制冷剂过冷在相变压缩制冷中的节能应用

孙正金 王金良(万华化学集团股份有限公司,山东 烟台 264006)

制冷剂过冷在相变压缩制冷中的节能应用

孙正金 王金良(万华化学集团股份有限公司,山东 烟台 264006)

本文根据相变制冷循环，回热热循环的对比，显示了回热循环在相变制冷工程中的节能优势。对于未采用回热循环的氨气压缩机，以循环水作为冷却介质，对冷凝后的液氨进行了过冷处理，并计算了实际生产中能够带来的节能效果。

相变制冷循环;回热循环;氨气压缩制冷;过冷;节能

在制冷循环中多采用在工作范围内会发生相变的工质。采用会发生相变的工质，制冷循环具有以下两个优点：一、工质的吸热放热过程是定温过程，制冷系数大；二、单位工质的制冷能力高。即在湿蒸汽区可实现定温过程，且相变潜热远远大于显热，相变制冷循环在工业中得到了广泛的应用。[1]

1 理论分析

在氨气压缩制冷循环中，为提高制冷能力，常采用过冷措施，即将冷凝器中处于饱和状态的溶液进一步冷却为未饱和溶液，然后再经截流膨胀，制冷量增加。回热循环与普通相变制冷循环相比，具有以下优点[1]：(1)制冷量增加；(2)压缩机出口压力降低，制冷系数提高；(3)压缩机吸入的工质为过热蒸汽，可以防止液击现象。

制冷剂的制冷能力是随工作条件不同而变化的。当蒸发温度降低或冷凝温度升高时，制冷能力下降，同时压缩机的压缩比增大，容积效率下降，功耗增多。

2 行业现状

实际工业生产中我国许多氨压缩制冷以及丙烯压缩制冷工艺中并未采用回热制冷循环。对于已经设计好的相变制冷压缩机，多极两段压缩, 其高低压缸叶轮级数，压比、进出口温度、进出口压力等都已经设定，由于未采用回热制冷循环，当环境温度高于设计温度32℃，循环水温超过设计指标时，高低压缸冷却器，压缩机出口冷凝器上回水阀门全开，循环水站风机全开，循环水压已达到最大值时，冷却器与冷凝器不再具有调节制冷剂气体以及冷凝液温度能力，压缩机出口压力温度会同时升高，冷凝剂露点温度升高，饱和蒸汽压力上升，冷凝液贮槽温度升高，制冷能力下降，制冷剂质量流量增加，压缩机负荷增大，功耗增加，能源浪费严重。

3 案例分析

下面以某公司未采用回热制冷循环的氨气制冷为例分析。(表1)

储槽上方气相压力为同温度下液氨饱和蒸汽压力，冰机出口压力PT1与储槽液氨饱和蒸汽压一一对应并相等夏季高温，出口冷却器，中间冷却器，液氨冷凝器等换热器，循环水上回水阀门全开后，不再具有调节能力，当循环水温高于设计指标32℃以后，冰机出口温度，压力同时升高，由于压力升高，气氨露点温度升高，冷凝为液氨后，又由于液氨冷凝器换热能力已经达到饱和，液氨与换热管接触时间有限，液氨不能被进一步冷却，冷凝下来的液氨可达44℃。30T/h的“高温”液氨不断流入氨储槽后，液氨储槽温度也会不断升高，同时对应液氨饱和蒸汽压力也不断上升，直到达到新的平衡为止。

分析：

从表中可以看出随着时间推移，环境温度(气温)不断升高，循环水温升高，换热器换热效果下降， TI1、PT1、FR都不断升高，16：00时达到最大值。FR最大值出现在16：00和17：00；最小值Min出现在8：00，

高压蒸汽压力PI3平均值为：9.14MPag

高压蒸汽温度TI3平均值为：513.9℃

由于8：00时高压蒸汽压力为8.81MPag与平均值相比较低，17：00时高压蒸汽压力为9.32MPag与平均值相比较高，9：00时与16：00时高压蒸汽压力和温度与平均值都比较接近，所以选择这两个时刻作为分析对象。(表2)

