經濟器的選型及使用探討

李憲光

(廣州市粵聯水產制冷工程有限公司,廣州510300)

對于制冷螺桿壓縮機在低溫速凍工況下所使用的經濟器,不少制冷行業的技術人員都把這種設備理解為只不過是某種意義上的熱交換器。但從制冷工藝的角度來看,某種意義上的熱交換器只是這種容器的一個方面,而在另一方面,它還有其他形式的工作方式。特別是,我們認為經濟器在冷庫的自動控制運行中起了很關鍵的作用,特別適合用于符合我國國情的冷庫半自動控制運行。

本文對這種容器的討論,僅限于以我們所收集的相關內容及數據和這幾年的實踐經驗所得出的一些結果,不作嚴格意義上的結論。

1 經濟器的類型

在我們接觸的冷凍冷藏食品加工所使用的制冷螺桿壓縮機中,主要有三種類型的經濟器:閃發式經濟器 (A flash tank economizer)、直接膨脹熱交換器(DX shell&tube economizer)以及殼管式熱交換器 (Shell&coil economizer)。它們的特點各有不同。

1.1 閃發式經濟器 (A flash tank economizer)

它的英文原文定義是:A flash tank economizer containing a first expansion device to expand high pressure refrigerant from a system condenser to an intermediate pressure and a second expansion device for further expanding liquid refrigerant at the intermediate pressure that has collected in the tank to a desired low pressure for delivery to the system evaporator.Vapor phase refrigerant produced by the first expansion in the tank is injected back into the system compressor at the intermediate pressure(閃發式經濟器是一個把從冷凝系統出來的高壓液體進行第一次膨脹后收集貯存的容器,并通過這個容器把第一次膨脹后制冷劑送到所需低壓作二次節流的蒸發器中。在容器中第一次膨脹后所產生的中壓氣相制冷劑噴射進壓縮機的補氣口)。

根據我們的理解,它的工作原理是:由于制冷的連續進行,所需低壓作二次節流的制冷劑不斷的進入蒸發器,因此閃發式經濟器就不斷地收集第一次膨脹后液體而保證這種方式的運行,因此也就是保證了產生的中壓氣相制冷劑噴射進壓縮機的補氣口。在這種意義上說,閃發式經濟器不是嚴格意義上的熱交換器。

閃發式經濟器的使用場合:有制冷劑二次節流的使用要求的大型多組壓縮機系統共用。它的結構很簡單,是一臺有液位控制的中間壓力貯液器,簡單的說就是一臺沒有冷卻盤管的中間冷卻器,不過它通常是以臥式桶的形式出現。圖1是這種桶的使用例子。它的大致流程是這樣的:蒸發式冷凝器冷凝出來的液體部分進入高壓貯液器 (另一部分進入到輔助貯液器),這些液體一次節流后再進入到閃發式經濟器,一次節流產生的氣體作為螺桿壓縮機的補氣進入螺桿壓縮機的補氣口,而在閃發式經濟器的液體二次節流后,進入到低壓循環桶或蒸發器。這就是采用配置經濟器的螺桿壓縮機制冷系統二次節流的基本過程。雙級壓縮制冷系統的二次節流的基本過程與上述過程相似,只是把經濟器換成中間冷卻器而已。

圖1 制冷系統使用閃發式經濟器的原理圖(局部)

1.2 直接膨脹熱交換器 (板式熱交換器或殼管式)(DX shell&tube)

用膨脹閥節流高壓制冷劑并控制節流后的制冷劑氣體的過熱度,過冷經過板式熱交換器或殼管式的另一路高壓制冷劑。膨脹閥的制冷量與壓縮機所需的補氣量相匹配,而膨脹閥節流耗冷量則由高壓制冷劑得過冷完成。因此壓縮機所需的補氣量與旁路的高壓制冷劑流量及過冷度有關。

用途:用于低溫或速凍的螺桿壓縮機 (一對一配對),而板式熱交換器主要用于小型壓縮機;殼管式主要用于中大型壓縮機。

1.3 殼管式熱交換器 (Shell&coil)

