基于减少充注量的氨直接膨胀供液系统设计优化.pdf

36第46卷第3期2023年9月Vol.46,No.3September.2023冷 藏 技 术Journal of Refrigeration Technology基于减少充注量的氨直接膨胀供液系统设计优化聂仕华(山东滨州冰峰制冷工程有限公司 滨州 256600)摘 要 基于减少制冷系统氨充注量的考虑，本文从供液形式的选泽，到辅助设备的设计选型，再到传统设备的改造以及新技术的采用等多方面展开探索，设计出了一个氨直接膨胀式供液系统，采用电子膨胀阀向蒸发器直接供液，使蒸发面始终保持在“气液两相”区间内，提高了蒸发器的传热效率。与氨泵强制供液系统相比，去掉了低压循环桶、高压储液桶、虹吸罐、氨泵、油氨分离器、集油器等设备，使得系统结构简单，制冷效率高，氨的充注量少，安全系数高。关键词 氨制冷系统；直接膨胀供液；电子膨胀阀；充注量Optimization of Ammonia Direct Expansion Liquid Supply System Based on Reducing Charging AmountNie Shihua(Shandong Bingzhou Bingfeng Refrigerating Engineering Co.Ltd.,Binzhou,256600,China)Abstract Based on the consideration of reducing ammonia charging amount of refrigeration system,this paper has carried out beneficial exploration from the selection of liquid supply form,to the design and selection of auxiliary equipment,and then to the transformation of traditional equipment and the use of new technology.Designed an ammonia directed expansion type liquid supply system,the electronic expansion valve is used to feed liquid directly to the evaporator,so that the evaporation surface always maintains the largest“gas-liquid two-phase”section,improving the evaporator heat transfer efficiency.Compared with the ammonia pump forced liquid supply system,the low pressure circulation barrel,high pressure liquid storage barrel,siphon tank,ammonia pump,oil ammonia separation,oil collector and other equipment are removed,making the system simpler and higher refrigeration efficiency;the ammonia filling amount is small,and the safety factor is high.Keywords ammonia refrigeration system;direct expansion liquid supply;electronic expansion valve;reduce the amount of charging通讯作者：聂仕华，男，工程师，从事冷冻冷藏制冷装置安装、运行、维护管理工作。氨作为一种优质制冷剂，具有价格低、热力学性能优良、以及ODP和GWP值为零等优势，其应用历史已超一百多年。迄今，在食品冷冻及冷藏行业制冷应用领域内，氨作为制冷剂仍是最好的选择1。