制冷劑過冷在相變壓縮制冷中的節能應用

孫正金 王金良(萬華化學集團股份有限公司,山東 煙臺 264006)

制冷劑過冷在相變壓縮制冷中的節能應用

孫正金 王金良(萬華化學集團股份有限公司,山東 煙臺 264006)

本文根據相變制冷循環，回熱熱循環的對比，顯示了回熱循環在相變制冷工程中的節能優勢。對于未采用回熱循環的氨氣壓縮機，以循環水作為冷卻介質，對冷凝后的液氨進行了過冷處理，并計算了實際生產中能夠帶來的節能效果。

相變制冷循環;回熱循環;氨氣壓縮制冷;過冷;節能

在制冷循環中多采用在工作范圍內會發生相變的工質。采用會發生相變的工質，制冷循環具有以下兩個優點：一、工質的吸熱放熱過程是定溫過程，制冷系數大；二、單位工質的制冷能力高。即在濕蒸汽區可實現定溫過程，且相變潛熱遠遠大于顯熱，相變制冷循環在工業中得到了廣泛的應用。[1]

1 理論分析

在氨氣壓縮制冷循環中，為提高制冷能力，常采用過冷措施，即將冷凝器中處于飽和狀態的溶液進一步冷卻為未飽和溶液，然后再經截流膨脹，制冷量增加。回熱循環與普通相變制冷循環相比，具有以下優點[1]：(1)制冷量增加；(2)壓縮機出口壓力降低，制冷系數提高；(3)壓縮機吸入的工質為過熱蒸汽，可以防止液擊現象。

制冷劑的制冷能力是隨工作條件不同而變化的。當蒸發溫度降低或冷凝溫度升高時，制冷能力下降，同時壓縮機的壓縮比增大，容積效率下降，功耗增多。

2 行業現狀

實際工業生產中我國許多氨壓縮制冷以及丙烯壓縮制冷工藝中并未采用回熱制冷循環。對于已經設計好的相變制冷壓縮機，多極兩段壓縮, 其高低壓缸葉輪級數，壓比、進出口溫度、進出口壓力等都已經設定，由于未采用回熱制冷循環，當環境溫度高于設計溫度32℃，循環水溫超過設計指標時，高低壓缸冷卻器，壓縮機出口冷凝器上回水閥門全開，循環水站風機全開，循環水壓已達到最大值時，冷卻器與冷凝器不再具有調節制冷劑氣體以及冷凝液溫度能力，壓縮機出口壓力溫度會同時升高，冷凝劑露點溫度升高，飽和蒸汽壓力上升，冷凝液貯槽溫度升高，制冷能力下降，制冷劑質量流量增加，壓縮機負荷增大，功耗增加，能源浪費嚴重。

3 案例分析

下面以某公司未采用回熱制冷循環的氨氣制冷為例分析。(表1)

儲槽上方氣相壓力為同溫度下液氨飽和蒸汽壓力，冰機出口壓力PT1與儲槽液氨飽和蒸汽壓一一對應并相等夏季高溫，出口冷卻器，中間冷卻器，液氨冷凝器等換熱器，循環水上回水閥門全開后，不再具有調節能力，當循環水溫高于設計指標32℃以后，冰機出口溫度，壓力同時升高，由于壓力升高，氣氨露點溫度升高，冷凝為液氨后，又由于液氨冷凝器換熱能力已經達到飽和，液氨與換熱管接觸時間有限，液氨不能被進一步冷卻，冷凝下來的液氨可達44℃。30T/h的“高溫”液氨不斷流入氨儲槽后，液氨儲槽溫度也會不斷升高，同時對應液氨飽和蒸汽壓力也不斷上升，直到達到新的平衡為止。

分析：

從表中可以看出隨著時間推移，環境溫度(氣溫)不斷升高，循環水溫升高，換熱器換熱效果下降， TI1、PT1、FR都不斷升高，16：00時達到最大值。FR最大值出現在16：00和17：00；最小值Min出現在8：00，

高壓蒸汽壓力PI3平均值為：9.14MPag

高壓蒸汽溫度TI3平均值為：513.9℃

由于8：00時高壓蒸汽壓力為8.81MPag與平均值相比較低，17：00時高壓蒸汽壓力為9.32MPag與平均值相比較高，9：00時與16：00時高壓蒸汽壓力和溫度與平均值都比較接近，所以選擇這兩個時刻作為分析對象。(表2)

