对氟利昂制冷系统供液方式的计算与分析

关朋，高东磊，刘国峰

（开封空分集团安装工程有限公司，开封，475000）

冷库采用氟利昂制冷系统时，供液方式主要有膨胀阀供液和桶泵机组供液两种方式，习惯上称之为直膨式和满液式。在目前的制冷行业中，许多人认为膨胀阀供液方式的制冷效果不如桶泵机组供液方式，下面，就以某冷库为例，对两者做一下计算与分析。

1 冷库基本概况

该冷库包含有高温库、低温库、速冻库，各冷库的分间及技术要求见表1：

表1 各冷库的分间及技术要求

2 制冷机组系统

2.1 各冷库制冷机组的选型及技术参数

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各冷库的制冷机组均选用螺杆式并联压缩机组，机头为比泽尔品牌，制冷剂为R507A。高温库选用1台4×HSK8571-140型机组，低温库选用1台2×HSN8571-125型机组，速冻库选用1台3×HSN8591-160型机组，各机组在不同运行工况时的制冷量及轴功率见表2：

表2 各机组在不同运行工况时的制冷量及轴功率

2.2 计算各冷库机组在设计工况时的制冷剂循环量

计算过程见表3：

表3 各冷库机组在设计工况时的制冷剂循环量

h饱和蒸气—蒸发温度时饱和蒸气的焓值，kJ/kg，蒸发温度-10 ℃、-28 ℃、-40 ℃时分别为356.97、347.03、340.03；

h节流—制冷剂液体在设计工况时节流后的焓值，kJ/kg，对于高温库，为35 ℃饱和液体节流后的焓值，为251.775。对于低温库，为35 ℃饱和液体过冷至12.2 ℃，节流后的焓值，为217.199。对于速冻库，为35℃饱和液体过冷至5.7 ℃，节流后的焓值，为207.9485。

3 桶泵机组供液系统

制冷剂液体在进入低压循环桶节流时，产生的气体制冷剂，并不进入蒸发器，而是直接被压缩机吸走，实际参与蒸发器制冷循环的为保留下来的液体制冷剂，只要该部分制冷剂循环量，能够满足蒸发器发挥出来的蒸发量，即可正常制冷。

3.1 计算各冷库蒸发器在设计工况时所分配到的制冷剂循环量

该制冷剂循环量即为饱和液体或过冷液体节流后，保留下来的液体制冷剂循环量，也是蒸发器的液体蒸发量，其计算过程见表4：

X—制冷剂液体节流后的气化率，高温库、低温库、速冻库分别为0.392、0.3、0.32。

3.2 计算氟泵

3.2.1 计算各冷库在设计工况时所需的氟泵体积循环量

计算氟泵体积循环量时要注意，氟利昂系统的循环倍率与氨系统有所不同，氨系统中，氨与油不互溶，冷风机中的油，要通过氨液的快速流动带回低压循环桶。所以，氨系统的循环倍率通常取3～4倍，对于某些负荷有波动、蒸发器较多、容易集油的下进上出式系统，循环倍率甚至取5～6倍［1］。对于氟利昂系统，由于氟利昂与油互溶，回气中夹带的液体可将油带回低压循环桶，所以，循环倍率取1.5倍即可。计算过程见表5：

表5 各冷库在设计工况时所需氟泵体积循环量的计算

n—循环倍率，取1.5倍；

ν饱和液体—蒸发温度时饱和液体的比容，m3/kg，蒸发温度-10 ℃、- 28 ℃、- 40 ℃时分别为0.000837591、0.000795862、0.000771843。

3.2.2 氟泵的选型及技术参数

氟泵选用海密梯克品牌，型号及技术参数见表6：

表6 各冷库氟泵的型号及技术参数

3.3 计算各冷库在设计工况时蒸发器出口处气液混合物的焓值

由于氟泵的供液量大于蒸发器的气化量，所以，蒸发器出口处的制冷剂为气液混合物状态，可根据公式Q机组=n·q蒸发器循环量·（h气液混合-h饱和液体）/3600，计算该股气液混合物的焓值，计算过程见表7：

