閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器氨制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

邱錦光

(福建海峽建筑設(shè)計(jì)規(guī)劃研究院，福建福州350003)

前言

兩次節(jié)流制冷循環(huán)與一次節(jié)流制冷循環(huán)相比，制冷系統(tǒng)性能會(huì)有所提高，系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備初投資省。因此，兩次節(jié)流制冷循環(huán)正在成為發(fā)達(dá)國(guó)家冷庫制冷循環(huán)的主要設(shè)計(jì)趨勢(shì)之一。美國(guó)和加拿大冷庫制冷裝置中使用兩次節(jié)流的比例占到了32%［1］。

閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器是兩次節(jié)流的單級(jí)螺桿壓縮機(jī)氨制冷循環(huán)中的重要輔助設(shè)備之一。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)［2］和這兩年來的設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，給出了閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器的選型計(jì)算方法，以及不同的系統(tǒng)形式，所采用的不同管道設(shè)計(jì)方法。

1 兩次節(jié)流的單級(jí)螺桿壓縮機(jī)制冷循環(huán)系統(tǒng)

圖1、圖2分別給出了典型的兩次節(jié)流的單級(jí)螺桿壓縮機(jī)氨制冷循環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖和理論循環(huán)LogP－H圖。從蒸發(fā)器G吸入的低溫低壓的制冷劑氣體，經(jīng)壓縮機(jī)A壓縮成高溫高壓的制冷劑氣體，經(jīng)過油分離器B分離出潤(rùn)滑油后，送入蒸發(fā)式冷凝器C冷凝成高壓液體，并依靠重力流入貯液器D，從貯液器D出來的高壓液體經(jīng)節(jié)流閥E節(jié)流成中間壓力的液體，進(jìn)入閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器F。節(jié)流后的液體降溫至中間壓力下的飽和液體，再經(jīng)過第二次節(jié)流后，進(jìn)入蒸發(fā)器G吸熱蒸發(fā)，產(chǎn)生的制冷劑氣體被壓縮機(jī)A吸走，完成一個(gè)制冷循環(huán)。

在閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器中，節(jié)流過程中的產(chǎn)生的閃發(fā)氣體進(jìn)入壓縮機(jī)A的中間補(bǔ)氣口，在壓縮機(jī)A內(nèi)與從蒸發(fā)器G吸入的制冷劑氣體混合后繼續(xù)被壓縮。由于閃發(fā)的制冷劑液體吸收了其余液體的熱量而使其過冷，因此制冷量增加。由于壓縮機(jī)壓縮過程中吸入了來自閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器的閃發(fā)氣體，而使壓縮功略有增加，但增加的幅度遠(yuǎn)不如制冷量增加的幅度，因此壓縮機(jī)的制冷效率有所提高。

圖1 兩次節(jié)流的單級(jí)螺桿壓縮機(jī)氨制冷循環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

圖2 兩次節(jié)流的單級(jí)螺桿壓縮機(jī)氨制冷循環(huán)系統(tǒng)LogP－H圖

2 閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器的選型

2.1 選型計(jì)算公式

從兩次節(jié)流的單級(jí)螺桿壓縮機(jī)制冷循環(huán)分析可以看出，閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器的工作原理包含以下幾個(gè)方面:

①作為從冷凝器冷凝出來的高壓液體經(jīng)過第一次節(jié)流后收集起來的容器;

②將收集到的第一次節(jié)流后的中間壓力的飽和液體經(jīng)過第二次節(jié)流后送到低壓蒸發(fā)器中;

③第一次節(jié)流后的制冷劑液體進(jìn)一步過冷為中間溫度下的飽和液體;

④把第一次節(jié)流過程后所產(chǎn)生的中壓制冷劑氣體送入螺桿壓縮機(jī)的中間補(bǔ)氣口;

因此，閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器選型的關(guān)鍵在于滿足螺桿壓縮機(jī)所需的中間補(bǔ)氣負(fù)荷，并保證壓縮機(jī)中間補(bǔ)氣口吸入的制冷劑氣體是干燥的不帶液滴的。

閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器的工作原理和作用與氨制冷系統(tǒng)中的汽液分離器的作用是相類似的。因此，我們可以利用汽液分離器的選型計(jì)算方法來選擇閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器，其桶身直徑的計(jì)算公式為:

式中:

Geco—壓縮機(jī)所需中間補(bǔ)氣負(fù)荷的質(zhì)量流量，kg/s，詳式 (2);

v5′—中間壓力下氣體制冷劑的比容，m3/kg;

ω—?dú)怏w制冷劑的流速，取=0.5m/s

由兩次節(jié)流的單級(jí)螺桿壓縮機(jī)制冷循環(huán)系統(tǒng)理論循環(huán)LogP－H圖可得:

式中:

Qeco—壓縮機(jī)所需的補(bǔ)氣負(fù)荷，kW;

h5′—中間壓力下飽和氣體的焓，kJ/kg;

h5—冷凝壓力下飽和液體的焓，kJ/kg

以上計(jì)算公式中，壓縮機(jī)所需的補(bǔ)氣負(fù)荷，在工程設(shè)計(jì)中一般由壓縮機(jī)廠家提供或根據(jù)壓縮機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于國(guó)外品牌的螺桿壓縮機(jī)，可以通過其相應(yīng)的選型軟件，或通過詢問廠家技術(shù)人員提供。對(duì)于國(guó)產(chǎn)品牌的螺桿壓縮機(jī)，文獻(xiàn)［2］給出了可供工程上使用的推算方法。

2.2 經(jīng)濟(jì)器產(chǎn)品的選擇

由于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在氨制冷系統(tǒng)中普遍使用兩次節(jié)流的制冷循環(huán)，閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器已經(jīng)作為國(guó)外壓力容器廠家的定型產(chǎn)品，而被普遍使用。國(guó)內(nèi)在兩次節(jié)流制冷循環(huán)中的應(yīng)用較少，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)主要的氨制冷系統(tǒng)壓力容器生產(chǎn)商基本上沒有為兩次節(jié)流的單級(jí)螺桿壓縮機(jī)制冷循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)定型的閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器，因此在選擇該壓力容器時(shí)會(huì)遇到一定的困難。

鑒于閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器的工作原理和所發(fā)揮的作用與氨制冷系統(tǒng)的氨液分離器相類似，在國(guó)產(chǎn)氨制冷系統(tǒng)輔助設(shè)備的定型產(chǎn)品中，一般選擇臥式氨液分離器經(jīng)過小部分的修改后，作為閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器的替代品使用。因此，選型時(shí)，可將計(jì)算出的桶身直徑與標(biāo)準(zhǔn)臥式氨液分離器的直徑作比較，選用的標(biāo)準(zhǔn)臥式氨液分離器的直徑大于計(jì)算桶身直徑即可滿足要求。

2.3 閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器的其他運(yùn)用

國(guó)內(nèi)采用氨制冷系統(tǒng)的冷庫設(shè)計(jì)中，沖霜排液一般排到專門設(shè)置的排液桶，或者使用低壓循環(huán)貯液桶兼作排液桶來使用。前者需要專門設(shè)置排液桶并入系統(tǒng)中，雖然操作起來比較靈活方便，但是卻使系統(tǒng)變得復(fù)雜，且增加了部分設(shè)備管道及閥門的初投資。后者雖然可使系統(tǒng)簡(jiǎn)化，節(jié)省部分投資，但是當(dāng)系統(tǒng)中某一冷間沖霜時(shí)，放熱冷凝后產(chǎn)生的高壓液體經(jīng)過節(jié)流后排入低壓循環(huán)貯液桶，節(jié)流閥兩端的壓差較大，不可避免的產(chǎn)生大量閃發(fā)氣體，從而影響了低壓循環(huán)貯液桶的壓力，繼而影響了其它冷間的制冷效果。

在兩次節(jié)流的單級(jí)螺桿壓縮機(jī)制冷循環(huán)系統(tǒng)中，沖霜排液經(jīng)過節(jié)流后，可直接排入閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器。與節(jié)流后排入低壓循環(huán)貯液桶相比，節(jié)流閥前后的壓差較小，所產(chǎn)生的閃發(fā)氣體也較少，不會(huì)對(duì)其他冷間的制冷效果產(chǎn)生影響，因此，相比之下更加節(jié)能、合理。

當(dāng)閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器兼作排液功能時(shí)，選型過程中除了要考慮滿足壓縮機(jī)所需要的中間補(bǔ)氣負(fù)荷 (即要滿足最小桶身直徑要求)外，還應(yīng)增加沖霜排液時(shí)所需要的容積。關(guān)于沖霜排液所需要的容積可參照文獻(xiàn)［3］的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器的工作原理與殼管式或直接膨脹式的經(jīng)濟(jì)器完全不同，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，其與系統(tǒng)的連接也完全不同于前述兩者。本文通過介紹閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器與螺桿壓縮機(jī)中間補(bǔ)氣口之間的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，來闡明其不同之處。

3.1 單臺(tái)螺桿壓縮機(jī)時(shí)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)螺桿壓縮機(jī)卸載時(shí)，滑閥與螺桿壓縮機(jī)中間補(bǔ)氣口的相對(duì)位置發(fā)生變化，由于滑閥的旁通作用，使得中間補(bǔ)氣口完全與壓縮機(jī)的吸氣端相連。也就是說，壓縮機(jī)中間補(bǔ)氣口的壓力會(huì)隨著壓縮機(jī)負(fù)荷的減小而下降。為了使閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器與蒸發(fā)器之間保持一個(gè)預(yù)設(shè)的壓差，必須在閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器與螺桿式壓縮機(jī)中間補(bǔ)氣口之間的管道上設(shè)置一個(gè)背壓閥 (如圖3所示)。如果沒有設(shè)置這個(gè)背壓閥BPR，當(dāng)壓縮機(jī)的滑閥卸載時(shí)，閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器的壓力將會(huì)逼近吸氣端的壓力 (即蒸發(fā)器的壓力)，繼而使閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器與蒸發(fā)器之間沒有足夠的壓差，使得閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器內(nèi)的中壓液體不能夠順利的進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱蒸發(fā)，從而造成系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。

