如何計算具有氣液分離功能壓力容器的產(chǎn)冷量

李憲光，吳少強

(廣州市粵聯(lián)水產(chǎn)制冷工程有限公司，廣州510)

1 前言

在食品加工的制冷系統(tǒng)中，具有氣液分離功能的壓力容器是主要的設(shè)備之一，它的選型計算關(guān)系到制冷系統(tǒng)設(shè)計的科學(xué)性和合理性。目前使用的具有氣液分離功能的壓力容器通常有以下幾種:低壓循環(huán)桶、氣液分離器、中間冷卻器、閃發(fā)式經(jīng)濟器及熱虹吸桶 (或稱輔助貯液器)。如何對這些設(shè)備的選用及計算，前面的三種設(shè)備在我國的相關(guān)的制冷設(shè)計規(guī)范中已經(jīng)有了表述，而后兩種則還沒有進行詳細的表述。即使已經(jīng)有具體選型公式的前面的三種設(shè)備，從今天制冷行業(yè)的發(fā)展階段來看，已經(jīng)顯得不夠科學(xué)和缺乏嚴謹性。

本文根據(jù)多年實際工程設(shè)計工作的經(jīng)驗，對具有氣液分離功能壓力容器，特別是目前還缺乏詳細表述的閃發(fā)式經(jīng)濟器和熱虹吸桶 (或稱輔助貯液器)的產(chǎn)冷量提出了新的計算方法，經(jīng)多個工程實際應(yīng)用，證明了這個方法比傳統(tǒng)計算方法更加先進和更加合理。

2 傳統(tǒng)計算方法的不足

低壓循環(huán)桶、氣液分離器和中間冷卻器這三種設(shè)備目前已經(jīng)有具體的選型計算方法，但這些計算方法存在不足之處。首先，這些選型計算沒有根據(jù)工況的變化及需要分離的制冷劑液滴大小的標準進行界定，而是籠統(tǒng)地把桶內(nèi)氣體流速ω標定為某個定值，例如中間冷卻器的選型計算:

式中:D—中間冷卻器的直徑，λ—壓縮機的輸氣系數(shù)，v—壓縮機的理論吸氣量，ω—氣體流速，一般取0.5m/s。

又如低壓循環(huán)桶的選型計算:

其中:D—中間冷卻器的直徑，λ—壓縮機的輸氣系數(shù)，v—壓縮機的理論吸氣量，ω—氣體流速，立式桶為0.5m/s，而臥式桶為0.8m/s，ξ—低壓循環(huán)桶的截面積系數(shù)，n—低壓循環(huán)桶氣體進氣口的個數(shù)。

這種界定顯然是不夠科學(xué)，由此在選型的過程中可能會造成較大的誤差，例如，低壓循環(huán)桶使用氨作為制冷劑運行在高溫庫工況下 (35℃/－10℃)和運行在速凍工況下 (35℃/－40℃)，根據(jù)我們數(shù)據(jù)收集的結(jié)果計算其桶內(nèi)氣體流速ω可以相差一倍，而按國內(nèi)的選型計算氣體流速ω都一樣。表1和圖1是根據(jù)一本國外的技術(shù)書籍提供的資料而作出的，表1中的數(shù)據(jù)是臥式分離器在不同的分離距離，兩種制冷劑在不同的飽和溫度下的最大的分離速度。而圖1則是兩種制冷劑及兩種不同分離速度的比較。

表1 不同的分離距離兩種制冷劑的最大的分離速度

圖1 兩種制冷劑在兩種不同分離速度的比較

根據(jù)資料介紹，需要分離的制冷劑的液滴直徑大小的確定，不同的作者或制造企業(yè)有不同的標準。從圖或表中我們都可以發(fā)現(xiàn)，不管是按分離距離或是按制冷劑的液滴直徑來選擇分離速度，飽和溫度越低，分離速度越高。以氨制冷劑為例，分離距離在設(shè)定為610mm的情況下，－40℃與－7℃其分離速度就相差一倍，可見，用定值去計算和選擇分離容器是有所欠缺的。

根據(jù)我們在這幾年的應(yīng)用以及收集到的數(shù)據(jù)分析，國外設(shè)計這些分離容器產(chǎn)品時，是通過大量的實驗和數(shù)據(jù)分析，設(shè)定了能適應(yīng)不同工況的最小分離距離，以及確定需要分離制冷劑的最小液滴的直徑 (小于此直徑的液滴的制冷劑可以進入到回氣管內(nèi)蒸發(fā)或直接進入到壓縮機而不至于產(chǎn)生液擊)。根據(jù)不同的工況，制定了各種蒸發(fā) (飽和)溫度下的最大 (分離)速度 (Max velocity)，再用這個分離速度乘以這個容器在最不利的運行狀況下的最小分離截面 (即容器內(nèi)的液面達到報警位置)，就是這個容器在這個工況下的最大產(chǎn)冷量(Max capacity)。換句話說，最大產(chǎn)冷量是表示這個容器在某個工況下運行，容器在低于或等于這個最大產(chǎn)冷量的情況下運行是安全的，當大于這個最大產(chǎn)冷量時需要選用比這個容器容積更大的容器才能滿足需要。因此，通常定義在指定工況下用產(chǎn)冷量 (Capacity)表示這臺分離容器的分離能力 (用kW來衡量這種能力，見圖2)。