但同时，氨具有毒性且在一定条件下可燃可爆，对食品和人员存在安全隐患，在使用上有一定的限制。氨系统的潜在危险性与其充注量有直接关系，危险化学品重大危险源辨识划定氨充注量超过10吨的制冷系统为重大危险源。一旦列为重大危险源，企业必需按照重大危险源管理办法进行管理，这就会给企业带来投资成本的增加和安全管理成本的提高。最大限度地降低制冷系统的氨充注量，是保证氨系统安全运行的有效方法。目前国内氨制冷系统的氨充注量远远高于国外发达国家，例如美国要求不超过4.5吨、欧洲要求不超过3吨等 2。氨作为可替代CFC和HCFC的环保制冷剂，降低其充注量提升其应用能力，对于解决臭氧层破坏及“温室效应”至关重要。氨制冷系统通常根据末端供液方式分为直接膨胀供液系统、重力供液系统和强制供液系统三种。如果从降低氨的充注量角度考虑，无疑首选直接膨胀供液系统。本文着重从系统供液形式的选择、辅助设备的设计选型、传统设备的技术改造以及新技术的采用等几个方面着手，对减少充注量进行了思考。制冷系统供液形式的选择对于氨直接膨胀供液方式，通常采用手动膨胀阀或热力膨胀阀供液，其难点在于不能很好的doi:10.20094/j.issn.1674-0548.2023.03.03637第46卷第3期2023年9月Vol.46,No.3September.2023冷 藏 技 术Journal of Refrigeration Technology控制供液量，手动膨胀阀要根据负荷的变化情况频繁的调节阀的开度，而热力膨胀阀的反馈周期长无法精确调控。因此在氨制冷系统中很少使用直接膨胀供液系统，特别是大、中型制冷系统基本不会使用。与此相比，电子膨胀阀具有十分优越的性能，对输入信号反应灵敏、时间滞后小，且调节精度高，调节范围大（10%100%），能适应很宽的负荷范围等。当负荷变化时，能迅速且精确的作出流量调整，以使蒸发器的换热面积得到有效利用，从而达到最佳的制冷效果。基于以上优点，本文采用电子膨胀阀向蒸发器直接供液，以蒸发器出口过热度为控制参数，调节电子膨胀阀的开度，系统原理见附图1。过热度是反映膨胀阀控制能力的最重要性能参数，减小蒸发器出口过热度，可拉长蒸发器的两相换热区，提高蒸发压力与蒸发温度，提升制冷效率；但只有足够的过热度，才能保证系统的可靠性。因此只有对过热度进行优化，才能同时满足节能和可靠性的要求。丹佛斯电子膨胀阀的过热度控制方案通过优化后，可以实现最小过热度的控制。即在整个机组运行的过程中，保证其过热度的受控波动范围一直最大可能的靠近回液的边缘，保证了在所有工况下的最小过热度3。因为本设计在制冷压缩机之前设置了氨液分离器，小的出口过热度对制冷压缩机是安全的。所以可采用尽量小的过热度，以保证蒸发器传热面能保持最大的“气液两相”区间，提高蒸发器的传热效率。氨制冷剂从蒸发器出来时为气液两相混合物，这些气液混合物在被制冷压缩机吸入之前先经过氨液分离器，分离出来的干饱和气体由制冷压缩机吸走，而氨液则沉积下来，落入底部的氨液过冷器管程内，在过冷器内吸收由冷凝器过来的高压液氨的热量，蒸发成干饱和气体，与氨液分离器分离出来的干饱和气体一起被压缩机吸走。从冷凝器出来的高压液体氨在流经过冷器时，放出热量成为过冷液体，然后再经电子膨胀阀供向蒸发器供液。与强制供液系统相比，直接膨胀供液系统取消了低压循环桶、氨泵等设备及大量的连接管道，大大简化了系统的结构，降低了氨的充注量，据有关文献报道，低压侧的充氨量可降80%，大大减少了安全隐患 2 1 螺杆压缩机组 2 螺杆压缩机组附属油分离器 3 螺杆压缩机组附属油冷却器 4 蒸发式冷凝器 5 蒸发式冷凝器集液母管6 氨液分离 7 氨液过冷器 8 电子膨胀阀 9 冷风机 10 顶排管图 1 氨直接膨胀制冷系统原理图Fig.Schematic diagram of ammonia direct expansion refrigeration system 氨液分离过冷器.氨液分离器 氨液分离器是制冷系统中一个重要的部件，起到防止压缩机液击的作用。就目前而言，制冷系统中使用的多数氨液分离器的原理是利用流通截面的突然增加，制冷剂的流速和流向均发生改变，同时在重力的作用下使得气态和液态的制冷剂发生分离。