另一方面，當(dāng)閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器帶有某些高溫冷間(例如低溫穿堂)的冷負(fù)荷時(shí)，由于冷間的負(fù)荷波動(dòng)劇烈，使得閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器內(nèi)的壓力驟升。此時(shí)就必須在閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器的氣體出口管路上額外增加一套出口壓力控制閥，以保證進(jìn)入壓縮機(jī)中間補(bǔ)氣口的壓力不能過高，從而避免壓縮機(jī)電機(jī)過載停機(jī)。

圖3 單臺(tái)螺桿壓縮機(jī)時(shí)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖

閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖如圖3所示。從圖中可以看出，在閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器與壓縮機(jī)中間補(bǔ)氣口之間設(shè)置有過濾器STR、單向閥CHK以及電磁閥SOL。其中過濾器STR的作用是防止系統(tǒng)中的鐵屑等雜質(zhì)進(jìn)入電磁閥SOL、背壓閥BPR以及壓縮機(jī)中，而單向閥CHK則是為了防止系統(tǒng)停止工作期間，壓縮機(jī)內(nèi)的潤(rùn)滑油流入閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器中。電磁閥受螺桿壓縮機(jī)微處理器控制。對(duì)于國(guó)外品牌的螺桿壓縮機(jī)，微處理器根據(jù)滑閥的上載情況決定電磁閥SOL的開啟，而對(duì)于國(guó)產(chǎn)品牌的螺桿壓縮機(jī)，則是根據(jù)低壓回氣壓力來決定電磁閥SOL的開關(guān)［2］。

需要注意的是，系統(tǒng)中的單向閥CHK應(yīng)該選用流通阻力相對(duì)較小的活塞式單向閥，而不采用常規(guī)的彈簧式單向閥。因?yàn)楹笳吒菀装l(fā)生由于氣體脈動(dòng)引起的故障。

在安裝位置上，圖3中閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器與螺桿壓縮機(jī)之間的閥門應(yīng)盡可能的靠近螺桿壓縮機(jī)安裝，根據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)，最好安裝在距離螺桿壓縮機(jī)中間補(bǔ)氣口1～1.5m的范圍之內(nèi)。

3.2 多臺(tái)螺桿壓縮機(jī)并聯(lián)時(shí)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于大型氨制冷系統(tǒng)冷庫，常常是多臺(tái)螺桿壓縮機(jī)并聯(lián)使用。為了節(jié)省設(shè)備初投資，設(shè)計(jì)上一般采用多臺(tái)螺桿壓縮機(jī)共用一臺(tái)閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器的形式。在這種情況下，當(dāng)一臺(tái)或幾臺(tái)螺桿壓縮機(jī)處于部分負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，如何平衡螺桿壓縮機(jī)之間的補(bǔ)氣負(fù)荷就顯得非常重要了。建議的做法是，每臺(tái)螺桿壓縮機(jī)中間補(bǔ)氣口前的管道上單獨(dú)配置一套背壓閥BPR(如圖4)，以平衡多臺(tái)螺桿壓縮機(jī)之間的中間補(bǔ)氣口負(fù)荷以及氣體流量。

對(duì)于使用國(guó)外品牌的螺桿壓縮機(jī)，當(dāng)滑閥上載到85%～90%的位置時(shí)，螺桿壓縮機(jī)的微處理器輸出信號(hào)使補(bǔ)氣電磁閥SOL開啟補(bǔ)氣。為了節(jié)省自控閥門的初投資，可將圖4的系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)為圖5所示的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖4 多臺(tái)螺桿壓縮機(jī)并聯(lián)時(shí)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖

圖5 多臺(tái)螺桿壓縮機(jī)并聯(lián)時(shí)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)簡(jiǎn)圖

4 結(jié)語

閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器的制冷系統(tǒng)采用的是兩次節(jié)流的單級(jí)螺桿壓縮機(jī)制冷循環(huán)。同等情況下，兩次節(jié)流制冷循環(huán)與一次節(jié)流制冷循環(huán)相比，單位質(zhì)量制冷量提高了2.0%，理論制冷系數(shù)提高了1.3%。根據(jù)筆者這兩年來的設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，系統(tǒng)運(yùn)行正常平穩(wěn)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，非常適合低溫冷庫制冷系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。

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