制冷系统气体检测的优化方案

制冷系统气体检测的主要目的是：及时发现制冷剂有毒气体对操作人员以及周边库存产品的损害；防止系统中制冷剂不足造成能源消耗成本的增加；防止氟利昂制冷剂大量泄漏对臭氧层的破坏，或者形成温室气体效应。

目前，较为常见的用于现场检测的气体传感器有：电化学传感器、红外传感器、催化燃烧传感器、光离子化检测器、固态传感器、半导体传感器等。应用在制冷行业的传感器主要是：半导体传感器、电化学传感器、红外传感器和催化燃烧传感器。

所有的气体传感器技术，都是借助于气体本身的物理或者化学性质变化，通过光电技术将其转化为可被电子线路处理、放大、传输的电信号。因此，作为相对检测技术，所有的气体监测仪器都必须经常用标准浓度的气体进行标定^[15]。

电化学传感器^[16]是目前较为常见的检测无机类有毒有害气体的元件。由于电化学反应本身的性质决定，能很好地排除干扰组分影响的特定物质传感器还不是很多，市场上目前可以见到的大约有20种。电化学传感器的特点是体积小、耗电小、线性和重复性较好、寿命较长。这种传感器适用于氨气的检测。测量范围一般在0～5000×10^-6，使用这种传感器如果出现氨气大量泄漏，会严重影响其使用寿命^[16]（图11-26和图11-27）。

图11-26 电化学传感器的使用 时间与灵敏度的关系

图11-27 氨气大量泄漏对传 感器使用寿命的影响

催化燃烧传感器^[16]可以看成一个小型化的热量计，它的检测原理在几十年内没有大的变化。这是一个惠斯顿电桥的结构（图11-28）。在它的测量桥上涂有催化物质，在整个测量过程中是不被消耗的。即使空气中气体和蒸气浓度远远低于LEL（气体浓度），它们也会在这个桥上发生催化燃烧反应。主要用于检测易燃气体（包括氨气），使用寿命可以达到五年，反应时间约20～30s。

金属氧化物半导体传感器^[16]（MOS）既可以用于检测10^-6级的有毒气体，也可以用于检测易燃易爆气体的百分比浓度。正如前面讨论的，MOS传感器由一个金属半导体（比如SnO₂）构成。在清洁空气中，它的电导率很低，而遇到还原性气体，比如一氧化碳或可燃性气体，传感元件的电导率会增加。如果控制传感元件的温度，可以对不同的物质有一定的选择性。这种传感器可以测量易燃气体、有毒气体以及制冷剂气体，但对于混合气体中检测单一气体，或者可能出现高浓度干扰气体的地方不适用，如图11-29所示。

大多数气体在光谱的红外线区域具有特有的吸收频带，因此红外检测仪^[15]：可以用来检测不同的气体。通过参考光束相对比，可检测出来允许的气体浓度。这种传感器只适用于单一气体检测，不适合应用于有多种气体的监视环境中，如图11-30所示。

那么这些传感器应用于什么场合比较合适？表11-7给出了建议^[16]。

不同的制冷系统需要配合相应的气体探测器^[15]。

氨属于有毒物质，它的刺激性气味具有“自我报警能力”。为保证人员能及时采取安全措施，在机房使用气体探测器是必需的。此外，氨是常用制冷剂中唯一比空气轻的气体。碳氢化合物属于易燃易爆类制冷剂，因此必须确保制冷系统周围浓度不超过可燃性限制。

图11-28 惠斯顿电桥原理图

图11-29 半导体传感器对“宽”和“窄”灵敏度的反应

图11-30 Industrial Scientific红外检测器原理图

表11-7 各种传感器适合使用的场合

注：√表示最佳解决方案；（√）表示适用，但吸引力较弱；其余为不适用。

氟利昂制冷剂对环境有一定的影响，因此应避免任何泄漏。CO₂（二氧化碳）是空气的组成部分，大气中二氧化碳含量大约为0.04%（体积比）。二氧化碳密度较空气大，当二氧化碳少时对人体无危害，但其超过一定量时会影响人的呼吸。空气中二氧化碳的体积分数为1%时，人会感到气闷、头昏、心悸；3%时感到眩晕，呼吸困难；10%以上时使人神志不清、呼吸逐渐停止直至死亡。

法规及标准^[16]：

不同国家气体探测的要求是不同的。目前在欧洲实施的制冷系统安全标准为EN 378—2000，此标准在过去的几年里不断地更新。美国是根据ASHRAE 15—2004的要求进行气体探测。

传感器的安装要求^[16]：(www.xing528.com)