原理與直接膨脹熱交換器相似,只是對控制殼管式熱交換器用于補氣供液的殼程液面高度進行控制。

用途:用于低溫或速凍的中大型螺桿壓縮機。

直接膨脹熱交換器及殼管式熱交換器的使用場合是目前我們國產制冷螺桿壓縮機組最常見的配套,這里不做詳細的討論。

2 經濟器的選型及計算

經濟器的選型是由壓縮機所需的補氣負荷確定,而補氣負荷一般是由壓縮機廠家提供或壓縮機運行參數計算。但奇怪的是,這么多年提供給用戶的國產制冷螺桿壓縮機 (有補氣要求的機組)產品說明書或技術說明書沒有這方面的任何說明及數據。而外資品牌或在國內生產的外資品牌的制冷螺桿壓縮機組,都能直接查找到或通過提供的數據可以計算出來。

比如說 “Bitzer”品牌的螺桿壓縮機,只要在它的選型軟件上選出相應的螺桿壓縮機型號,輸入工況就能查出對應的補氣負荷。

那么我們常用的二次進氣制冷螺桿壓縮機的補氣負荷又如何確定?

例如,制冷螺桿壓縮機轉子直徑為160mm(指的是轉子長度為240 mm,理論排氣量為551m3/h,轉速 2960r/min,以下簡稱16型螺桿壓縮機)、200mm(指的是轉子長度為300 mm,理論排氣量為1068m3/h,轉速2960r/min,簡稱 20型螺桿壓縮機)和250 mm(指的是轉子長度為421 mm,理論排氣量為2395m3/h,轉速2960r/min,簡稱25型螺桿壓縮機),它們的補氣負荷如何確定?這里筆者借用國外品牌相近的轉子直徑及排氣量來推算出它們的補氣負荷作為今后計算的參考數據,比如在選用閃發式經濟器的液位控制閥就需要這些數據,這種推算能滿足我們在工程上的使用。

表1是選取了一種外資品牌的螺桿壓縮機通常選用的參數,這里我們以冷庫最常用的工況 (-28℃/36℃)作為計算依據,型號為:RWF134,壓縮機實際吸氣量為960 m3/min(理論排氣量×實際容積系數=實際吸氣量),與國產的20型螺桿壓縮機接近。

表1 RWF134氨用單級螺桿壓縮機參數(使用直接膨脹熱交換器作為經濟器)(部分數據)

從表中附件參數中可以看到經濟器的進口為36℃液體,焓值350.2kJ/kg,供液主路出口-3.5℃,焓值165.2kJ/kg,供液主路流量即為蒸發器流量:17.5kg/min。根據熱力平衡原理,經濟器換熱量的補氣負荷=蒸發器流量 (min)×(液體進入經濟器時與出液時的焓差)/60,即經濟器換熱量為17.5×(350.2-165.2)/60=53.96kW。

或者經濟器進口36℃,蒸發側 (補氣回路)出口氣態,過熱度為0,焓值1433.1kJ/kg,流量3.0kg/min,同樣根據熱力平衡原理,經濟器換熱量的補氣負荷=冷凝器的液體進入經濟器時的流量(min)×(經濟器補氣與冷凝器的液體進入經濟器時的焓差)/60;即=3.0×(1433.1-350.2)/60=54.14kW。

用于速凍工況時 (36℃/-40℃),也可以根據工況作出類似數據表,從附件參數中可以計算出經濟器換熱量為37.8kW。

這個數值給國產的20型機組提供了相應的參考值。

同樣通過這種方法可以計算出我們常用的16型及25型的補氣負荷:

16型在冷庫使用的工況下 (36℃/-28℃)為27.1kW;用于速凍工況時 (36℃/-40℃)為18.9kW。

25型在冷庫使用的工況下 (36℃/-28℃)為108.3kW;用于速凍工況時 (36℃/-40℃)為75.7kW。

以上的數據是基于使用直接膨脹熱交換器作為經濟器時的計算依據,如果采用的是閃發式經濟器,補氣負荷不同的機組都有不同程度的增大,而機組的制冷量也隨之增大。

因此在知道補氣負荷時,板式熱交換器或殼管式的傳熱系數也是已知數,用于過冷的另一路高壓制冷劑流量是已知數,過冷度的溫差也是常量,那么其面積就可以計算出來。

但通過調查,發現現有的國產殼管式熱交換器選型普遍偏大,而且不管速凍工況還是冷藏工況,用的都是同一種型號經濟器,造成大量的資源浪費。在以低碳科技發展的今天,強調節約天然資源,通過這種比較,可以發現這里大有文章可作。

