對(duì)氟利昂制冷系統(tǒng)供液方式的計(jì)算與分析

關(guān)朋，高東磊，劉國(guó)峰

（開封空分集團(tuán)安裝工程有限公司，開封，475000）

冷庫采用氟利昂制冷系統(tǒng)時(shí)，供液方式主要有膨脹閥供液和桶泵機(jī)組供液兩種方式，習(xí)慣上稱之為直膨式和滿液式。在目前的制冷行業(yè)中，許多人認(rèn)為膨脹閥供液方式的制冷效果不如桶泵機(jī)組供液方式，下面，就以某冷庫為例，對(duì)兩者做一下計(jì)算與分析。

1 冷庫基本概況

該冷庫包含有高溫庫、低溫庫、速凍庫，各冷庫的分間及技術(shù)要求見表1：

表1 各冷庫的分間及技術(shù)要求

2 制冷機(jī)組系統(tǒng)

2.1 各冷庫制冷機(jī)組的選型及技術(shù)參數(shù)

?

各冷庫的制冷機(jī)組均選用螺桿式并聯(lián)壓縮機(jī)組，機(jī)頭為比澤爾品牌，制冷劑為R507A。高溫庫選用1臺(tái)4×HSK8571-140型機(jī)組，低溫庫選用1臺(tái)2×HSN8571-125型機(jī)組，速凍庫選用1臺(tái)3×HSN8591-160型機(jī)組，各機(jī)組在不同運(yùn)行工況時(shí)的制冷量及軸功率見表2：

表2 各機(jī)組在不同運(yùn)行工況時(shí)的制冷量及軸功率

2.2 計(jì)算各冷庫機(jī)組在設(shè)計(jì)工況時(shí)的制冷劑循環(huán)量

計(jì)算過程見表3：

表3 各冷庫機(jī)組在設(shè)計(jì)工況時(shí)的制冷劑循環(huán)量

h飽和蒸氣—蒸發(fā)溫度時(shí)飽和蒸氣的焓值，kJ/kg，蒸發(fā)溫度-10 ℃、-28 ℃、-40 ℃時(shí)分別為356.97、347.03、340.03；

h節(jié)流—制冷劑液體在設(shè)計(jì)工況時(shí)節(jié)流后的焓值，kJ/kg，對(duì)于高溫庫，為35 ℃飽和液體節(jié)流后的焓值，為251.775。對(duì)于低溫庫，為35 ℃飽和液體過冷至12.2 ℃，節(jié)流后的焓值，為217.199。對(duì)于速凍庫，為35℃飽和液體過冷至5.7 ℃，節(jié)流后的焓值，為207.9485。

3 桶泵機(jī)組供液系統(tǒng)

制冷劑液體在進(jìn)入低壓循環(huán)桶節(jié)流時(shí)，產(chǎn)生的氣體制冷劑，并不進(jìn)入蒸發(fā)器，而是直接被壓縮機(jī)吸走，實(shí)際參與蒸發(fā)器制冷循環(huán)的為保留下來的液體制冷劑，只要該部分制冷劑循環(huán)量，能夠滿足蒸發(fā)器發(fā)揮出來的蒸發(fā)量，即可正常制冷。

3.1 計(jì)算各冷庫蒸發(fā)器在設(shè)計(jì)工況時(shí)所分配到的制冷劑循環(huán)量

該制冷劑循環(huán)量即為飽和液體或過冷液體節(jié)流后，保留下來的液體制冷劑循環(huán)量，也是蒸發(fā)器的液體蒸發(fā)量，其計(jì)算過程見表4：

X—制冷劑液體節(jié)流后的氣化率，高溫庫、低溫庫、速凍庫分別為0.392、0.3、0.32。

3.2 計(jì)算氟泵

3.2.1 計(jì)算各冷庫在設(shè)計(jì)工況時(shí)所需的氟泵體積循環(huán)量

計(jì)算氟泵體積循環(huán)量時(shí)要注意，氟利昂系統(tǒng)的循環(huán)倍率與氨系統(tǒng)有所不同，氨系統(tǒng)中，氨與油不互溶，冷風(fēng)機(jī)中的油，要通過氨液的快速流動(dòng)帶回低壓循環(huán)桶。所以，氨系統(tǒng)的循環(huán)倍率通常取3～4倍，對(duì)于某些負(fù)荷有波動(dòng)、蒸發(fā)器較多、容易集油的下進(jìn)上出式系統(tǒng)，循環(huán)倍率甚至取5～6倍［1］。對(duì)于氟利昂系統(tǒng)，由于氟利昂與油互溶，回氣中夾帶的液體可將油帶回低壓循環(huán)桶，所以，循環(huán)倍率取1.5倍即可。計(jì)算過程見表5：