但是这类分离器的分离效率低，体积较大，增加了系统的制冷剂充注量。国内相关制冷手册4已经给出气液分离设备的选型计算方法，但这些计算方法没有根据工况的变化及需要对分离的制冷剂液滴大小进行界定，而是笼统地把气液分离速度取设计经验值0.50.8 m/s，这种设计不够严谨，在选型的过程中会造成较大的误差2。且手册只给出了氨液分离器直径的计算办法，没有给出氨液分离器的有效高度计算办法，然后根据直径在产品手册上选择近似的规格，这往往38第46卷第3期2023年9月Vol.46,No.3September.2023冷 藏 技 术Journal of Refrigeration Technology使选用的气液分离器的体积偏大，增加了系统的氨充注量。为了降低氨的充注量，一方面要加强对在用的氨液分离器的理论研究，得出合理的设计参数，并进行精心设计，尽量减小氨液分离器的体积；另一方面要采用新技术、新设备，例如旋流分离技术。旋流分离器具有结构简单、设备紧凑、安装便利、成本低、分离效率高等特点，被广泛应用于多个领域。旋流分离技术在制冷领域中的应用，将会大大减小分离器的体积，对于制冷系统来说，即便在分离效率不变的情况下，体积减小了，同时也就减少了制冷剂的充注量5。因旋流分离技术在制冷中的应用尚处于研发阶段，本制冷系统仍采用了重力分离技术，但与传统的氨液分离器的结构不同，是由上部的氨液分离器和下部的氨液过冷器组成，因此权且叫做“氨液分离过冷器”。上部氨液分离器的设计，主要考虑分离速度和分离距离两个因素，不仅要计算直径，还要计算有效高度6。氨液分离器只具有气液分离功能，其液位和储液功能由下部的氨液过冷器承担。蒸发器冲霜回液不回“氨液分离过冷器”而是送到正在工作的其他蒸发器中。.氨液过冷器 氨液过冷器采用壳管式热交换器形式，与氨液分离器连成一体，其壳程部分与氨液分离器相通，管程部分与系统高压相通。被氨液分离器分离出的低压低温氨液落入氨液过冷器的壳程里；来自冷凝器的高压常温氨液进入氨液过冷器的管程里。在氨液过冷器里两种氨液进行热交换，低压低温氨液吸热后变成饱和气体被压缩机吸走；高压常温氨液放出热量后变成高压过冷液体，通过电子膨胀阀向蒸发器直接供液。氨液过冷器不仅要对高压液体进行降温，而且要容纳氨液分离器分离下来的液体，同时还要起到部分高压液体的储存功能。因此在氨液过冷器的设计时就要全面、平衡考虑：一要考虑氨液分离器分离下来的液体储存容积（即壳程容积），不必考虑冲霜回液容积；二要在计算氨液过冷器的换热面积（即管程的表面积）时，还要同时平衡高压液体的储存容积（即管程的容积）。本系统充分利用了“氨液分离过冷器”下部的容积设置了氨液过冷器，集多重功能于一器，简化了系统，提高了制冷效率，为省去高压储液器创造了条件，对减少系统氨的充注量有极大作用。3 蒸发器形式的选择目前在冷冻冷藏行业，速冻间主要使用冷风机和搁架排管，冷藏间主要使用顶排管，少部分使用冷风机。排管蒸发器主要由38无缝钢管制作，其传热系数低所需换热面积大，体积也庞大，需要冲注大量的氨；而冷风机传热系数高，所需换热面积小，管内容积小，所以充氨量很低。对于库内全部采用排管的低温冷藏库，库内排管氨的充注量差不多是整个制冷系统的85%左右。对于相同换热量，冷风机的充氨量仅为排管的4.5%7。而近些年使用越来越广泛的不锈钢管铝片冷风机更有制冷效率高、重量轻、抗腐能力强、成本低、更环保等诸多优点，其单位冷量的制冷剂充注量比传统钢管钢片冷风机又可进一步降低约30%2。如采用排管式设计，降低氨的充注量是非常困难的。显而易见，使用冷风机比使用排管可减少不少的氨充注量。但是冷风机风速较高，导致货物的干耗较大，外观品质也不佳，对没有包装的冷冻冷藏品不利。而顶排管蒸发器采用自然对流换热方式，库温均匀，对冻品干耗影响小。因而很多企业还是愿意采用排管的形式。从制冷系统的安全角度考虑，企业应积极改进产品的包装形式，尽量采用冷风机。其实排管也可以进行改造，以减少氨的充注量。我们知道，从热交换的机理来说，减小管径可以强化管内的传热效果，从而可以减小蒸发面积，减小管内容积，达到减少氨充注量的目的。如果排管使用32或25钢管制作，氨的充注量较38钢管制作就可减少21%45%7。4 高压贮液器、虹吸罐4.