表7 各冷库在设计工况时蒸发器出口处气液混合物焓值的计算

h饱和液体—蒸发温度时饱和液体的焓值，kJ/kg，蒸发温度-10 ℃、-28 ℃、-40 ℃时分别为186.39、162.75、147.49。

根据计算的焓值，在R507A压焓图中查找各自对应的气体率。查图可知，各冷库蒸发器出口处的气液混合物气体率基本上为0.67，即1.5倍的蒸发器制冷剂循环量中，有2/3蒸发为气体，进入压缩机吸气，剩余1/3仍为液体，流入低压循环桶继续参与氟泵循环。

3.4 蒸发器的选型及技术参数

蒸发器选用下进上出式铝管铝翅片冷风机，冷风机的型号及技术参数见表8：

表8 冷风机的型号及技术参数

3.5 计算各冷库的氟泵体积循环量能否满足冷风机在不同运行工况时的液体蒸发量

冷库降温过程中，蒸发温度由高到低递减，高温库蒸发温度以5 ℃、0 ℃、-5 ℃为参考，低温库蒸发温度以-15 ℃、-20 ℃、-25 ℃为参考，速冻库蒸发温度以-15 ℃、-20 ℃、-30 ℃为参考，进行以下计算。

3.5.1 计算各冷库冷风机在不同运行工况时的液体蒸发量

该液体蒸发量，即为饱和液体或过冷液体节流后，保留下来的液体制冷剂循环量，其计算过程见表9：

表9 各冷库冷风机在不同运行工况时的液体蒸发量

h饱和蒸气—不同蒸发温度时饱和蒸气的焓值，kJ/kg，蒸发温度5 ℃、0 ℃、-5 ℃、-15 ℃、-20 ℃、-25 ℃、-30 ℃时分别为364.47、362.07、359.57、354.29、351.54、348.735、345.88；

h节流—制冷剂液体节流后的焓值，kJ/kg，对于高温库运行工况，以及低温库、速冻库经济器未开启时的运行工况，为35 ℃饱和液体节流后的焓值，均为251.775。对于低温库经济器开启时的运行工况，当蒸发温度为-20 ℃、-25 ℃时，35 ℃饱和液体过冷后的温度分别为17.9 ℃、14.4 ℃，其节流后的焓值分别为225.503、220.382。对于速冻库经济器开启时的运行工况，当蒸发温度为-20 ℃、 -30 ℃时，35 ℃饱和液体过冷后的温度分别为19.7 ℃、13.4 ℃，其节流后的焓值分别为228.166、218.933；

X—制冷剂液体节流后的气化率，5 ℃/35 ℃、0 ℃/35 ℃、-5 ℃/35 ℃、-15 ℃/35 ℃、-20 ℃/35 ℃、-25 ℃/35 ℃、-30 ℃/35 ℃工况时分别为0.295、0.32、0.37、0.415、0.3、0.305、0.323。

3.5.2 计算各冷库在不同运行工况时，氟泵体积循环量对应冷风机液体蒸发量的循环倍率

计算过程见表10：

表10 氟泵体积循环量对应冷风机液体蒸发量循环倍率的计算

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ν饱和液体—蒸发温度时饱和液体的比容，m3/kg，蒸发温度5 ℃、0 ℃、-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃、-25 ℃、-28 ℃、-30 ℃、-40 ℃时分别为0.000879933、0.000864827、0.0008507 38、0.000837591、0.000825151、0.000813405、0.0 00802278、0.000795862、0.00079164、0.000771843。

从表10可以看出，对于蒸发温度较高的运行工况，氟泵体积循环量对应冷风机液体蒸发量的循环倍率较小，有人担心在初期降温过程中，冷风机的供液量会有所不足。而在实际运行中，由于冷风机面积是按设计工况进行选取的，对于蒸发温度较高、制冷量较大的运行工况，该冷风机面积将显得不足，虽然在蒸发温度较高时，冷风机的换热系数会有所增加，有利于制冷剂液体的蒸发，但由于冷风机面积的限制，并不能使制冷剂液体得到更多地蒸发。所以，冷风机在较高的蒸发温度下运行时，实际的液体蒸发量要小于表9中的计算值，即氟泵体积循环量对应冷风机液体蒸发量的循环倍率，要大于表10中的计算值。

