闪发式经济器氨制冷系统的设计分析

邱锦光

(福建海峡建筑设计规划研究院，福建福州350003)

前言

两次节流制冷循环与一次节流制冷循环相比，制冷系统性能会有所提高，系统设计结构简单，设备初投资省。因此，两次节流制冷循环正在成为发达国家冷库制冷循环的主要设计趋势之一。美国和加拿大冷库制冷装置中使用两次节流的比例占到了32%［1］。

闪发式经济器是两次节流的单级螺杆压缩机氨制冷循环中的重要辅助设备之一。本文结合国内外相关文献［2］和这两年来的设计实践经验，给出了闪发式经济器的选型计算方法，以及不同的系统形式，所采用的不同管道设计方法。

1 两次节流的单级螺杆压缩机制冷循环系统

图1、图2分别给出了典型的两次节流的单级螺杆压缩机氨制冷循环系统简图和理论循环LogP－H图。从蒸发器G吸入的低温低压的制冷剂气体，经压缩机A压缩成高温高压的制冷剂气体，经过油分离器B分离出润滑油后，送入蒸发式冷凝器C冷凝成高压液体，并依靠重力流入贮液器D，从贮液器D出来的高压液体经节流阀E节流成中间压力的液体，进入闪发式经济器F。节流后的液体降温至中间压力下的饱和液体，再经过第二次节流后，进入蒸发器G吸热蒸发，产生的制冷剂气体被压缩机A吸走，完成一个制冷循环。

在闪发式经济器中，节流过程中的产生的闪发气体进入压缩机A的中间补气口，在压缩机A内与从蒸发器G吸入的制冷剂气体混合后继续被压缩。由于闪发的制冷剂液体吸收了其余液体的热量而使其过冷，因此制冷量增加。由于压缩机压缩过程中吸入了来自闪发式经济器的闪发气体，而使压缩功略有增加，但增加的幅度远不如制冷量增加的幅度，因此压缩机的制冷效率有所提高。

图1 两次节流的单级螺杆压缩机氨制冷循环系统简图

图2 两次节流的单级螺杆压缩机氨制冷循环系统LogP－H图

2 闪发式经济器的选型

2.1 选型计算公式

从两次节流的单级螺杆压缩机制冷循环分析可以看出，闪发式经济器的工作原理包含以下几个方面:

①作为从冷凝器冷凝出来的高压液体经过第一次节流后收集起来的容器;

②将收集到的第一次节流后的中间压力的饱和液体经过第二次节流后送到低压蒸发器中;

③第一次节流后的制冷剂液体进一步过冷为中间温度下的饱和液体;

④把第一次节流过程后所产生的中压制冷剂气体送入螺杆压缩机的中间补气口;

因此，闪发式经济器选型的关键在于满足螺杆压缩机所需的中间补气负荷，并保证压缩机中间补气口吸入的制冷剂气体是干燥的不带液滴的。

闪发式经济器的工作原理和作用与氨制冷系统中的汽液分离器的作用是相类似的。因此，我们可以利用汽液分离器的选型计算方法来选择闪发式经济器，其桶身直径的计算公式为:

式中:

Geco—压缩机所需中间补气负荷的质量流量，kg/s，详式 (2);

v5′—中间压力下气体制冷剂的比容，m3/kg;

ω—气体制冷剂的流速，取=0.5m/s

由两次节流的单级螺杆压缩机制冷循环系统理论循环LogP－H图可得:

式中:

Qeco—压缩机所需的补气负荷，kW;

h5′—中间压力下饱和气体的焓，kJ/kg;

h5—冷凝压力下饱和液体的焓，kJ/kg

以上计算公式中，压缩机所需的补气负荷，在工程设计中一般由压缩机厂家提供或根据压缩机的运行参数进行计算。对于国外品牌的螺杆压缩机，可以通过其相应的选型软件，或通过询问厂家技术人员提供。对于国产品牌的螺杆压缩机，文献［2］给出了可供工程上使用的推算方法。

2.2 经济器产品的选择

由于国外发达国家在氨制冷系统中普遍使用两次节流的制冷循环，闪发式经济器已经作为国外压力容器厂家的定型产品，而被普遍使用。国内在两次节流制冷循环中的应用较少，导致国内主要的氨制冷系统压力容器生产商基本上没有为两次节流的单级螺杆压缩机制冷循环系统设计定型的闪发式经济器，因此在选择该压力容器时会遇到一定的困难。

鉴于闪发式经济器的工作原理和所发挥的作用与氨制冷系统的氨液分离器相类似，在国产氨制冷系统辅助设备的定型产品中，一般选择卧式氨液分离器经过小部分的修改后，作为闪发式经济器的替代品使用。因此，选型时，可将计算出的桶身直径与标准卧式氨液分离器的直径作比较，选用的标准卧式氨液分离器的直径大于计算桶身直径即可满足要求。

2.3 闪发式经济器的其他运用

国内采用氨制冷系统的冷库设计中，冲霜排液一般排到专门设置的排液桶，或者使用低压循环贮液桶兼作排液桶来使用。前者需要专门设置排液桶并入系统中，虽然操作起来比较灵活方便，但是却使系统变得复杂，且增加了部分设备管道及阀门的初投资。后者虽然可使系统简化，节省部分投资，但是当系统中某一冷间冲霜时，放热冷凝后产生的高压液体经过节流后排入低压循环贮液桶，节流阀两端的压差较大，不可避免的产生大量闪发气体，从而影响了低压循环贮液桶的压力，继而影响了其它冷间的制冷效果。