表5 各冷庫在設(shè)計(jì)工況時(shí)所需氟泵體積循環(huán)量的計(jì)算

n—循環(huán)倍率，取1.5倍；

ν飽和液體—蒸發(fā)溫度時(shí)飽和液體的比容，m3/kg，蒸發(fā)溫度-10 ℃、- 28 ℃、- 40 ℃時(shí)分別為0.000837591、0.000795862、0.000771843。

3.2.2 氟泵的選型及技術(shù)參數(shù)

氟泵選用海密梯克品牌，型號(hào)及技術(shù)參數(shù)見表6：

表6 各冷庫氟泵的型號(hào)及技術(shù)參數(shù)

3.3 計(jì)算各冷庫在設(shè)計(jì)工況時(shí)蒸發(fā)器出口處氣液混合物的焓值

由于氟泵的供液量大于蒸發(fā)器的氣化量，所以，蒸發(fā)器出口處的制冷劑為氣液混合物狀態(tài)，可根據(jù)公式Q機(jī)組=n·q蒸發(fā)器循環(huán)量·（h氣液混合-h飽和液體）/3600，計(jì)算該股氣液混合物的焓值，計(jì)算過程見表7：

表7 各冷庫在設(shè)計(jì)工況時(shí)蒸發(fā)器出口處氣液混合物焓值的計(jì)算

h飽和液體—蒸發(fā)溫度時(shí)飽和液體的焓值，kJ/kg，蒸發(fā)溫度-10 ℃、-28 ℃、-40 ℃時(shí)分別為186.39、162.75、147.49。

根據(jù)計(jì)算的焓值，在R507A壓焓圖中查找各自對(duì)應(yīng)的氣體率。查圖可知，各冷庫蒸發(fā)器出口處的氣液混合物氣體率基本上為0.67，即1.5倍的蒸發(fā)器制冷劑循環(huán)量中，有2/3蒸發(fā)為氣體，進(jìn)入壓縮機(jī)吸氣，剩余1/3仍為液體，流入低壓循環(huán)桶繼續(xù)參與氟泵循環(huán)。

3.4 蒸發(fā)器的選型及技術(shù)參數(shù)

蒸發(fā)器選用下進(jìn)上出式鋁管鋁翅片冷風(fēng)機(jī)，冷風(fēng)機(jī)的型號(hào)及技術(shù)參數(shù)見表8：

表8 冷風(fēng)機(jī)的型號(hào)及技術(shù)參數(shù)

3.5 計(jì)算各冷庫的氟泵體積循環(huán)量能否滿足冷風(fēng)機(jī)在不同運(yùn)行工況時(shí)的液體蒸發(fā)量

冷庫降溫過程中，蒸發(fā)溫度由高到低遞減，高溫庫蒸發(fā)溫度以5 ℃、0 ℃、-5 ℃為參考，低溫庫蒸發(fā)溫度以-15 ℃、-20 ℃、-25 ℃為參考，速凍庫蒸發(fā)溫度以-15 ℃、-20 ℃、-30 ℃為參考，進(jìn)行以下計(jì)算。

3.5.1 計(jì)算各冷庫冷風(fēng)機(jī)在不同運(yùn)行工況時(shí)的液體蒸發(fā)量

該液體蒸發(fā)量，即為飽和液體或過冷液體節(jié)流后，保留下來的液體制冷劑循環(huán)量，其計(jì)算過程見表9：

表9 各冷庫冷風(fēng)機(jī)在不同運(yùn)行工況時(shí)的液體蒸發(fā)量

h飽和蒸氣—不同蒸發(fā)溫度時(shí)飽和蒸氣的焓值，kJ/kg，蒸發(fā)溫度5 ℃、0 ℃、-5 ℃、-15 ℃、-20 ℃、-25 ℃、-30 ℃時(shí)分別為364.47、362.07、359.57、354.29、351.54、348.735、345.88；

h節(jié)流—制冷劑液體節(jié)流后的焓值，kJ/kg，對(duì)于高溫庫運(yùn)行工況，以及低溫庫、速凍庫經(jīng)濟(jì)器未開啟時(shí)的運(yùn)行工況，為35 ℃飽和液體節(jié)流后的焓值，均為251.775。對(duì)于低溫庫經(jīng)濟(jì)器開啟時(shí)的運(yùn)行工況，當(dāng)蒸發(fā)溫度為-20 ℃、-25 ℃時(shí)，35 ℃飽和液體過冷后的溫度分別為17.9 ℃、14.4 ℃，其節(jié)流后的焓值分別為225.503、220.382。對(duì)于速凍庫經(jīng)濟(jì)器開啟時(shí)的運(yùn)行工況，當(dāng)蒸發(fā)溫度為-20 ℃、 -30 ℃時(shí)，35 ℃飽和液體過冷后的溫度分別為19.7 ℃、13.4 ℃，其節(jié)流后的焓值分別為228.166、218.933；

