制冷裝置能耗優(yōu)化分析

欒順強

【摘 要】制冷系統(tǒng)的優(yōu)化是指在符合工藝條件的前提下，對有限個參數(shù)進行綜合調(diào)節(jié)，使得綜合能耗最低。文中把冷卻水泵、冷凍水泵、制冷機組看作一個有機的整體進行參數(shù)的優(yōu)化和控制。討論了在環(huán)境溫度變化時，采用小流量和大流量的能耗比較，在可能的情況下，對能耗的最小值進行求解，以到達總能耗最小的目的。

【關(guān)鍵詞】節(jié)能；制冷系統(tǒng)；冷卻水流量；冷凍水流量

當(dāng)前，環(huán)境和資源是擺在人類面前的兩大難題?！笆晃濉币?guī)劃綱要中要求實行單位能耗目標(biāo)責(zé)任和考核制度，完善重點行業(yè)能耗標(biāo)準(zhǔn)和節(jié)能設(shè)計規(guī)范，進一步把單位GDP能耗降低20%作為約束性指標(biāo)。節(jié)能降耗的技術(shù)和手段需要各企業(yè)去探索、研究和實踐。筆者擬通過對制冷裝置節(jié)能降耗影響因素的分析，探討節(jié)能降耗的改進方向和措施。

1.制冷工藝比較

1.1壓縮制冷工藝

壓縮制冷是將制冷劑通過制冷壓縮機及輔機由壓縮、冷凝、節(jié)流、蒸發(fā)4個過程組成制冷循環(huán)。

壓縮制冷工藝具有流程短、制冷量大、工藝成熟的優(yōu)點； 但是無論選擇電動壓縮機或蒸汽透平壓縮機都需要使用品級較高的能源，故適合于制冷量很大的場合。

1.2吸收制冷工藝

雖然吸收制冷工藝流程較長、設(shè)備較多，但在中等規(guī)模制冷量的情況下投資費用比壓縮制冷少，運行費用也較低。吸收制冷工藝具有以下優(yōu)缺點。

（1）有利于熱能的綜合利用。吸收制冷工藝中蒸發(fā)器加熱所需要的熱源溫度較低，故可以充分利用0.25～0.8MPa（絕）低品質(zhì)飽和蒸汽，甚至使用低壓蒸汽冷凝液，從而節(jié)約能量，大幅降低運行成本，特別是在低品質(zhì)熱源較多，供電緊張的地方，具有明顯的優(yōu)點。

（2）負荷調(diào)節(jié)范圍大。負荷在20%～100%的范圍內(nèi)，吸收制冷系統(tǒng)均可以正常運行，而采用壓縮制冷時負荷變化范圍較小。

（3）維修簡單，易于管理。吸收制冷裝置大部分為靜設(shè)備，而壓縮制冷需要壓縮機等復(fù)雜機組。

（4）吸收制冷也有其缺點，如冷卻水耗量大，占地面積大，且經(jīng)濟制冷溫度僅為+10～-20℃。

1.3制冷方案的選擇

壓縮制冷和吸收制冷各有優(yōu)缺點，要根據(jù)項目具體情況選擇制冷方案。如果把2種制冷方案結(jié)合起來，在大型合成氨尿素項目中，主要依靠壓縮制冷提供冷量，同時配套增加1套吸收式制冷裝置，利用工藝余熱，提供冷量，降低循環(huán)冷卻水的溫度，從而降低壓縮功，既利用了余熱，也節(jié)省了壓縮機透平高位能蒸汽消耗。

2.制冷裝置優(yōu)化原則

對制冷裝置進行優(yōu)化，首先要確定優(yōu)化的原則，即要確定優(yōu)化目標(biāo)、優(yōu)化參數(shù)、優(yōu)化計算的約束條件，然后才是優(yōu)化方法的確定。

2.1優(yōu)化目標(biāo)的確定

對制冷裝置進行優(yōu)化，首先要明確優(yōu)化目標(biāo)。

對不同的裝置不同的人員所選擇的優(yōu)化目標(biāo)都會有所不同，但一般來講，優(yōu)化的目標(biāo)應(yīng)該包括以下兩項：（a）裝置能夠正常工作，達到其功能要求；（b）效率與競技性最高。本文針對越來越受到重視的制冷空調(diào)節(jié)能問題，討論了對給定制冷設(shè)備基礎(chǔ)上在滿足制冷要求的前提下，如何調(diào)節(jié)可變參數(shù)，使總能耗最小。因此，選取制冷空調(diào)的總能耗為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。