在两次节流的单级螺杆压缩机制冷循环系统中，冲霜排液经过节流后，可直接排入闪发式经济器。与节流后排入低压循环贮液桶相比，节流阀前后的压差较小，所产生的闪发气体也较少，不会对其他冷间的制冷效果产生影响，因此，相比之下更加节能、合理。

当闪发式经济器兼作排液功能时，选型过程中除了要考虑满足压缩机所需要的中间补气负荷 (即要满足最小桶身直径要求)外，还应增加冲霜排液时所需要的容积。关于冲霜排液所需要的容积可参照文献［3］的相关内容进行计算。

3 系统设计

闪发式经济器的工作原理与壳管式或直接膨胀式的经济器完全不同，因此在系统设计上，其与系统的连接也完全不同于前述两者。本文通过介绍闪发式经济器与螺杆压缩机中间补气口之间的系统设计，来阐明其不同之处。

3.1 单台螺杆压缩机时的系统设计

当螺杆压缩机卸载时，滑阀与螺杆压缩机中间补气口的相对位置发生变化，由于滑阀的旁通作用，使得中间补气口完全与压缩机的吸气端相连。也就是说，压缩机中间补气口的压力会随着压缩机负荷的减小而下降。为了使闪发式经济器与蒸发器之间保持一个预设的压差，必须在闪发式经济器与螺杆式压缩机中间补气口之间的管道上设置一个背压阀 (如图3所示)。如果没有设置这个背压阀BPR，当压缩机的滑阀卸载时，闪发式经济器的压力将会逼近吸气端的压力 (即蒸发器的压力)，继而使闪发式经济器与蒸发器之间没有足够的压差，使得闪发式经济器内的中压液体不能够顺利的进入蒸发器吸热蒸发，从而造成系统无法正常运行。

另一方面，当闪发式经济器带有某些高温冷间(例如低温穿堂)的冷负荷时，由于冷间的负荷波动剧烈，使得闪发式经济器内的压力骤升。此时就必须在闪发式经济器的气体出口管路上额外增加一套出口压力控制阀，以保证进入压缩机中间补气口的压力不能过高，从而避免压缩机电机过载停机。

图3 单台螺杆压缩机时的系统设计简图

闪发式经济器的系统设计简图如图3所示。从图中可以看出，在闪发式经济器与压缩机中间补气口之间设置有过滤器STR、单向阀CHK以及电磁阀SOL。其中过滤器STR的作用是防止系统中的铁屑等杂质进入电磁阀SOL、背压阀BPR以及压缩机中，而单向阀CHK则是为了防止系统停止工作期间，压缩机内的润滑油流入闪发式经济器中。电磁阀受螺杆压缩机微处理器控制。对于国外品牌的螺杆压缩机，微处理器根据滑阀的上载情况决定电磁阀SOL的开启，而对于国产品牌的螺杆压缩机，则是根据低压回气压力来决定电磁阀SOL的开关［2］。

需要注意的是，系统中的单向阀CHK应该选用流通阻力相对较小的活塞式单向阀，而不采用常规的弹簧式单向阀。因为后者更容易发生由于气体脉动引起的故障。

在安装位置上，图3中闪发式经济器与螺杆压缩机之间的阀门应尽可能的靠近螺杆压缩机安装，根据笔者经验，最好安装在距离螺杆压缩机中间补气口1～1.5m的范围之内。

3.2 多台螺杆压缩机并联时的系统设计

对于大型氨制冷系统冷库，常常是多台螺杆压缩机并联使用。为了节省设备初投资，设计上一般采用多台螺杆压缩机共用一台闪发式经济器的形式。在这种情况下，当一台或几台螺杆压缩机处于部分负荷的运行状态时，如何平衡螺杆压缩机之间的补气负荷就显得非常重要了。建议的做法是，每台螺杆压缩机中间补气口前的管道上单独配置一套背压阀BPR(如图4)，以平衡多台螺杆压缩机之间的中间补气口负荷以及气体流量。

对于使用国外品牌的螺杆压缩机，当滑阀上载到85%～90%的位置时，螺杆压缩机的微处理器输出信号使补气电磁阀SOL开启补气。为了节省自控阀门的初投资，可将图4的系统设计改进为图5所示的系统设计。

图4 多台螺杆压缩机并联时的系统设计简图

图5 多台螺杆压缩机并联时的系统设计改进简图

4 结语

闪发式经济器的制冷系统采用的是两次节流的单级螺杆压缩机制冷循环。同等情况下，两次节流制冷循环与一次节流制冷循环相比，单位质量制冷量提高了2.0%，理论制冷系数提高了1.3%。根据笔者这两年来的设计实践经验来看，系统运行正常平稳，各项技术指标均达到设计要求，非常适合低温冷库制冷系统中推广应用。

［1]张建一.美国和加拿大冷库设计的节能技术研究［J］.制冷学报，2000(3):41－46

［2]李宪光.经济器的选型及使用探讨 ［J］.制冷，2011(4):24－29

［3]庄友明.制冷装置设计 (修订版) ［M］.厦门:厦门大学出版社，2006

［4]张建一，陈海洋.两次节流循环在氨制冷系统的效率分析 ［J］.低温与超导，2012，(07):63－66，83