還是拿前面提到的20型螺桿壓縮機所配套的經濟器為例,在冷藏工況下國內配套的氨用經濟器其換熱面積是10 m2,重量為210kg;根據現有的數據,一家外資品牌的RWK65氨用單級螺桿壓縮機,以冷庫最常用的工況 (-28℃/36℃)作為計算依據,實際吸氣量是20型螺桿壓縮機的1.5倍,但換熱面積只不過是9 m2,重量為180kg。前者比后者整整重了15%多,由于國內對進口壓力容器的限制,因此這些壓縮機所配套的經濟器也是國內生產的,其熱交換器的傳熱效率應該與國產的無大的區別。主要原因是否缺乏嚴格的數據計算有關?如果拿速凍工況來比較,那差距就更大了。

由于與國產20型螺桿壓縮機機組所對應的外資品牌RWF134氨用單級螺桿壓縮機,它所使用的經濟器是板式熱交換器,其重量更輕,但由于熱交換器的系數不完全相同,沒有很適合的比較方式。

通過補氣負荷這種計算,我們可以更加靈活選擇不同形式的經濟器,以適應制冷系統不同的需要,同時通過選用大小更合適的經濟器,還可以節省制造容器的材料,避免資源的浪費。

3 經濟器的選型及計算

3.1 補氣電磁閥的開啟控制

對國外和國產自動型螺桿壓縮機補氣電磁閥開啟控制方式的比較很有意義。根據我們的調查了解,國產的自動型螺桿壓縮機很多是采用根據低壓回氣壓力來確定補氣電磁閥的開啟,其理論依據是回氣壓力足夠低時,補氣電磁閥的開啟才有效,通常這低壓回氣壓力會設定在0.2MPa左右 (表壓,對應的回氣溫度約在-9～-10℃)。另外,通常這種補氣會在螺桿壓縮機完成上載后才開始。

而國外品牌的螺桿壓縮機則是根據上載的百分比來確定補氣電磁閥的開啟,從其選型數據表中(表2)可以發現,在壓縮機的低壓回氣溫度達到0℃甚至更高時,開啟補氣電磁閥,制冷量就會比不開啟補氣電磁閥有一定的提高,但隨著這種提高會使電機的負荷增大,甚至會超出電機的額定電流,使壓縮機運行中止。因此他們一般會設定在螺桿壓縮機上載到80%時才開啟補氣電磁閥,這樣即使補氣電磁閥開啟使電機的負荷增大,也不至于超出電機的額定電流,因為這時螺桿壓縮機的運行已經基本趨于正常。這種螺桿壓縮機在自動運行狀態下根據運行電流的大小來使壓縮機逐步上載。

從這里的比較我們發現,國產的自動型螺桿壓縮機上載是根據本身的一些特點來設計的,原因是壓縮機上載過程不是很穩定,只能在完成上載后才能開始補氣。對比起國外品牌的螺桿壓縮機的補氣方式,會損失一小段上載過程的制冷能力。

表2 BITZER OSKA7451-K機組制冷量 (工質:氨)

3.2 閃發式經濟器與直接膨脹熱交換器 (經濟器)的使用比較

從約克公司給出的數據表明,使用閃發式經濟器的同樣型號的螺桿壓縮機比使用直接膨脹熱交換器作為經濟器,其總的制冷量要大1.5%～2%。還是以上面舉例的螺桿壓縮機RWF134為例,在冷庫工況下 (即-28℃/36℃),RWF134使用閃發式經濟器的制冷量為295.9kW,而使用直接膨脹熱交換器的制冷量為290.5kW,雖然我們不知道他們是如何計算出來,但我們可以這樣理解,使用直接膨脹熱交換器的系統一般是采用一次節流供液;而使用閃發式經濟器的系統通常是采用二次節流供液。根據國內外的一些文章及資料介紹,采用二次節流供液時比采用一次節流產冷量增加1.45%～1.75%,制冷系數提高1.7%左右。而二次這種供液方式還有很多優點,比如二次供液所產生的閃發氣體比采用一次節流供液減少許多,因此可以更有效地利用低壓容器的分離空間。由于在國內制冷系統采用二次節流供液很少,這種供液方式的優點沒有很好地得到體現。

