淺析低溫冷凍系統低負荷熱氣旁通設計選型

葉強

（丹佛斯(中國)投資有限公司，上海 200030）

在大型低溫工業冷凍設備中，設備的能效是系統應用中需要考慮的重要閥門，節能主要是依靠能量調節方式來實現，常規的制冷量調節方式有很多，如機組啟停調節、壓縮機臺數調節、吸氣節流調節、壓縮機變頻調節、輸氣量調節以及熱氣旁通調節等。

2019 年，Li 等人針對冷藏冷凍用的壓縮－引射制冷循環提出了熱氣旁通型引射器節流制冷循環，該循環可用于中小型低溫制冷循環。

而大型低溫冷凍設備，由于對壓縮機排量的要求，一般采用螺桿式壓縮機，而采用滑閥進行輸氣量調節是螺桿壓縮機最常見的能量調節方式。但由于其自身的結構特點和限制，螺桿壓縮機在采用滑閥調節的基礎上，能量僅能在大約10%～100%范圍內無級調節，然而，在石油、化工以及試驗平臺等應用中，很多生產工藝對冷負荷的需求具有周期性變化，要求制冷機組能夠在0～100%均能調節。

如按照傳統的人工操作方式，由現場操作工頻繁開啟關閉設備來滿足此項工藝要求，會容易造成操作不當引起的系統控制不當的風險，還會造成設備的損耗，同時會增加額外的人工成本，而熱氣旁通自動控制是在采用螺桿壓縮機的制冷系統中解決此問題的最佳方案之一。

實際使用過程中，由于現場條件的不同，熱氣旁通氣體往往要旁通到不同位置的設備中，本文將針對各種應用條件一一分析，在理論基礎上，結合實際設計經驗，指出選型計算過程中應注意的問題。

1 熱氣旁通閥工作原理

所有熱氣旁通閥工作于同樣的原理。它們隨著閥出口壓力的下降而打開，在一定范圍內從全開狀態比例的調節至全關狀態，然后按一定速率將高壓的熱氣體輸入系統的低壓側,以防止壓縮機吸氣壓力進一步下降。即保證壓縮機的吸氣量要滿足最小容積要求，使壓縮機吸氣狀態維持穩定，能在壓縮機限值內的最小回氣壓力狀態下保證系統安全運行。

2 螺桿壓縮機熱氣旁通量計算及熱氣旁通閥選型

根據熱氣旁通的原理，螺桿壓縮機在滑閥處于最小能量位置(即“0”位)時，壓縮機的吸氣量要滿足滑閥最小能量位對應的輸氣量要求。基于此理論，可以精確計算需要旁通的熱氣量，給旁通閥門選型提供理論依據。

根據以上廠家提供的壓縮機參數曲線，可以計算得到，在該工況下，壓縮機滑閥處于最低能量位置(即“0”位)時，需要的最小理論輸氣量是滿載情況下的9%。

查得該型號壓縮機理論輸氣量Q Suction Volume(m3/h)=3250m3/h，氨制冷劑在該工況下的比體積ν(m3/kg)=0.101m3/kg。

計算得到需要熱氣旁通條件下，壓縮機理論最小吸氣口體積流量：

體 積 流 量Qv=Swept Volume(%)×Q Suction Volume(m3/h)=9%×3250=292.5m3/h

按以上方式計算得到的質量流量作為旁通閥選型的條件，采用Danfoss 工業調節閥ICS 閥門，通過cool selector2 軟件選型，選擇的型號為ICS80。

該閥門配合不同的壓力導閥可以起到不同的壓力調節作用，熱氣旁通一般控制的是系統蒸發側的壓力，采用如下的CVC 導閥配合ICS 主閥使用。

圖1 ICS 壓力調節主閥配置示意圖

3 熱氣旁通在不同制冷系統中的設計方式

在實際的項目應用過程中，根據現場安裝條件、供貨范圍、控制邏輯等等因素的不同，有多種不同的旁通控制方式。

3.1 旁通到系統蒸發器的入口

此種旁通型式在螺桿制冷系統實際使用中最為普遍，系統從螺桿壓縮機排氣端引入一股過熱氣體，與節流后的制冷劑液體混合，使得蒸發器入口制冷劑變成飽和或者過熱狀態，以滿足系統的最小換熱量要求。這樣即使蒸發器沒有投入使用，仍然可以保證制冷循環。