圖2 臥式容器的分離過程示意

比如低壓循環(huán)桶、氣液分離器與這些容器配套的末端設(shè)備是冷風(fēng)機或蒸發(fā)排管，而冷風(fēng)機或蒸發(fā)排管在不同的工況下有不同的產(chǎn)冷量，它們往往也是用kW來表達。同樣，中間冷卻器、閃發(fā)式經(jīng)濟器與它們配套的是壓縮機的低壓級負荷或壓縮機的補氣負荷，這些負荷同樣也是用kW來表達。因此通過計算氣液分離功能的壓力容器在不同的工況下的產(chǎn)冷量，會更好的理順這兩者之間的關(guān)系。

用這種方式表現(xiàn)的具有分離功能容器的能力與目前國際通行的表現(xiàn)方式是接軌的。這種分離能力在同一臺容器，根據(jù)不同的工況及不同的制冷劑，會計算出不同的產(chǎn)冷量。

有兩點是可以肯定的:蒸發(fā)溫度越低產(chǎn)冷量越小;制冷劑的密度越大，需要分離液滴直徑就越小，其分離速度也越低。

3 容器產(chǎn)冷量的新計算方法

如何計算及定義某臺臥式具有分離功能的容器在指定工況下的產(chǎn)冷量?在理論上是可以通過作設(shè)定的工況壓焓圖進行計算。但這種計算在工程上比較麻煩而且復(fù)雜。我們的思路是:在確定分離距離后，找出需要計算的工況下的最大允許的分離速度，用這個速度乘以這臺容器每小時通過分離最小截面，再除以使用制冷劑在這工況下 (飽和蒸發(fā)溫度)的蒸汽比容，然后通過工程計算軟件，測算出該容器的產(chǎn)冷量。

這里需要計算的參數(shù)只有某種工況下的最大允許的分離速度，是一個變量。計算方法是從上面的表1和圖1中，確定分離距離然后再找出某個溫度下的最大允許的分離速度;或者確定需要分離制冷劑的最小液滴的直徑，然后根據(jù)這種直徑的分離速度曲線及運行的溫度找出允許的分離速度。

根據(jù)我們的實際應(yīng)用和數(shù)據(jù)統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)國外的產(chǎn)品設(shè)計是上面兩種計算方法的綜合，同時還需要考慮蒸發(fā)氣體在管道流動而產(chǎn)生的阻力損失而增加的閃發(fā)氣體，以及保溫不足使制冷劑在容器內(nèi)產(chǎn)生新的閃發(fā)氣體，在保證運行安全的情況下，增加5%的安全修正系數(shù)。

下面我們通過舉例，使用一些國外同類產(chǎn)品提供的選型報告參數(shù)來換算成國內(nèi)類似產(chǎn)品的產(chǎn)冷量。例如臥式分離器AF－600(見圖3)，使用的是氨制冷劑，如果工作在低溫冷庫工況下(35℃/－28℃)它的允許運行的最大產(chǎn)冷量應(yīng)該是多少?這臺容器的直徑是600mm，兩邊進氣口到中間出氣口的距離是990mm(大于分離距離610mm)，桶的容積是2.4m3，我們這里設(shè)定桶的中線位置為報警液位。

圖3 臥式分離器AF－600外形圖

根據(jù)一家外資品牌提供的選型報告提供的數(shù)據(jù):在 35℃/－28℃時，它的允許最大流速是0.898m/s，可分離截面積 =0.32×3.14×1/2=0.1413 m2;每小時每個進氣口通過這個截面的氣流量=0.898×0.1413×3600=457 m3/h，再乘以氨在－28℃時的氣流密度 (蒸氣)，兩個進氣口合計=457×1.137×2=1039kg/h，這時我們可以用某個品牌的工程選型軟件 (如Danfoss閥門選型軟件)進行計算，在選擇氨制冷劑后，可以從Pump(泵供液)或Gravity(重力供液)的位置上選擇從桶至壓縮機的回氣段。在工況 (35℃/－28℃)下找到接近回氣量≈1039kg/h，對應(yīng)的制冷量可以換算出它的產(chǎn)冷量為312kW(見圖4)，考慮到5%的安全修正系數(shù)，即312×0.95=296kW，這就是我們所選的容器的產(chǎn)冷量。

如果計算容器的進氣口只有一個，計算進氣口通過這個截面的氣流量就不需要乘以2了。在指定的工況下制冷劑允許最大流速不會以容器的大小和布置的形式不同 (臥式或立式)而改變。這種計算還需要有一個前提條件，出氣管的流速一般不要大于12m/s(也就是從桶至壓縮機的回氣段的最大允許流速)。

圖4 工程選型圖例

同樣的容器，如果運行在速凍的工況，例如在35℃/－40℃時，根據(jù)外資品牌提供的選型報告數(shù)據(jù)這時它的允許最大流速是1.21m/s，也是采用上述計算方法進行計算，得出這臺容器的最大產(chǎn)冷量為222kW?？梢姴煌墓r同一容器有不同的產(chǎn)冷量。