高压贮液器高压贮液器在制冷系统中的作用是用来储存氨液，以调节和稳定整个制冷系统中的氨液循环量，使氨的循环量适应运行工况变化，既可满足各设备的正常供液，又能保证压缩机正常运行。理论上讲，如果系统热负荷比较稳定，系统设计合理，就可以不设置高压贮液器，例如常见的冰箱制冷系统就没有高压贮液器。本系统没有设置高压贮液器，而是将高压贮液器的功能分配在冷凝器集液母管、氨液过冷器的管程以及冷凝器集液母管和氨液过冷器之间的连接管道上，这样做的目的也是为了简化系统，减少充注量。这三部份容积的设计要参照高3第46卷第3期2023年9月Vol.46,No.3September.2023冷 藏 技 术Journal of Refrigeration Technology压贮液器的设计原则。设计时要根据具体制冷系统的规模，制冷系统蒸发器的类型、蒸发器的供液方式、自动控制水平等情况，认真分析系统的运行特点，精心设计，尽量减小其体积，减少充注量。4.虹吸罐虹吸罐在氨制冷系统中起到氨液分配器的作用。氨液从冷凝器到达虹吸罐后，优先把氨液送到螺杆式压缩机的油冷却器中，余下的液体再送到高压贮液器中。本系统没有设置虹吸罐，而是将蒸发式冷凝器的集液母管直径适度放大，代替虹吸罐的功能，这样做的目的也是为了简化系统，减少充注量。蒸发式冷凝器集液母管直径的计算参照虹吸罐的容积计算原则，但要贯彻“减少充注量”理念，容积不能过大够用就行。长期以来国内的设备生产商把虹吸罐有效贮液容积设计成至少15分钟的量，导致大量氨液“沉淀”在罐内不但没有发挥任何作用，还增加了氨的充注量。虹吸罐的有效储液量，以油冷却器处于最大负荷时不超过5分钟的氨液蒸发量为宜7。设计成5分钟，是考虑由于冷凝器或其它原因而导致无液体进入虹吸罐时，其内部贮存的制冷剂液体仍能保证油冷正常工作，避免油温过高而导致压缩机频繁启停8。可利用这段时间检查排除事故原因，如不能排除再做停机处理。5 润滑油的选择目前我国在用的冷冻油都不能与氨互溶，因而系统中就需要设置油氨分离器、集油器等设备，还有必要的油管道。这些设备和管道的存在，也加大了系统氨的充注量。国际上现已开发出能溶于氨的合成润滑油。据报道，在日本前川制作所开发的新型分体式氨制冷剂冷水机组中采用了与氨互溶的润滑油，这样氨制冷系统就可以省去油氨分离器、集油器以及相应的管路9。本文设计采用了在国内已经在售的合成聚醚类（PAG）冷冻油，这种油与氨制冷剂有良好的溶解/混溶性，保证了进入制冷系统的润滑油能与氨一起回到压缩机，不会积存在系统中，特别是在低蒸发温度时，这个特性更为突出。因此本系统仅在压缩机组内设置油分离器，在系统内不再设置油氨分离器和集油器及管道，从而减少了氨的充注量。6 结束语氨虽是理想的制冷剂，但是氨制冷系统的安全运行问题备受诟病，氨系统发展任重道远，减少氨的充注量，是氨制冷系统的发展方向。本文从供液形式的选泽，到辅助设备的设计选型，再到传统设备的改造以及新技术的采用等多方面进行了有益的探索，设计出了一个氨直接膨胀式供液系统。与氨泵强制供液系统相比，去掉了低压循环桶、高压储液桶、虹吸罐、氨泵、油氨分离器、集油器等设备，使得系统结构简单，制冷效率高，氨的充注量少，运行安全系数高。参考文献1 龚毅.论重新认识氨制冷剂的作用J.郑州纺织工学院学报,1997(S1):1-4.2 王程林,刁晓明,吴建毅,等.控制氨充注量氨制冷系统的机遇与挑战J.制冷与空调,2017,17(7):73-76.3 张宁,沙陆,郭皓.电子膨胀阀过热度技术研究J.制冷,2013,32(2):15-18.4 商业部设计院.冷库制冷设计手册(第1版)M.北京:农业出版社,1991:272.5 吴腾飞,臧润清.旋流分离技术在制冷系统中的研究与应用C/中国制冷空调工业协会.第六届中囯冷冻冷藏新技术、新设备研讨会论文集:100-103.6 吴腾飞,臧润清,刘江彬.制冷系统气液两相分离的理论研究J.过滤与分离,2013,23(3):18-21.7 黄文培.氨制冷系统中如何减少灌氨量的探讨J.冷藏技术,2014(4):25-28.8 靳新春.制冷系统虹吸罐的选型与分析J.冷藏技术,2019,42(3):34-36.9 杨一凡.氨制冷技术的应用现状及发展趋势J.制冷学报,2007,28(4):12-19.