经济器的选型及使用探讨

李宪光

(广州市粤联水产制冷工程有限公司,广州510300)

对于制冷螺杆压缩机在低温速冻工况下所使用的经济器,不少制冷行业的技术人员都把这种设备理解为只不过是某种意义上的热交换器。但从制冷工艺的角度来看,某种意义上的热交换器只是这种容器的一个方面,而在另一方面,它还有其他形式的工作方式。特别是,我们认为经济器在冷库的自动控制运行中起了很关键的作用,特别适合用于符合我国国情的冷库半自动控制运行。

本文对这种容器的讨论,仅限于以我们所收集的相关内容及数据和这几年的实践经验所得出的一些结果,不作严格意义上的结论。

1 经济器的类型

在我们接触的冷冻冷藏食品加工所使用的制冷螺杆压缩机中,主要有三种类型的经济器:闪发式经济器 (A flash tank economizer)、直接膨胀热交换器(DX shell&tube economizer)以及壳管式热交换器 (Shell&coil economizer)。它们的特点各有不同。

1.1 闪发式经济器 (A flash tank economizer)

它的英文原文定义是: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(闪发式经济器是一个把从冷凝系统出来的高压液体进行第一次膨胀后收集贮存的容器,并通过这个容器把第一次膨胀后制冷剂送到所需低压作二次节流的蒸发器中。在容器中第一次膨胀后所产生的中压气相制冷剂喷射进压缩机的补气口)。

根据我们的理解,它的工作原理是:由于制冷的连续进行,所需低压作二次节流的制冷剂不断的进入蒸发器,因此闪发式经济器就不断地收集第一次膨胀后液体而保证这种方式的运行,因此也就是保证了产生的中压气相制冷剂喷射进压缩机的补气口。在这种意义上说,闪发式经济器不是严格意义上的热交换器。

闪发式经济器的使用场合:有制冷剂二次节流的使用要求的大型多组压缩机系统共用。它的结构很简单,是一台有液位控制的中间压力贮液器,简单的说就是一台没有冷却盘管的中间冷却器,不过它通常是以卧式桶的形式出现。图1是这种桶的使用例子。它的大致流程是这样的:蒸发式冷凝器冷凝出来的液体部分进入高压贮液器 (另一部分进入到辅助贮液器),这些液体一次节流后再进入到闪发式经济器,一次节流产生的气体作为螺杆压缩机的补气进入螺杆压缩机的补气口,而在闪发式经济器的液体二次节流后,进入到低压循环桶或蒸发器。这就是采用配置经济器的螺杆压缩机制冷系统二次节流的基本过程。双级压缩制冷系统的二次节流的基本过程与上述过程相似,只是把经济器换成中间冷却器而已。

图1 制冷系统使用闪发式经济器的原理图(局部)

1.2 直接膨胀热交换器 (板式热交换器或壳管式)(DX shell&tube)

用膨胀阀节流高压制冷剂并控制节流后的制冷剂气体的过热度,过冷经过板式热交换器或壳管式的另一路高压制冷剂。膨胀阀的制冷量与压缩机所需的补气量相匹配,而膨胀阀节流耗冷量则由高压制冷剂得过冷完成。因此压缩机所需的补气量与旁路的高压制冷剂流量及过冷度有关。

用途:用于低温或速冻的螺杆压缩机 (一对一配对),而板式热交换器主要用于小型压缩机;壳管式主要用于中大型压缩机。

1.3 壳管式热交换器 (Shell&coil)

原理与直接膨胀热交换器相似,只是对控制壳管式热交换器用于补气供液的壳程液面高度进行控制。

用途:用于低温或速冻的中大型螺杆压缩机。

直接膨胀热交换器及壳管式热交换器的使用场合是目前我们国产制冷螺杆压缩机组最常见的配套,这里不做详细的讨论。

2 经济器的选型及计算

经济器的选型是由压缩机所需的补气负荷确定,而补气负荷一般是由压缩机厂家提供或压缩机运行参数计算。但奇怪的是,这么多年提供给用户的国产制冷螺杆压缩机 (有补气要求的机组)产品说明书或技术说明书没有这方面的任何说明及数据。而外资品牌或在国内生产的外资品牌的制冷螺杆压缩机组,都能直接查找到或通过提供的数据可以计算出来。

比如说 “Bitzer”品牌的螺杆压缩机,只要在它的选型软件上选出相应的螺杆压缩机型号,输入工况就能查出对应的补气负荷。

那么我们常用的二次进气制冷螺杆压缩机的补气负荷又如何确定?