(4)16：00與9：00相比高壓蒸汽耗量增加百分比：

(5)冰機出口壓力每升高0.1MPa高壓蒸汽耗量增加值

(6)液氨儲槽溫度每升高1℃高壓蒸汽耗量增加值

表1中12：00～20：00，8個小時內液氨儲槽溫度TI1平均值為44.56℃，與39.9℃溫差為4.66℃，由以上數值分析可以看出，每年浪費高壓蒸汽量比較大。

不僅如此，當壓縮機出口壓力過高，高于設計指標1.60MPag時， 會導致高壓缸入口壓力高于設計指標0.35MPag，低壓缸出入口壓力也會同時升高，制冷器液氨閃蒸壓力升高，制冷效果下降，冷庫溫度升高，須提高前閃蒸量來維持低溫，如此會增加冰機負荷，若降低低壓缸入口氣量，調節在正常工況氣量25000NM3/h左右時，可能冰機運行不再安全。由于高低壓缸出口壓力升高的同時，高低壓缸入口壓力也升高，因此冰機調節會更加困難，稍不留意還會產生喘振等危害。

表1 5月9日冰機工況記錄

表2

無論是從節能，還是從連續高效穩定運行，防止喘振等危害發生方面考慮，都應該采取措施，解決冰機出口壓力過高的現象。

4 解決方案

由前面回熱制冷循環可以看出，回熱循環能夠增加制冷能力，降低制冷劑飽和蒸汽壓，即降低壓縮機出口壓力，但是對于已經設計好并投入使用的相變制冷壓縮機，入口溫度，低壓缸壓縮比，出口溫度都已經設定，當采取回熱循環時，入口溫度會升高，同時出口溫度也會隨之上升，低壓缸出口溫度會高于設計值，對壓縮機密封壽命等必然會產生影響。

由冷凝器冷凝后液氨溫度44℃，再次冷卻液氨會產生可觀的經濟效益。

根據相變制冷回熱循環改進的液氨過冷循環T-S圖如下所示。

氨氣壓縮制冷過冷循環T-S圖

將原來的普通制冷循環1→2′→3′→4′→5′→1與改進的液氨過冷循環1→2→3→4→5→6→1 分別作分析如下:

普通制冷循環1→2′→3′→4′→5′→1，吸收的熱量q2=h1-h5'；放出的熱量q2=h1'-h4'，功耗Wc1=h2'-h1=cp(T2'-T1)(比熱容按定比熱容計，壓力為p2和p3時兩個換熱器熱量損失暫時不計)。

冷庫的制冷量Q1=(h1-h5')

改進的液氨過冷循環1→2→3→4→5→6→1，吸收的熱量q2=h1-h6；放出的熱量q1=h2‘-h5，功耗Wc2=h2-h1=cp(T2-T1)。

Hpol為多變能量頭， Hlossimp為壓縮機的壓頭損失，由于壓縮機進出口流速幾乎相同，所以這部分進出口的能量增量忽略不計， 則

從T-S圖上我們可以看出：

Hth

當Q1=Q2時，qm2

由以上對比分析可以看出，采用液氨過冷循環，不僅制冷系數有所提高，液氨貯槽溫度，壓縮機出口壓力，溫度，入口壓力都會降低，壓縮機功耗降低，不僅節能，而且工況更容易調節，可有效防止由于高壓缸出口壓力，入口壓力高導致的低壓缸出口壓力高而產生的低壓缸喘振事故。可起到節能，安全穩定長周期運行雙效利益。

液氨飽和蒸汽壓力表如下，液氨溫度℃，液氨飽和蒸汽壓力MPag[3]

表4

冰機8，9月份運行時出口壓力一般在1.74MPag左右，蒸汽耗量在21t/h左右。如果使用循環水作冷媒的換熱器,將液氨過冷后溫度降低到37℃，冰機出口壓力為1.44MPag，液氨過冷前后溫差7℃，每小時節省蒸汽量為： 0.42t/h×7℃=2.94t/h

由以上計算可以就看出如果能將液氨過冷到37℃，冰機出口壓力降到1.44MPag，高溫月份可以節省大量蒸汽。而且冰機出口壓力降低后，高低壓缸入口壓力都會降低，工況會更佳，更易調節，并且可以有效防止由于高低壓缸出口壓力高而產生的喘振危害。

5 結語

對于相變壓縮機制冷系統采用回熱循環設計，節能降耗效益比較可觀，新廠設計時建議考慮使用，對于未采用回熱循環的制冷系統，可考慮增加制冷劑過冷換熱器來實現冷媒降溫，降壓，節能降耗，增加制冷系統平穩安全運行以及易操控性。

[1]畢書明,等.工程熱力學(第二版).北京：化學工業出版社.

[2]姜培正.過程流體機械.北京：化學工業出版社.

[3]夏清，等.化工原理上(修訂版).天津大學出版社.

①王金良,2008年畢業于中國礦業大學，過程裝備與控制工程專業，目前工作于萬華化學集團股份有限公司煙臺工業園石化一體化特種聚氨酯裝置，任職主任工程師。②孫正金，2010年畢業于大連理工大學，過程裝備與控制工程專業，目前工作于萬華化學集團股份有限公司煙臺工業園石化一體化特種聚氨酯裝置，任職設備工程師。