4 經濟器使用及安裝的一些注意事項

我們調查發現,對于現有螺桿壓縮機配置的直接膨脹的經濟器很多都沒有合理使用,因此使螺桿壓縮機沒有發揮出它最大的效率。最常見的問題是調試人員對經濟器的使用不是很了解,因為目前使用的配置經濟器的螺桿壓縮機大部分都是手動型,在調試時需要人手去控制補氣的開始及膨脹閥的過熱度,對于不同的制冷工況有不同的補氣溫度,根據外資品牌的壓縮機廠家提供的數據及我們在調試時得出的數據,在低溫冷藏庫的運行工況下 (-28～-30℃/36℃)時,比較合適的補氣溫度在-8～-10℃,對應的補氣壓力在0.2MPa(表壓)左右或略低,以保證螺桿壓縮機的運行電流不超載;而對于運行在速凍工況下 (-38～-40℃/36℃)的螺桿壓縮機,它的合適的補氣溫度在-18～-20℃之間,對應的補氣壓力在0.1MPa(表壓)左右或略低。這些工作都需要調試人員在調試期間進行完善的調試,并傳授給接手的操作工人。

我們發現大部分出現的情況是,補氣的控制時間不對或補氣壓力過高,造成運行電流超載;或者膨脹閥的過熱度不適當造成濕行程帶液。有的調試人員對于這些工作嫌麻煩或不甚了解,因此調試時往往沒有對經濟器進行調試,我們發現有些冷庫或冷凍加工系統已經運行了很多年,所配置的經濟器還在閑置著,沒有發揮它應有的作用,也降低了壓縮機的制冷效率。這種情況比較普遍。

5 結論

經濟器作為單級螺桿壓縮機的補氣裝置,有效地提高了單級螺桿壓縮機的產冷量,在現代的冷藏加工制冷系統中特別是在凍結物冷藏庫的使用中越來越廣泛,雖然理論上制冷效率 (COP)在凍結物冷藏庫的工況下比不上雙級壓縮。但也只有不到5%的差距。我們曾經在一些魚的冷凍加工廠的制冷系統使用發現,原系統的雙級壓縮制冷在理論上制冷效率是最高的,但使用下來卻耗電很大。原因是由于設計時,設計人員是按工廠的最大冷加工能力去選用壓縮機的雙級配打,而魚的冷凍加工卻有季節性,工廠一年內有2/3的時間都處于非高峰加工期,由于配打的壓縮機機型比較大,電機功率比較大,而且都是手動型,操作時很難按預定的上載百分比及配比進行運行,只要有凍結任務都要把機器開起來,因此冷凍加工時單位耗冷量很大,這樣造成了很大的浪費。

筆者在改進時,增加配置了帶經濟器的單級螺桿壓縮機,才解決了這個問題。由于這種帶經濟器的單級螺桿壓縮機使用比較經濟,控制也更容易,一年生產統計下來,節省了不少的電費。

根據單級螺桿壓縮機的補氣負荷計算及二次節流供液的原理,我們最近設計和安裝了廣東省第一座低成本的氨制冷系統的全自動運行的2500噸低溫冷藏庫 (無人值守),造價與同類型的氟利昂制冷系統相差不到10%,而實際耗電量至少節省30%以上 (主要原因是氟利昂制冷系統在實際設計和安裝過程中存在許多的不足和缺陷所導致),經過近兩個月的運行,完全達到設計及使用的要求。相信這種制冷系統推出市場,對我國中小型冷庫的建設會造成很大的影響,因為它既適合我國國情的冷庫的現有狀況,又節電節能,因此在實際應用中會很受歡迎。

[1]Wilbert F.Stoecker.Industrial refrigeration handbook,1998

[2]張建一,李莉.制冷空調裝置節能原理與技術[M].北京:機械工業出版社,2007