当各冷库运行至设计工况时，氟泵供液量已超出冷风机1.5倍的循环倍率，可通过氟泵出口处的旁通阀，将多余的制冷剂液体排入低压循环桶。

通过以上计算可以看出，对于桶泵机组供液系统，随着蒸发温度的不断降低，氟泵的供液量也越来越大于冷风机的液体蒸发量，这些液体存在于冷风机盘管内，占据盘管容积，反而会影响一部分盘管面积的蒸发。

4 膨胀阀供液系统

采用膨胀阀供液系统时，制冷剂液体经膨胀阀节流后产生的气体和液体，均进入冷风机进行制冷循环，此时，冷风机的制冷剂循环量即为压缩机的制冷剂循环量，只要膨胀阀产生的制冷量，能够满足冷风机发挥出来的制冷量，即可正常制冷。

4.1 各冷库冷风机、膨胀阀的选型及技术参数

各冷库均选用带分液器的铜管铝翅片型冷风机，膨胀阀选用丹佛斯品牌。考虑到膨胀阀过热度的要求，冷风机加大20 %左右的过热面积［2］。冷风机、膨胀阀的型号及技术参数见表11：

表11 冷风机、膨胀阀的型号及技术参数

4.2 各冷库在不同运行工况时的膨胀阀制冷量及冷风机制冷量

见表12：

表12 膨胀阀制冷量及冷风机制冷量

从表12可以看出，在不同运行工况时，膨胀阀的制冷量均大于冷风机的制冷量。制冷剂液体在冷风机换热面积的盘管内，基本上能够全部蒸发成为饱和气体，即使还有一些未蒸发完的液体，也会在过热面积的盘管内蒸发完毕。如果回液量过大的话，可通过膨胀阀的调节装置进行调整。

此外，一些有经验的操作人员，还会在保证压缩机不液击的前提下，适当加大膨胀阀的开启度，增加冷风机的进液量，此时，一部分过热面积转换为换热面积，既提高了冷风机的换热效率，又减少了运行时间，降低了能耗。

5 两种系统的比较

对于膨胀阀供液系统，从Q机组=q冷风机循环量· （h饱和蒸气-h节流）/3600可以看出，里面不存在n这一变量值，因此，在压缩机制冷量一定的情况下，冷风机的制冷剂循环量与焓值差均为恒定值。

对于桶泵机组供液系统，从Q机组=n·q冷风机循环量·（h气液混合-h饱和液体）/3600可以看出，在压缩机制冷量一定的情况下，无论如何调整n，也只能是改变氟泵的供液量及蒸发过程中的焓值差，且两者之间存在反比关系，加大氟泵供液量，将势必减小焓值差，反之亦然。其最终结果只能是此消彼长，并不能改变任何制冷效率。

6 结束语

近几年来，国内许多制冷公司及冷库业主，仅凭直观感觉或从众心理，认为桶泵机组供液系统向冷风机输送的液体量多，制冷效果就一定好于膨胀阀供液系统，在没有进行项目技术分析的情况下，盲目采用桶泵机组供液系统。

对于一些供液高度较高的多层冷库和立体冷库，如果采用膨胀阀供液系统，将会使制冷剂液体在上升管路内的压力损失过大，从而影响制冷效果。此外，对于一些大型铝排管冷库，如果采用膨胀阀供液系统，不仅阀门、管道、电器元件、电线电缆会增多，施工强度增大，而且维护检修费用也会增加。对于上述类型冷库，可以考虑桶泵机组供液系统。

对于绝大多数冷库，则完全可以采用膨胀阀供液系统，不仅可以节省桶泵机组费用，贮液器的容积也可以相应减小，使得氟利昂充注量远少于桶泵机组供液系统，而且还可以省去氟泵的运行费用。

目前，国外许多冷库仍然采用膨胀阀供液系统，就连国内以桶泵机组供液方式为主的氨系统，在国外也大量采用膨胀阀供液，该项技术在国内一些冷库中也得到应用，实践证明，完全可以满足冷库的正常降温要求。而且，电子膨胀阀的应用也日益增多，电子膨胀阀可随时根据蒸发压力、蒸发温度的变化，对冷风机或蒸发设备的供液量进行精准调节，使蒸发量始终处于最佳值。

综上所述，冷库选用何种制冷系统或供液方式，不能人云亦云，盲目跟风，必须经过认真细致的分析对比后，才能够进行决策，这也是我国冷库行业必须要重视的一个问题。