例如,制冷螺杆压缩机转子直径为160mm(指的是转子长度为240 mm,理论排气量为551m3/h,转速 2960r/min,以下简称16型螺杆压缩机)、200mm(指的是转子长度为300 mm,理论排气量为1068m3/h,转速2960r/min,简称 20型螺杆压缩机)和250 mm(指的是转子长度为421 mm,理论排气量为2395m3/h,转速2960r/min,简称25型螺杆压缩机),它们的补气负荷如何确定?这里笔者借用国外品牌相近的转子直径及排气量来推算出它们的补气负荷作为今后计算的参考数据,比如在选用闪发式经济器的液位控制阀就需要这些数据,这种推算能满足我们在工程上的使用。

表1是选取了一种外资品牌的螺杆压缩机通常选用的参数,这里我们以冷库最常用的工况 (-28℃/36℃)作为计算依据,型号为:RWF134,压缩机实际吸气量为960 m3/min(理论排气量×实际容积系数=实际吸气量),与国产的20型螺杆压缩机接近。

表1 RWF134氨用单级螺杆压缩机参数(使用直接膨胀热交换器作为经济器)(部分数据)

从表中附件参数中可以看到经济器的进口为36℃液体,焓值350.2kJ/kg,供液主路出口-3.5℃,焓值165.2kJ/kg,供液主路流量即为蒸发器流量:17.5kg/min。根据热力平衡原理,经济器换热量的补气负荷=蒸发器流量 (min)×(液体进入经济器时与出液时的焓差)/60,即经济器换热量为17.5×(350.2-165.2)/60=53.96kW。

或者经济器进口36℃,蒸发侧 (补气回路)出口气态,过热度为0,焓值1433.1kJ/kg,流量3.0kg/min,同样根据热力平衡原理,经济器换热量的补气负荷=冷凝器的液体进入经济器时的流量(min)×(经济器补气与冷凝器的液体进入经济器时的焓差)/60;即=3.0×(1433.1-350.2)/60=54.14kW。

用于速冻工况时 (36℃/-40℃),也可以根据工况作出类似数据表,从附件参数中可以计算出经济器换热量为37.8kW。

这个数值给国产的20型机组提供了相应的参考值。

同样通过这种方法可以计算出我们常用的16型及25型的补气负荷:

16型在冷库使用的工况下 (36℃/-28℃)为27.1kW;用于速冻工况时 (36℃/-40℃)为18.9kW。

25型在冷库使用的工况下 (36℃/-28℃)为108.3kW;用于速冻工况时 (36℃/-40℃)为75.7kW。

以上的数据是基于使用直接膨胀热交换器作为经济器时的计算依据,如果采用的是闪发式经济器,补气负荷不同的机组都有不同程度的增大,而机组的制冷量也随之增大。

因此在知道补气负荷时,板式热交换器或壳管式的传热系数也是已知数,用于过冷的另一路高压制冷剂流量是已知数,过冷度的温差也是常量,那么其面积就可以计算出来。

但通过调查,发现现有的国产壳管式热交换器选型普遍偏大,而且不管速冻工况还是冷藏工况,用的都是同一种型号经济器,造成大量的资源浪费。在以低碳科技发展的今天,强调节约天然资源,通过这种比较,可以发现这里大有文章可作。

还是拿前面提到的20型螺杆压缩机所配套的经济器为例,在冷藏工况下国内配套的氨用经济器其换热面积是10 m2,重量为210kg;根据现有的数据,一家外资品牌的RWK65氨用单级螺杆压缩机,以冷库最常用的工况 (-28℃/36℃)作为计算依据,实际吸气量是20型螺杆压缩机的1.5倍,但换热面积只不过是9 m2,重量为180kg。前者比后者整整重了15%多,由于国内对进口压力容器的限制,因此这些压缩机所配套的经济器也是国内生产的,其热交换器的传热效率应该与国产的无大的区别。主要原因是否缺乏严格的数据计算有关?如果拿速冻工况来比较,那差距就更大了。

由于与国产20型螺杆压缩机机组所对应的外资品牌RWF134氨用单级螺杆压缩机,它所使用的经济器是板式热交换器,其重量更轻,但由于热交换器的系数不完全相同,没有很适合的比较方式。

通过补气负荷这种计算,我们可以更加灵活选择不同形式的经济器,以适应制冷系统不同的需要,同时通过选用大小更合适的经济器,还可以节省制造容器的材料,避免资源的浪费。

3 经济器的选型及计算

3.1 补气电磁阀的开启控制

对国外和国产自动型螺杆压缩机补气电磁阀开启控制方式的比较很有意义。根据我们的调查了解,国产的自动型螺杆压缩机很多是采用根据低压回气压力来确定补气电磁阀的开启,其理论依据是回气压力足够低时,补气电磁阀的开启才有效,通常这低压回气压力会设定在0.2MPa左右 (表压,对应的回气温度约在-9～-10℃)。另外,通常这种补气会在螺杆压缩机完成上载后才开始。

而国外品牌的螺杆压缩机则是根据上载的百分比来确定补气电磁阀的开启,从其选型数据表中(表2)可以发现,在压缩机的低压回气温度达到0℃甚至更高时,开启补气电磁阀,制冷量就会比不开启补气电磁阀有一定的提高,但随着这种提高会使电机的负荷增大,甚至会超出电机的额定电流,使压缩机运行中止。因此他们一般会设定在螺杆压缩机上载到80%时才开启补气电磁阀,这样即使补气电磁阀开启使电机的负荷增大,也不至于超出电机的额定电流,因为这时螺杆压缩机的运行已经基本趋于正常。这种螺杆压缩机在自动运行状态下根据运行电流的大小来使压缩机逐步上载。