對于立式分離功能的容器的選型計算，比臥式的要簡單些，只要分離高度 (即從報警液位到出氣口的垂直高度高差)≥需要分離的高度y，那么分離截面就是計算容器的圓面積，允許最大流速與臥式的選型一樣，利用上述的計算方法，也就可以很快計算出結(jié)果。

這里討論的是臥式或立式分離器的計算，其實對于低壓循環(huán)桶、中間冷卻器、閃發(fā)式經(jīng)濟器計算的方法和結(jié)果都一樣。

通過這種計算，我們也很容易用二次節(jié)流供液的數(shù)據(jù)與一次節(jié)流供液的數(shù)據(jù)進行量化比較體現(xiàn)誰的優(yōu)勢更大;還是以上述的容器計算為例子，一次節(jié)流供液 (35℃/－28℃)容器的最大產(chǎn)冷量為296 kW，而改為二次節(jié)流供液，假定從閃發(fā)式經(jīng)濟器或中間冷卻器出來的供液溫度是－10℃，那么通過改變工程選型軟件的Con.temp為－10℃ (其實是Liquid feed temperature，供液溫度)，這時容器的最大產(chǎn)冷量變?yōu)?55 kW，最大產(chǎn)冷量比原來增大了=(355－296)/296*100%=20%，可見這種增大是相當可觀的。

當然，采用盤管過冷供液也可能接近二次節(jié)流供液的效果。但有兩點需要注意的是:一是盤管過冷是利用溫差傳熱，過冷溫度達不到中間冷卻器(或閃發(fā)式經(jīng)濟器)內(nèi)的運行溫度，盤管面積是否足夠使過冷液體完全達到設(shè)計的溫度還不能保證;二是由于過冷液體還是屬于高壓液體，節(jié)流前后壓差過大在工程實際應(yīng)用中由于系統(tǒng)控制閥門的密封面不夠干凈容易造成液面超高，壓差過大的節(jié)流產(chǎn)生的大量閃發(fā)氣體容易造成容器內(nèi)壓力變化及液面的擾動。綜合比較，二次節(jié)流供液的效果更有優(yōu)勢。

通過上述的計算，我們不難發(fā)現(xiàn)，只要確定了分離容器的分離距離后，需要各種目前正在使用的制冷劑可分離的液滴直徑在不同工況下合理的最大流速的數(shù)據(jù)庫，我們就可以運用上述的計算確定容器在不同工況下的運行范圍。對于工程上的選型，上述計算已經(jīng)足可以滿足工程需要。

經(jīng)過我們的綜合分析，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)生產(chǎn)的一些分離容器，用上述方法計算容器的產(chǎn)冷量時，出現(xiàn)合適的容器體積但進出口管徑不配套的現(xiàn)象，比如一臺DX3.5L的低壓循環(huán)桶，按上述的計算它的最大產(chǎn)冷量 (采用一次節(jié)流供液)可以達到1185kW;而采用二次節(jié)流供液它的最大產(chǎn)冷量甚至可以達到1419kW。而這種容器的進出口管徑只有Dg150，那么我們在選型時只能選擇更大一級甚至兩級體積的容器，而同一類型的外資品牌的容器 (桶體直徑相同)進出口管徑是Dg200，一臺DX3.5L低壓循環(huán)桶與一臺DX5.0L的重量差距達525kg，這就造成了資源的很大浪費，還不包括體積增大使保溫材料增加甚至機房高度增加的費用。

4 總結(jié)

低壓循環(huán)桶、氣液分離器和中間冷卻器這三種制冷系統(tǒng)常用設(shè)備的產(chǎn)冷量傳統(tǒng)計算方法存在不足，本文根據(jù)多年實際工程設(shè)計工作的經(jīng)驗，對具有氣液分離功能壓力容器的產(chǎn)冷量提出了新的計算方法，經(jīng)多個工程實際應(yīng)用，證明了這個方法比傳統(tǒng)計算方法更加先進和更加合理，能減少資源的浪費，這也是本文所要達到的目的。五十年不變的分離容器的設(shè)計是否到了需要改革的時候了。我們經(jīng)過這幾年的工程實踐，證明這種計算新方法是科學(xué)可信和有價值的。

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［2]仲維勤.冷庫節(jié)能技術(shù)的探討.制冷，2011，30(2):61－65

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［4]李若蘭，聶莉瑩，丁杰.壓力容器風(fēng)險評估初探.制冷，2012，31(1):83－86

(1)INDUSTRIAL REFRIGERATION HANDBOOK.Wilbert F.Stoecker

(2)Danfoss公司選型軟件;

(3)氨制冷系統(tǒng)壓力容器選型手冊;(Johnson controls)

(4)冷庫制冷設(shè)計手冊;商業(yè)部設(shè)計院編著

(5)制冷壓力容器及輔助設(shè)備選型手冊，武漢新世界制冷工業(yè)有限公司2009.08

(6)Johnson controls公司設(shè)備選型報告