X—制冷劑液體節(jié)流后的氣化率，5 ℃/35 ℃、0 ℃/35 ℃、-5 ℃/35 ℃、-15 ℃/35 ℃、-20 ℃/35 ℃、-25 ℃/35 ℃、-30 ℃/35 ℃工況時(shí)分別為0.295、0.32、0.37、0.415、0.3、0.305、0.323。

3.5.2 計(jì)算各冷庫在不同運(yùn)行工況時(shí)，氟泵體積循環(huán)量對(duì)應(yīng)冷風(fēng)機(jī)液體蒸發(fā)量的循環(huán)倍率

計(jì)算過程見表10：

表10 氟泵體積循環(huán)量對(duì)應(yīng)冷風(fēng)機(jī)液體蒸發(fā)量循環(huán)倍率的計(jì)算

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ν飽和液體—蒸發(fā)溫度時(shí)飽和液體的比容，m3/kg，蒸發(fā)溫度5 ℃、0 ℃、-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃、-25 ℃、-28 ℃、-30 ℃、-40 ℃時(shí)分別為0.000879933、0.000864827、0.0008507 38、0.000837591、0.000825151、0.000813405、0.0 00802278、0.000795862、0.00079164、0.000771843。

從表10可以看出，對(duì)于蒸發(fā)溫度較高的運(yùn)行工況，氟泵體積循環(huán)量對(duì)應(yīng)冷風(fēng)機(jī)液體蒸發(fā)量的循環(huán)倍率較小，有人擔(dān)心在初期降溫過程中，冷風(fēng)機(jī)的供液量會(huì)有所不足。而在實(shí)際運(yùn)行中，由于冷風(fēng)機(jī)面積是按設(shè)計(jì)工況進(jìn)行選取的，對(duì)于蒸發(fā)溫度較高、制冷量較大的運(yùn)行工況，該冷風(fēng)機(jī)面積將顯得不足，雖然在蒸發(fā)溫度較高時(shí)，冷風(fēng)機(jī)的換熱系數(shù)會(huì)有所增加，有利于制冷劑液體的蒸發(fā)，但由于冷風(fēng)機(jī)面積的限制，并不能使制冷劑液體得到更多地蒸發(fā)。所以，冷風(fēng)機(jī)在較高的蒸發(fā)溫度下運(yùn)行時(shí)，實(shí)際的液體蒸發(fā)量要小于表9中的計(jì)算值，即氟泵體積循環(huán)量對(duì)應(yīng)冷風(fēng)機(jī)液體蒸發(fā)量的循環(huán)倍率，要大于表10中的計(jì)算值。

當(dāng)各冷庫運(yùn)行至設(shè)計(jì)工況時(shí)，氟泵供液量已超出冷風(fēng)機(jī)1.5倍的循環(huán)倍率，可通過氟泵出口處的旁通閥，將多余的制冷劑液體排入低壓循環(huán)桶。

通過以上計(jì)算可以看出，對(duì)于桶泵機(jī)組供液系統(tǒng)，隨著蒸發(fā)溫度的不斷降低，氟泵的供液量也越來越大于冷風(fēng)機(jī)的液體蒸發(fā)量，這些液體存在于冷風(fēng)機(jī)盤管內(nèi)，占據(jù)盤管容積，反而會(huì)影響一部分盤管面積的蒸發(fā)。

4 膨脹閥供液系統(tǒng)

采用膨脹閥供液系統(tǒng)時(shí)，制冷劑液體經(jīng)膨脹閥節(jié)流后產(chǎn)生的氣體和液體，均進(jìn)入冷風(fēng)機(jī)進(jìn)行制冷循環(huán)，此時(shí)，冷風(fēng)機(jī)的制冷劑循環(huán)量即為壓縮機(jī)的制冷劑循環(huán)量，只要膨脹閥產(chǎn)生的制冷量，能夠滿足冷風(fēng)機(jī)發(fā)揮出來的制冷量，即可正常制冷。

4.1 各冷庫冷風(fēng)機(jī)、膨脹閥的選型及技術(shù)參數(shù)

各冷庫均選用帶分液器的銅管鋁翅片型冷風(fēng)機(jī)，膨脹閥選用丹佛斯品牌?？紤]到膨脹閥過熱度的要求，冷風(fēng)機(jī)加大20 %左右的過熱面積［2］。冷風(fēng)機(jī)、膨脹閥的型號(hào)及技術(shù)參數(shù)見表11：

表11 冷風(fēng)機(jī)、膨脹閥的型號(hào)及技術(shù)參數(shù)