2.2優(yōu)化參數(shù)的選擇

優(yōu)化參數(shù)是指優(yōu)化計算中的可變量。改變這些參數(shù)，尋找其最佳組合，即優(yōu)化計算過程。

本文所選研究實例為活塞式冷水機組。活塞式冷水機組中的活塞式壓縮機的性能與很多參數(shù)有關(guān)，其性能曲線是指壓縮機的制冷量和功率與相關(guān)參數(shù)的關(guān)系，其主要參數(shù)是蒸發(fā)溫度和冷凝溫度。而對于冷卻水泵和冷凍水泵來說，影響水泵能耗功率的參數(shù)為冷卻水流量和冷凍水流量，因此，選擇冷卻水流量和冷凍水流量為水泵優(yōu)化參數(shù)。

3.制冷裝置節(jié)能降耗改進措施

3.1提高換熱效率

（1）改善循環(huán)水水質(zhì)，加強水冷器的清洗。循環(huán)水中加入殺菌劑后，細菌尸體附著在水冷器的管程表面，增大了熱阻，降低了換熱效率，嚴重時還可造成設(shè)備堵塞。

（2）改進換熱器材質(zhì)和換熱器結(jié)構(gòu)。使用石墨等高效傳熱材料，選用傳熱面更大的翅片式或螺旋板換熱器，以提高換熱效率與冷卻冷凝效果。

（3）加強制冷劑蒸汽在換熱器內(nèi)的湍動，以增加導(dǎo)熱能力。

3.2降低管道阻力降

所有制冷劑不管是蒸氣還是液體狀態(tài)，流過制冷回路時都會產(chǎn)生壓降。當(dāng)壓力變化時，制冷劑的溫度也會改變，改變多少依賴于制冷劑本身?？紤]到在吸氣和排氣管路上的壓降，要保持蒸發(fā)器和冷凝器中的合適壓力，流道壓降將會增加壓縮機的壓縮比。對于多數(shù)制冷劑來說，吸氣管路的壓降所造成的溫度變化比排氣管路壓降造成的溫度變化更加顯著。

3.3惰性氣的分離

制冷系統(tǒng)中不凝性氣體主要來自以下幾方面。

（1）在投產(chǎn)前或大修后充灌制冷劑時，未將系統(tǒng)內(nèi)的空氣徹底抽凈。

（2）補充潤滑油及制冷劑時操作不慎，導(dǎo)致少量的空氣進入系統(tǒng)。

（3）當(dāng)制冷裝置在蒸發(fā)壓力低于大氣壓力下運轉(zhuǎn)時，外界的空氣即有可能從不嚴密處，如壓縮機的軸封處、各法蘭連接處、閥門的填料處等進入系統(tǒng)。

（4）潤滑油及制冷劑在很高的排氣溫度下也會少量分解產(chǎn)生一些其他不凝性氣體。

制冷系統(tǒng)存有不凝性氣體將妨礙冷凝器的傳熱，并使壓縮機的排氣壓力和排氣溫度升高，因而使功耗隨之增加，因此這些氣體必須予以清除。

采用空氣分離器可以排除制冷系統(tǒng)中不凝性氣體（主要是空氣） ，并同時回收制冷劑的制冷劑。

該法通常只是在大中型的制冷裝置中使用，因為大中型的制冷裝置中不凝性氣體的數(shù)量較多，而小型制冷裝置通常不設(shè)置空氣分離器，直接從冷凝器、高壓貯液器或排氣管上的放空閥把空氣等不凝氣體放出，以力求系統(tǒng)的簡化。

3.4油分離

對于小型制冷機組，如果采用油密封，則系統(tǒng)液氨可能帶油。大量油粘在換熱管外壁，增大了換熱器的熱阻，降低氨冷效率。此類機組應(yīng)設(shè)置排油裝置，每次開停車都需排油，但不能從根本上解決液氨帶油問題。對于大型離心制冷壓縮機，目前一般采用氣體密封。如果密封氣正常投用，不會有油滲入系統(tǒng)。

4.結(jié)語

為降低功耗，需要在流程配置、制冷劑研究、材料選擇、設(shè)備管道設(shè)計、降低冷卻水溫度等方面進一步研究，每一項進步都會顯著地降低制冷裝置的能耗。在制冷劑的選擇方面，需要考慮項目的具體情況。針對氨合成項目，選擇氨作為制冷劑更為合適，因為合成氨精制部分產(chǎn)生的氣氨需要進入壓縮機壓縮液化，而且合成氨裝置的氨制冷劑來源方便。

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