制冷劑過冷在相變壓縮制冷中的節(jié)能應(yīng)用

孫正金 王金良(萬華化學(xué)集團(tuán)股份有限公司,山東 煙臺 264006)

制冷劑過冷在相變壓縮制冷中的節(jié)能應(yīng)用

孫正金 王金良(萬華化學(xué)集團(tuán)股份有限公司,山東 煙臺 264006)

本文根據(jù)相變制冷循環(huán)，回?zé)釤嵫h(huán)的對比，顯示了回?zé)嵫h(huán)在相變制冷工程中的節(jié)能優(yōu)勢。對于未采用回?zé)嵫h(huán)的氨氣壓縮機(jī)，以循環(huán)水作為冷卻介質(zhì)，對冷凝后的液氨進(jìn)行了過冷處理，并計(jì)算了實(shí)際生產(chǎn)中能夠帶來的節(jié)能效果。

相變制冷循環(huán);回?zé)嵫h(huán);氨氣壓縮制冷;過冷;節(jié)能

在制冷循環(huán)中多采用在工作范圍內(nèi)會發(fā)生相變的工質(zhì)。采用會發(fā)生相變的工質(zhì)，制冷循環(huán)具有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一、工質(zhì)的吸熱放熱過程是定溫過程，制冷系數(shù)大；二、單位工質(zhì)的制冷能力高。即在濕蒸汽區(qū)可實(shí)現(xiàn)定溫過程，且相變潛熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顯熱，相變制冷循環(huán)在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。[1]

1 理論分析

在氨氣壓縮制冷循環(huán)中，為提高制冷能力，常采用過冷措施，即將冷凝器中處于飽和狀態(tài)的溶液進(jìn)一步冷卻為未飽和溶液，然后再經(jīng)截流膨脹，制冷量增加?；?zé)嵫h(huán)與普通相變制冷循環(huán)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)[1]：(1)制冷量增加；(2)壓縮機(jī)出口壓力降低，制冷系數(shù)提高；(3)壓縮機(jī)吸入的工質(zhì)為過熱蒸汽，可以防止液擊現(xiàn)象。

制冷劑的制冷能力是隨工作條件不同而變化的。當(dāng)蒸發(fā)溫度降低或冷凝溫度升高時(shí)，制冷能力下降，同時(shí)壓縮機(jī)的壓縮比增大，容積效率下降，功耗增多。

2 行業(yè)現(xiàn)狀

實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中我國許多氨壓縮制冷以及丙烯壓縮制冷工藝中并未采用回?zé)嶂评溲h(huán)。對于已經(jīng)設(shè)計(jì)好的相變制冷壓縮機(jī)，多極兩段壓縮, 其高低壓缸葉輪級數(shù)，壓比、進(jìn)出口溫度、進(jìn)出口壓力等都已經(jīng)設(shè)定，由于未采用回?zé)嶂评溲h(huán)，當(dāng)環(huán)境溫度高于設(shè)計(jì)溫度32℃，循環(huán)水溫超過設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)，高低壓缸冷卻器，壓縮機(jī)出口冷凝器上回水閥門全開，循環(huán)水站風(fēng)機(jī)全開，循環(huán)水壓已達(dá)到最大值時(shí)，冷卻器與冷凝器不再具有調(diào)節(jié)制冷劑氣體以及冷凝液溫度能力，壓縮機(jī)出口壓力溫度會同時(shí)升高，冷凝劑露點(diǎn)溫度升高，飽和蒸汽壓力上升，冷凝液貯槽溫度升高，制冷能力下降，制冷劑質(zhì)量流量增加，壓縮機(jī)負(fù)荷增大，功耗增加，能源浪費(fèi)嚴(yán)重。

3 案例分析

下面以某公司未采用回?zé)嶂评溲h(huán)的氨氣制冷為例分析。(表1)