3.2 旁通到吸氣管道

當系統蒸發器距離壓縮機組很遠或不屬于廠家供貨范圍，且需要機組能在蒸發器不工作時能維持制冷系統正常運轉，此時，一般考慮將制冷劑旁通到壓縮機的吸氣管道，以簡化管道鋪設及施工難度。用這種方法能很好的控制吸入壓力和回氣溫度，但需要一路用于過熱降溫的熱力膨脹閥來控制進入吸氣管的液體制冷劑流量。此時，必須將旁通的熱氣、液體制冷劑和蒸發器回氣充分混合好，此種需求下做一個回氣混合罐可以很好地解決這個問題。

如圖2 所示，熱氣旁通閥組由兩路組成，第一路的系統部件與3.1 一致，第二路從系統高壓儲液器中引來一股制冷劑液體，通過熱力膨脹閥節流降壓后與第一路旁通的熱氣在混合罐中混合，使回到壓縮機的混合氣體穩定在吸氣側允許的壓力和溫度范圍。

圖2 熱氣旁通至吸氣口側系統圖

圖3 熱氣旁通至氣分側系統示意圖

由于旁通后的回氣量由兩部分組成，這種情況下，需同時考慮熱氣旁通的量和儲液器供液的量，具體計算方法如下：

假定通過壓縮機排氣側旁通的熱氣量(Qmh kg/h)為壓縮機吸氣流量(Qm kg/h)的一半，即Qmh=50%·Qm kg/h。

這部分熱氣經過減壓閥減壓將壓力降至吸氣壓力，進入混合罐中放熱，熱量被從儲液器側過來經過節流閥的氣液混合物吸收，即Qmh(h1-h2)=(1-x)×Qml(h2-h3)+x×Qml(h2-h4)。

其中，h1 為經過減壓閥（吸氣壓力，排氣溫度）的熱氣焓值；h2 為吸氣口（吸氣壓力，吸氣溫度）的過熱氣體焓值；x 為經過節流閥的制冷劑干度；h3 為節流閥前（冷凝壓力，冷凝溫度）的飽和液體焓值；h4 為節流閥后（冷凝壓力，冷凝溫度）的飽和氣體焓值。

根據以上方程，可以計算出從儲液器過來的液體的質量流量Qml，然后根據液體流量和閥門前后的熱力狀態選擇膨脹閥。

熱氣旁通的量加上從儲液器過來的液體的量需大于吸氣口需要的制冷劑量，即Qmh+Qml ≥Qm kg/h。

如Qmh+Qml ＜Qm，再重新定義旁通熱氣量Qmh=60%·Qm，采用迭代法以此類推，直到混合氣體回氣量大于Qm。

根據上述計算出旁通的制冷劑流量，再校核計算相關管道閥門的通徑。

3.3 旁通到系統氣液分離器

原理：熱氣旁通蒸發方式是向氣液分離器底部通入壓縮機排氣?被氣液分離器內液體冷卻為飽和蒸汽?同時其顯熱將底部液體蒸發?實現液體的回收。

此種方式的原理與3.2 類似，唯一的不同在于將熱力膨脹閥改成了液位膨脹閥，通過安裝在氣液分離器里的液位傳感器感知到容器內的制冷劑液位后，輸出一個4 ～20mA 信號給液位控制器，調節液位膨脹閥的開度，控制節流液體的流量，此種方式比3.2 采用的機械式熱力膨脹閥更精確，氣液分離器的最低液位要求保證滿足熱氣旁通的最小換熱量即可，計算方法簡單，尤其適合用在大流量的制冷系統中。但需要增加額外的設備初始投資等成本。

4 結語

經過對比分析，可得出以下結論：

（1）螺桿壓縮機處于最低能量載位時，如需要在更低冷量下運行，在不同的工況下，壓縮機所需的最小輸氣量不一樣，此時，需要壓縮機廠家給出具體的參數，并結合運行工況去核算此時的實際最低輸氣量。

（2）如果旁通到壓縮機吸氣口，需要采用合理的技術手段，保證充分的氣液分離空間或者吸氣過熱度，以防止系統回氣帶液。

（3）設備在室外條件下運行時，熱氣旁通管路易受環境影響，應對其進行保溫。避免管路內的過熱氣體向環境散熱影響熱氣旁通閥的功能。

熱氣旁通閥的正確選型對于設備的穩定運行至關重要，合理的選型意味著可以節約設備的初始投資，降低機組的故障風險，方便現場操作維護。在設計選型時，設計人員要充分考慮運行工況變化、閥門選型方法、項目應用及現場情況的不同，給出最優化方案。