(4)16：00与9：00相比高压蒸汽耗量增加百分比：

(5)冰机出口压力每升高0.1MPa高压蒸汽耗量增加值

(6)液氨储槽温度每升高1℃高压蒸汽耗量增加值

表1中12：00～20：00，8个小时内液氨储槽温度TI1平均值为44.56℃，与39.9℃温差为4.66℃，由以上数值分析可以看出，每年浪费高压蒸汽量比较大。

不仅如此，当压缩机出口压力过高，高于设计指标1.60MPag时， 会导致高压缸入口压力高于设计指标0.35MPag，低压缸出入口压力也会同时升高，制冷器液氨闪蒸压力升高，制冷效果下降，冷库温度升高，须提高前闪蒸量来维持低温，如此会增加冰机负荷，若降低低压缸入口气量，调节在正常工况气量25000NM3/h左右时，可能冰机运行不再安全。由于高低压缸出口压力升高的同时，高低压缸入口压力也升高，因此冰机调节会更加困难，稍不留意还会产生喘振等危害。

表1 5月9日冰机工况记录

表2

无论是从节能，还是从连续高效稳定运行，防止喘振等危害发生方面考虑，都应该采取措施，解决冰机出口压力过高的现象。

4 解决方案

由前面回热制冷循环可以看出，回热循环能够增加制冷能力，降低制冷剂饱和蒸汽压，即降低压缩机出口压力，但是对于已经设计好并投入使用的相变制冷压缩机，入口温度，低压缸压缩比，出口温度都已经设定，当采取回热循环时，入口温度会升高，同时出口温度也会随之上升，低压缸出口温度会高于设计值，对压缩机密封寿命等必然会产生影响。

由冷凝器冷凝后液氨温度44℃，再次冷却液氨会产生可观的经济效益。

根据相变制冷回热循环改进的液氨过冷循环T-S图如下所示。

氨气压缩制冷过冷循环T-S图

将原来的普通制冷循环1→2′→3′→4′→5′→1与改进的液氨过冷循环1→2→3→4→5→6→1 分别作分析如下:

普通制冷循环1→2′→3′→4′→5′→1，吸收的热量q2=h1-h5'；放出的热量q2=h1'-h4'，功耗Wc1=h2'-h1=cp(T2'-T1)(比热容按定比热容计，压力为p2和p3时两个换热器热量损失暂时不计)。

冷库的制冷量Q1=(h1-h5')

改进的液氨过冷循环1→2→3→4→5→6→1，吸收的热量q2=h1-h6；放出的热量q1=h2‘-h5，功耗Wc2=h2-h1=cp(T2-T1)。

Hpol为多变能量头， Hlossimp为压缩机的压头损失，由于压缩机进出口流速几乎相同，所以这部分进出口的能量增量忽略不计， 则

从T-S图上我们可以看出：

Hth

当Q1=Q2时，qm2

由以上对比分析可以看出，采用液氨过冷循环，不仅制冷系数有所提高，液氨贮槽温度，压缩机出口压力，温度，入口压力都会降低，压缩机功耗降低，不仅节能，而且工况更容易调节，可有效防止由于高压缸出口压力，入口压力高导致的低压缸出口压力高而产生的低压缸喘振事故。可起到节能，安全稳定长周期运行双效利益。

液氨饱和蒸汽压力表如下，液氨温度℃，液氨饱和蒸汽压力MPag[3]

表4

冰机8，9月份运行时出口压力一般在1.74MPag左右，蒸汽耗量在21t/h左右。如果使用循环水作冷媒的换热器,将液氨过冷后温度降低到37℃，冰机出口压力为1.44MPag，液氨过冷前后温差7℃，每小时节省蒸汽量为： 0.42t/h×7℃=2.94t/h

由以上计算可以就看出如果能将液氨过冷到37℃，冰机出口压力降到1.44MPag，高温月份可以节省大量蒸汽。而且冰机出口压力降低后，高低压缸入口压力都会降低，工况会更佳，更易调节，并且可以有效防止由于高低压缸出口压力高而产生的喘振危害。

5 结语

对于相变压缩机制冷系统采用回热循环设计，节能降耗效益比较可观，新厂设计时建议考虑使用，对于未采用回热循环的制冷系统，可考虑增加制冷剂过冷换热器来实现冷媒降温，降压，节能降耗，增加制冷系统平稳安全运行以及易操控性。

[1]毕书明,等.工程热力学(第二版).北京：化学工业出版社.

[2]姜培正.过程流体机械.北京：化学工业出版社.

[3]夏清，等.化工原理上(修订版).天津大学出版社.

①王金良,2008年毕业于中国矿业大学，过程装备与控制工程专业，目前工作于万华化学集团股份有限公司烟台工业园石化一体化特种聚氨酯装置，任职主任工程师。②孙正金，2010年毕业于大连理工大学，过程装备与控制工程专业，目前工作于万华化学集团股份有限公司烟台工业园石化一体化特种聚氨酯装置，任职设备工程师。