儲槽上方氣相壓力為同溫度下液氨飽和蒸汽壓力，冰機(jī)出口壓力PT1與儲槽液氨飽和蒸汽壓一一對應(yīng)并相等夏季高溫，出口冷卻器，中間冷卻器，液氨冷凝器等換熱器，循環(huán)水上回水閥門全開后，不再具有調(diào)節(jié)能力，當(dāng)循環(huán)水溫高于設(shè)計(jì)指標(biāo)32℃以后，冰機(jī)出口溫度，壓力同時(shí)升高，由于壓力升高，氣氨露點(diǎn)溫度升高，冷凝為液氨后，又由于液氨冷凝器換熱能力已經(jīng)達(dá)到飽和，液氨與換熱管接觸時(shí)間有限，液氨不能被進(jìn)一步冷卻，冷凝下來的液氨可達(dá)44℃。30T/h的“高溫”液氨不斷流入氨儲槽后，液氨儲槽溫度也會不斷升高，同時(shí)對應(yīng)液氨飽和蒸汽壓力也不斷上升，直到達(dá)到新的平衡為止。

分析：

從表中可以看出隨著時(shí)間推移，環(huán)境溫度(氣溫)不斷升高，循環(huán)水溫升高，換熱器換熱效果下降， TI1、PT1、FR都不斷升高，16：00時(shí)達(dá)到最大值。FR最大值出現(xiàn)在16：00和17：00；最小值Min出現(xiàn)在8：00，

高壓蒸汽壓力PI3平均值為：9.14MPag

高壓蒸汽溫度TI3平均值為：513.9℃

由于8：00時(shí)高壓蒸汽壓力為8.81MPag與平均值相比較低，17：00時(shí)高壓蒸汽壓力為9.32MPag與平均值相比較高，9：00時(shí)與16：00時(shí)高壓蒸汽壓力和溫度與平均值都比較接近，所以選擇這兩個(gè)時(shí)刻作為分析對象。(表2)

(4)16：00與9：00相比高壓蒸汽耗量增加百分比：

(5)冰機(jī)出口壓力每升高0.1MPa高壓蒸汽耗量增加值

(6)液氨儲槽溫度每升高1℃高壓蒸汽耗量增加值

表1中12：00～20：00，8個(gè)小時(shí)內(nèi)液氨儲槽溫度TI1平均值為44.56℃，與39.9℃溫差為4.66℃，由以上數(shù)值分析可以看出，每年浪費(fèi)高壓蒸汽量比較大。

不僅如此，當(dāng)壓縮機(jī)出口壓力過高，高于設(shè)計(jì)指標(biāo)1.60MPag時(shí)， 會導(dǎo)致高壓缸入口壓力高于設(shè)計(jì)指標(biāo)0.35MPag，低壓缸出入口壓力也會同時(shí)升高，制冷器液氨閃蒸壓力升高，制冷效果下降，冷庫溫度升高，須提高前閃蒸量來維持低溫，如此會增加冰機(jī)負(fù)荷，若降低低壓缸入口氣量，調(diào)節(jié)在正常工況氣量25000NM3/h左右時(shí)，可能冰機(jī)運(yùn)行不再安全。由于高低壓缸出口壓力升高的同時(shí)，高低壓缸入口壓力也升高，因此冰機(jī)調(diào)節(jié)會更加困難，稍不留意還會產(chǎn)生喘振等危害。

表1 5月9日冰機(jī)工況記錄

表2

無論是從節(jié)能，還是從連續(xù)高效穩(wěn)定運(yùn)行，防止喘振等危害發(fā)生方面考慮，都應(yīng)該采取措施，解決冰機(jī)出口壓力過高的現(xiàn)象。

4 解決方案

由前面回?zé)嶂评溲h(huán)可以看出，回?zé)嵫h(huán)能夠增加制冷能力，降低制冷劑飽和蒸汽壓，即降低壓縮機(jī)出口壓力，但是對于已經(jīng)設(shè)計(jì)好并投入使用的相變制冷壓縮機(jī)，入口溫度，低壓缸壓縮比，出口溫度都已經(jīng)設(shè)定，當(dāng)采取回?zé)嵫h(huán)時(shí)，入口溫度會升高，同時(shí)出口溫度也會隨之上升，低壓缸出口溫度會高于設(shè)計(jì)值，對壓縮機(jī)密封壽命等必然會產(chǎn)生影響。