从这里的比较我们发现,国产的自动型螺杆压缩机上载是根据本身的一些特点来设计的,原因是压缩机上载过程不是很稳定,只能在完成上载后才能开始补气。对比起国外品牌的螺杆压缩机的补气方式,会损失一小段上载过程的制冷能力。

表2 BITZER OSKA7451-K机组制冷量 (工质:氨)

3.2 闪发式经济器与直接膨胀热交换器 (经济器)的使用比较

从约克公司给出的数据表明,使用闪发式经济器的同样型号的螺杆压缩机比使用直接膨胀热交换器作为经济器,其总的制冷量要大1.5%～2%。还是以上面举例的螺杆压缩机RWF134为例,在冷库工况下 (即-28℃/36℃),RWF134使用闪发式经济器的制冷量为295.9kW,而使用直接膨胀热交换器的制冷量为290.5kW,虽然我们不知道他们是如何计算出来,但我们可以这样理解,使用直接膨胀热交换器的系统一般是采用一次节流供液;而使用闪发式经济器的系统通常是采用二次节流供液。根据国内外的一些文章及资料介绍,采用二次节流供液时比采用一次节流产冷量增加1.45%～1.75%,制冷系数提高1.7%左右。而二次这种供液方式还有很多优点,比如二次供液所产生的闪发气体比采用一次节流供液减少许多,因此可以更有效地利用低压容器的分离空间。由于在国内制冷系统采用二次节流供液很少,这种供液方式的优点没有很好地得到体现。

4 经济器使用及安装的一些注意事项

我们调查发现,对于现有螺杆压缩机配置的直接膨胀的经济器很多都没有合理使用,因此使螺杆压缩机没有发挥出它最大的效率。最常见的问题是调试人员对经济器的使用不是很了解,因为目前使用的配置经济器的螺杆压缩机大部分都是手动型,在调试时需要人手去控制补气的开始及膨胀阀的过热度,对于不同的制冷工况有不同的补气温度,根据外资品牌的压缩机厂家提供的数据及我们在调试时得出的数据,在低温冷藏库的运行工况下 (-28～-30℃/36℃)时,比较合适的补气温度在-8～-10℃,对应的补气压力在0.2MPa(表压)左右或略低,以保证螺杆压缩机的运行电流不超载;而对于运行在速冻工况下 (-38～-40℃/36℃)的螺杆压缩机,它的合适的补气温度在-18～-20℃之间,对应的补气压力在0.1MPa(表压)左右或略低。这些工作都需要调试人员在调试期间进行完善的调试,并传授给接手的操作工人。

我们发现大部分出现的情况是,补气的控制时间不对或补气压力过高,造成运行电流超载;或者膨胀阀的过热度不适当造成湿行程带液。有的调试人员对于这些工作嫌麻烦或不甚了解,因此调试时往往没有对经济器进行调试,我们发现有些冷库或冷冻加工系统已经运行了很多年,所配置的经济器还在闲置着,没有发挥它应有的作用,也降低了压缩机的制冷效率。这种情况比较普遍。

5 结论

经济器作为单级螺杆压缩机的补气装置,有效地提高了单级螺杆压缩机的产冷量,在现代的冷藏加工制冷系统中特别是在冻结物冷藏库的使用中越来越广泛,虽然理论上制冷效率 (COP)在冻结物冷藏库的工况下比不上双级压缩。但也只有不到5%的差距。我们曾经在一些鱼的冷冻加工厂的制冷系统使用发现,原系统的双级压缩制冷在理论上制冷效率是最高的,但使用下来却耗电很大。原因是由于设计时,设计人员是按工厂的最大冷加工能力去选用压缩机的双级配打,而鱼的冷冻加工却有季节性,工厂一年内有2/3的时间都处于非高峰加工期,由于配打的压缩机机型比较大,电机功率比较大,而且都是手动型,操作时很难按预定的上载百分比及配比进行运行,只要有冻结任务都要把机器开起来,因此冷冻加工时单位耗冷量很大,这样造成了很大的浪费。

笔者在改进时,增加配置了带经济器的单级螺杆压缩机,才解决了这个问题。由于这种带经济器的单级螺杆压缩机使用比较经济,控制也更容易,一年生产统计下来,节省了不少的电费。

根据单级螺杆压缩机的补气负荷计算及二次节流供液的原理,我们最近设计和安装了广东省第一座低成本的氨制冷系统的全自动运行的2500吨低温冷藏库 (无人值守),造价与同类型的氟利昂制冷系统相差不到10%,而实际耗电量至少节省30%以上 (主要原因是氟利昂制冷系统在实际设计和安装过程中存在许多的不足和缺陷所导致),经过近两个月的运行,完全达到设计及使用的要求。相信这种制冷系统推出市场,对我国中小型冷库的建设会造成很大的影响,因为它既适合我国国情的冷库的现有状况,又节电节能,因此在实际应用中会很受欢迎。

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

[2]张建一,李莉.制冷空调装置节能原理与技术[M].北京:机械工业出版社,2007