从采样方法上，固定检测探头分为自然扩散式和强制吸入式两种。自然扩散式将传感器安装在周围空间范围内检测，以确保监测整个空间。中控室及机电控制中心等人员常去的场所，使用强制吸入式。其宜安装在无冲击、无振动、无强电磁干扰的地方，尽量避免溅水、溅油和机械碰撞等外部因素对传感器的损伤，确保气体检测传感器灵敏、有效；且检测探头的周围，宜留出不小于0.3m的净空。检测比空气重（在标准状况下，气体密度大于0.97kg/m³的即认为比空气重，反之则比空气轻）的气体时，气体检测器的高度应距地面0.3～0.6m。过低容易被雨水淋，过高则超过比空气重的气体易于聚集的高度。维持气体检测传感器在量程范围内工作。各类气体检测器都有其特定的检测范围，只有在其测量范围内，才能保证仪器的测量准确可靠。若长时间超出测量范围进行检测，就可能对传感器造成永久性的破坏。如催化燃烧型检测器长期在超过100%LEL的环境中使用，就有可能烧毁传感器，而气体检测器，长时间在高浓度下使用也会造成损坏。所以，固定式仪器在使用时如果发生超限信号，要立即采取相应措施，以保证传感器安全。

测量比空气轻的气体时，传感器应安装在墙上、顶棚或接近排气处，气体检测探头宜高出释放源1～2m。安装位置应方便维护。

在国内除了上述安装要求外，传感器还需要安装在高压管安全阀的排放口。通常的原因是安全阀弹簧的质量问题，在系统压力还没有达到设定压力值时可能会自动打开。传感器最好能够与自动记录仪连接，因为如果是氟利昂系统，泄漏有可能无法知道（如果情况发生在夜间），大量的泄漏除了对环境产生破坏外，经济损失也是一个不小的问题。

气体检测器的位置^[16]：

气体检测器必须按照说明书中的要求，从控制器引出指定的电缆长度供电和安装。

通用要求：宜在无冲击、无振动、无强电磁干扰的地方安装。例如管路或管路支架，不允许安装在高温潮湿的环境中。检测探头的周围，宜留出不小于0.3m的净空。避免阳光直射，避免安装在湿度较高的环境中。

安装传感器的两种方法：强制吸入式，传感器安装在尽可能接近泄漏源的位置；自然扩散式，传感器完全环绕危险区域安装。

安装方法取决于设备的大小和性质。检测器位置高与低取决于实际制冷剂密度。如果存在机械通风机房，排风扇将抽走室内空气。在冷藏库中，如果可能，传感器应该放置在墙上，或低于人头部高度的回风位置上。

通用准则^[16]：

如果在房间内有一套压缩机/冷却器需要检测，则在装置的边界取样。两台冷却器或者有三台甚至更多冷却器，检测设备应该安装在设备之间和两边，确保区域采样可以监控全部区域，不要吝惜传感器的数量。

传感器应该安装在最有可能发生气体泄漏的地方，包括机械连接处、密封处，以及系统温度和压力产生规则变化的地方（如压缩机和蒸发器控制阀）。

气体检测器数量^[16]：

气体检测器的安装数量没有特别的规定标准。

一般准则：根据空间实际情况一个检测器可测得有效覆盖水平平面半径，面积通常约50～100m²。在有效覆盖面积内，应至少设置一台检测器。根据制冷剂的密度，安装在顶棚水平面或接近地板水平面的检测器，在中间隔断缺乏通风覆盖率的房间可测得面积约50m²。无阻隔的空间并具有良好的机械通气的房间，可测得面积约100m²。

机房：建议检测器安装在压缩机，或系统可能发生振动部件或设备的下风区。如果检测比空气轻的制冷剂，并且压缩机房的结构横梁比较高，建议将探测器安装在双梁之间梁的底部位置上。如果是一个空气流通的房间，检测点应位于最后的潜在泄漏源附近的下风区。

校准与测试^[16]：

每隔一段时间对气体检测器进行校准/测试是确保仪器准确、可靠的必要条件，考虑到不同的因素，需特别注意以下三个问题：

1）国家法律法规要求。

2）电化学传感器是耗损件，必须根据气体检测器实际类型和制冷剂浓度选择。

3）周期性地更换。

根据不同国家的标准，对这些检测器的测试有推荐校准间隔。表11-8是EN 378标准测试的规定。

表11-8 按照EN 378标准（欧洲标准）要求每年测试检测器

①如果检测器暴露于高氨浓度气体范围内，必须更换。

②必须进行功能测试。