由冷凝器冷凝后液氨溫度44℃，再次冷卻液氨會產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

根據(jù)相變制冷回?zé)嵫h(huán)改進(jìn)的液氨過冷循環(huán)T-S圖如下所示。

氨氣壓縮制冷過冷循環(huán)T-S圖

將原來的普通制冷循環(huán)1→2′→3′→4′→5′→1與改進(jìn)的液氨過冷循環(huán)1→2→3→4→5→6→1 分別作分析如下:

普通制冷循環(huán)1→2′→3′→4′→5′→1，吸收的熱量q2=h1-h5'；放出的熱量q2=h1'-h4'，功耗Wc1=h2'-h1=cp(T2'-T1)(比熱容按定比熱容計(jì)，壓力為p2和p3時(shí)兩個(gè)換熱器熱量損失暫時(shí)不計(jì))。

冷庫的制冷量Q1=(h1-h5')

改進(jìn)的液氨過冷循環(huán)1→2→3→4→5→6→1，吸收的熱量q2=h1-h6；放出的熱量q1=h2‘-h5，功耗Wc2=h2-h1=cp(T2-T1)。

Hpol為多變能量頭， Hlossimp為壓縮機(jī)的壓頭損失，由于壓縮機(jī)進(jìn)出口流速幾乎相同，所以這部分進(jìn)出口的能量增量忽略不計(jì)， 則

從T-S圖上我們可以看出：

Hth

當(dāng)Q1=Q2時(shí)，qm2

由以上對比分析可以看出，采用液氨過冷循環(huán)，不僅制冷系數(shù)有所提高，液氨貯槽溫度，壓縮機(jī)出口壓力，溫度，入口壓力都會降低，壓縮機(jī)功耗降低，不僅節(jié)能，而且工況更容易調(diào)節(jié)，可有效防止由于高壓缸出口壓力，入口壓力高導(dǎo)致的低壓缸出口壓力高而產(chǎn)生的低壓缸喘振事故?？善鸬焦?jié)能，安全穩(wěn)定長周期運(yùn)行雙效利益。

液氨飽和蒸汽壓力表如下，液氨溫度℃，液氨飽和蒸汽壓力MPag[3]

表4

冰機(jī)8，9月份運(yùn)行時(shí)出口壓力一般在1.74MPag左右，蒸汽耗量在21t/h左右。如果使用循環(huán)水作冷媒的換熱器,將液氨過冷后溫度降低到37℃，冰機(jī)出口壓力為1.44MPag，液氨過冷前后溫差7℃，每小時(shí)節(jié)省蒸汽量為： 0.42t/h×7℃=2.94t/h

由以上計(jì)算可以就看出如果能將液氨過冷到37℃，冰機(jī)出口壓力降到1.44MPag，高溫月份可以節(jié)省大量蒸汽。而且冰機(jī)出口壓力降低后，高低壓缸入口壓力都會降低，工況會更佳，更易調(diào)節(jié)，并且可以有效防止由于高低壓缸出口壓力高而產(chǎn)生的喘振危害。

5 結(jié)語

對于相變壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)采用回?zé)嵫h(huán)設(shè)計(jì)，節(jié)能降耗效益比較可觀，新廠設(shè)計(jì)時(shí)建議考慮使用，對于未采用回?zé)嵫h(huán)的制冷系統(tǒng)，可考慮增加制冷劑過冷換熱器來實(shí)現(xiàn)冷媒降溫，降壓，節(jié)能降耗，增加制冷系統(tǒng)平穩(wěn)安全運(yùn)行以及易操控性。

[1]畢書明,等.工程熱力學(xué)(第二版).北京：化學(xué)工業(yè)出版社.

[2]姜培正.過程流體機(jī)械.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.

[3]夏清，等.化工原理上(修訂版).天津大學(xué)出版社.

①王金良,2008年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，過程裝備與控制工程專業(yè)，目前工作于萬華化學(xué)集團(tuán)股份有限公司煙臺工業(yè)園石化一體化特種聚氨酯裝置，任職主任工程師。②孫正金，2010年畢業(yè)于大連理工大學(xué)，過程裝備與控制工程專業(yè)，目前工作于萬華化學(xué)集團(tuán)股份有限公司煙臺工業(yè)園石化一體化特種聚氨酯裝置，任職設(shè)備工程師。