуском. Вакуумметр с отсчётом в микронах — а не комбинированный мановакуумметр — является единственным инструментом, позволяющим подтвердить глубину вакуума. При открытии системы для обслуживания требуется полное повторное вакуумирование перед заправкой. Ниже приведены шаги, предотвращающие образование NCG:
- Вакуумируйте до 500 микрон и перед заправкой проверьте давление калиброванным вакуумметром с отсчётом в микронах.
- Во время эвакуации открывают электромагнитные клапаны, чтобы освободить воздух, заблокированный между компонентами
- При каждом техническом обслуживании проверяйте сальниковые уплотнения штоков клапанов, уплотнения вала и резьбовые соединения.
- Установите автоматический многоточечный газоотделитель в любую систему с аммиаком, работающую непрерывно
Часто задаваемые вопросы
Какие газы относятся к неконденсируемым в холодильной системе?
К неконденсируемым газам относятся компоненты воздуха (азот, кислород, аргон), водород, образующийся при разложении аммиака, и пары углеводородов, образующиеся при разложении смазочного масла. В нормальных рабочих условиях холодильной системы все они остаются газами и не конденсируются.
Как технические специалисты подтверждают наличие NCG без извлечения заправленного хладагента?
Техники останавливают компрессор, дают конденсатору остыть до температуры наружного воздуха, а затем измеряют давление в конденсаторе. Они сравнивают полученные значения с показателями графиков П-Т для хладагента при той же температуре. Любое превышение давления над показателями графиков указывает на наличие NCGs.
Могут ли неконденсируемые газы накапливаться в герметичной аммиачной системе без утечек?
Да. Со временем аммиак разлагается с выделением водорода и азота. Смазочное масло разлагается под действием тепла с выделением углеводородных газов. Согласно IIAR (2023), оба источника приводят к накоплению неконденсируемых газов (NCGs), даже если в системе нет утечек.
Какой уровень вакуума необходим перед зарядкой системы аммиака?
Система должна достигать значения 500 микрон (0,5 Torr) или ниже, прежде чем добавлять хладагент. Комбинированный мановакуумметр не может измерить такой уровень. Только вакуумметр с отсчётом в микронах обеспечивает точное показание при таком вакууме.
Сколько раз нужно проверять автоматический очиститель?
Автоматические системы очистки необходимо проверять при каждом плановом обслуживании. Анализ отчетов о частоте очистки позволяет выявлять тенденции. Увеличение частоты очистки означает появление новых источников NCG — обычно это рост утечек на стороне низкого давления или более быстрое разрушение масла.
В чём разница между неконденсируемыми газами и загрязнением влагой?
Влага конденсируется и замерзает, блокируя расширительные клапаны и дозирующие устройства. Неконденсируемые газы (NCGs) остаются в газообразном состоянии и накапливаются в конденсаторе. Оба загрязнения ухудшают работу системы, но устраняются по-разному. Влагу удаляют фильтрами-осушителями с адсорбентом. Неконденсируемые газы удаляют продувкой.