4.2 各冷庫在不同運(yùn)行工況時(shí)的膨脹閥制冷量及冷風(fēng)機(jī)制冷量

見表12：

表12 膨脹閥制冷量及冷風(fēng)機(jī)制冷量

從表12可以看出，在不同運(yùn)行工況時(shí)，膨脹閥的制冷量均大于冷風(fēng)機(jī)的制冷量。制冷劑液體在冷風(fēng)機(jī)換熱面積的盤管內(nèi)，基本上能夠全部蒸發(fā)成為飽和氣體，即使還有一些未蒸發(fā)完的液體，也會(huì)在過熱面積的盤管內(nèi)蒸發(fā)完畢。如果回液量過大的話，可通過膨脹閥的調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行調(diào)整。

此外，一些有經(jīng)驗(yàn)的操作人員，還會(huì)在保證壓縮機(jī)不液擊的前提下，適當(dāng)加大膨脹閥的開啟度，增加冷風(fēng)機(jī)的進(jìn)液量，此時(shí)，一部分過熱面積轉(zhuǎn)換為換熱面積，既提高了冷風(fēng)機(jī)的換熱效率，又減少了運(yùn)行時(shí)間，降低了能耗。

5 兩種系統(tǒng)的比較

對(duì)于膨脹閥供液系統(tǒng)，從Q機(jī)組=q冷風(fēng)機(jī)循環(huán)量· （h飽和蒸氣-h節(jié)流）/3600可以看出，里面不存在n這一變量值，因此，在壓縮機(jī)制冷量一定的情況下，冷風(fēng)機(jī)的制冷劑循環(huán)量與焓值差均為恒定值。

對(duì)于桶泵機(jī)組供液系統(tǒng)，從Q機(jī)組=n·q冷風(fēng)機(jī)循環(huán)量·（h氣液混合-h飽和液體）/3600可以看出，在壓縮機(jī)制冷量一定的情況下，無論如何調(diào)整n，也只能是改變氟泵的供液量及蒸發(fā)過程中的焓值差，且兩者之間存在反比關(guān)系，加大氟泵供液量，將勢(shì)必減小焓值差，反之亦然。其最終結(jié)果只能是此消彼長(zhǎng)，并不能改變?nèi)魏沃评湫省?/p>

6 結(jié)束語

近幾年來，國(guó)內(nèi)許多制冷公司及冷庫業(yè)主，僅憑直觀感覺或從眾心理，認(rèn)為桶泵機(jī)組供液系統(tǒng)向冷風(fēng)機(jī)輸送的液體量多，制冷效果就一定好于膨脹閥供液系統(tǒng)，在沒有進(jìn)行項(xiàng)目技術(shù)分析的情況下，盲目采用桶泵機(jī)組供液系統(tǒng)。

對(duì)于一些供液高度較高的多層冷庫和立體冷庫，如果采用膨脹閥供液系統(tǒng)，將會(huì)使制冷劑液體在上升管路內(nèi)的壓力損失過大，從而影響制冷效果。此外，對(duì)于一些大型鋁排管冷庫，如果采用膨脹閥供液系統(tǒng)，不僅閥門、管道、電器元件、電線電纜會(huì)增多，施工強(qiáng)度增大，而且維護(hù)檢修費(fèi)用也會(huì)增加。對(duì)于上述類型冷庫，可以考慮桶泵機(jī)組供液系統(tǒng)。

對(duì)于絕大多數(shù)冷庫，則完全可以采用膨脹閥供液系統(tǒng)，不僅可以節(jié)省桶泵機(jī)組費(fèi)用，貯液器的容積也可以相應(yīng)減小，使得氟利昂充注量遠(yuǎn)少于桶泵機(jī)組供液系統(tǒng)，而且還可以省去氟泵的運(yùn)行費(fèi)用。

目前，國(guó)外許多冷庫仍然采用膨脹閥供液系統(tǒng)，就連國(guó)內(nèi)以桶泵機(jī)組供液方式為主的氨系統(tǒng)，在國(guó)外也大量采用膨脹閥供液，該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)一些冷庫中也得到應(yīng)用，實(shí)踐證明，完全可以滿足冷庫的正常降溫要求。而且，電子膨脹閥的應(yīng)用也日益增多，電子膨脹閥可隨時(shí)根據(jù)蒸發(fā)壓力、蒸發(fā)溫度的變化，對(duì)冷風(fēng)機(jī)或蒸發(fā)設(shè)備的供液量進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，使蒸發(fā)量始終處于最佳值。

綜上所述，冷庫選用何種制冷系統(tǒng)或供液方式，不能人云亦云，盲目跟風(fēng)，必須經(jīng)過認(rèn)真細(xì)致的分析對(duì)比后，才能夠進(jìn)行決策，這也是我國(guó)冷庫行業(yè)必須要重視的一個(gè)問題。