冷庫制冷系統(tǒng)垂直上升回汽管液塞形成及消除

(北海職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系，廣西 北海 536000)

冷庫制冷系統(tǒng)建設(shè)中，通常將液泵供液系統(tǒng)的桶泵容器設(shè)在不高于蒸發(fā)器的一樓層，液泵排出壓頭用來克服蒸發(fā)器前的阻力，并有余壓100 kPa保證回汽返回到桶泵容器，如圖1(a)。但實(shí)際存在桶泵機(jī)組高于蒸發(fā)器情況，如圖1(b)所示，其設(shè)計(jì)理念是在重力供液滿足冷負(fù)荷需求的情況下需液泵補(bǔ)充壓頭，節(jié)省能耗。但由于桶泵容器向蒸發(fā)器供液量數(shù)倍于蒸發(fā)量[1]，且供液壓力不能對蒸發(fā)壓力有太大影響，要求蒸發(fā)回汽須依靠自身蒸發(fā)壓力返回桶泵容器，已蒸發(fā)汽體須攜帶尚未蒸發(fā)液體沿垂直上升立管4一并返回桶泵容器1。生產(chǎn)中，若垂直立管4較長，汽體攜液能力不足，管內(nèi)液體不能隨汽體返回桶泵容器1中，便滯留立管底部，形成液塞，阻止回汽流動和制冷劑進(jìn)一步蒸發(fā)，影響庫溫下降。對氟利昂制冷系統(tǒng)而言，由于冷凍油與氟在低溫下分層特性，蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑液面上是富油層，油不及時(shí)回到壓縮機(jī)會帶來壓縮機(jī)缺油運(yùn)行[2]，這對生產(chǎn)極為不利。

圖1 桶泵供液制冷循環(huán)圖Fig.1 Refrigeration cycle diagram with tank-pump supplying liquid

盡管氟系統(tǒng)低溫部分回油對壓縮機(jī)正常運(yùn)行十分重要，但從蒸發(fā)器進(jìn)入垂直立管的油含量卻很低，在工程研究范圍內(nèi)，這條垂直上升立管被視為制冷劑的汽液兩相流管道。研究該立管內(nèi)汽液兩相流動規(guī)律，摸清液塞形成的工況條件，對避免液塞形成、保證冷庫正?；仄赜突匾汉蜑槔鋷煲罕霉┮褐评湎到y(tǒng)的合理設(shè)計(jì)提供參考有重要的實(shí)踐意義。

垂直上升立管汽液兩相流研究多用空氣-水、氮?dú)?水或油氣-油等常溫介質(zhì)。韓洪升等[3]研究了垂直管中氣液兩相彈狀流和段塞流的流動規(guī)律，何鴻輝等[4-5]研究了垂直上升管內(nèi)氣液兩相泡狀流的存在條件并對垂直上升立管氣液兩相流進(jìn)行了數(shù)值模擬，宋鵬舉等[6]在分析垂直管中向上氣液兩相環(huán)狀流流態(tài)特征的基礎(chǔ)上，利用二相流理論及Wallis相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式，推導(dǎo)出了垂直管中上升兩相環(huán)流參數(shù)的計(jì)算公式，井發(fā)璇[7]就海洋采油管中的下傾管-垂直立管系統(tǒng)氣液兩相嚴(yán)重段塞流進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得下傾管-垂直立管系統(tǒng)氣液兩相嚴(yán)重段塞流在時(shí)間上的速度、質(zhì)量流量、含氣率等參數(shù)變化情況和流動特征，萬軍鳳等[8]針對教學(xué)及實(shí)驗(yàn)需求，設(shè)計(jì)了氣液兩相垂直管流模擬實(shí)驗(yàn)平臺，劉琪等[9]研究了氣液兩相混輸流動參數(shù)變化對垂直管中氣液兩相混輸壓降的影響及壓降的計(jì)算方法。然而這些研究大多是基于常溫下的?；瘜?shí)驗(yàn)(通常是縮小的模型)[10]，通過單獨(dú)控制兩種流體進(jìn)行理論分析和數(shù)值模擬；制冷系統(tǒng)中的流體是制冷劑，兩相的存在是在不同的壓力和溫度下制冷劑發(fā)生了物態(tài)的變化而形成的[11]。因而上述研究的結(jié)論對指導(dǎo)低溫制冷系統(tǒng)汽液兩相流研究的適應(yīng)性還需實(shí)踐驗(yàn)證。上海交通大學(xué)研究了低溫氮汽-氮液兩相流，劉潔凈等[12-13]研究了垂直管道低溫氮汽液兩相流型識別，實(shí)驗(yàn)觀察到低溫汽液兩相流型與常溫氣液兩相流型基本相似，分析了熱流密度對汽液兩相流型變化的影響，但將研究成果用于指導(dǎo)低溫制冷系統(tǒng)垂直立管兩相流的生產(chǎn)實(shí)踐未見報(bào)道。

綜合分析和利用上述研究成果，本文推理制冷系統(tǒng)垂直上升立管內(nèi)汽液兩相流動規(guī)律和液塞形成，結(jié)合冷庫庫房溫度采集數(shù)據(jù)，判斷垂直上升立管內(nèi)形成液塞時(shí)的工況點(diǎn)，通過制冷系統(tǒng)運(yùn)行操作實(shí)踐來消除液塞，以檢驗(yàn)推理、判斷的合理性以及研究成果對于指導(dǎo)冷庫制冷系統(tǒng)生產(chǎn)實(shí)踐的可靠性，由此優(yōu)化垂直回汽立管生產(chǎn)工藝，為同類冷庫液泵供液制冷系統(tǒng)的生產(chǎn)運(yùn)行管理提供技術(shù)支持和服務(wù)。

1 冷庫制冷系統(tǒng)垂直上升回汽立管液塞形成

1.1 液塞形成的流型理論

對于氣液兩相流問題的分析處理，經(jīng)常采用基于流型的方法，流型研究在工程中具有重要的應(yīng)用價(jià)值[14]。在汽液兩相流學(xué)科領(lǐng)域，常溫條件下公認(rèn)的垂直上升氣液兩相流流型已經(jīng)基本確定為4種[12]，如圖2所示。對于垂直上升不加熱汽液兩相流，學(xué)者閻昌琪認(rèn)為，隨著立管內(nèi)含氣量增加，流型從泡狀流(氣相以小氣泡形式不連續(xù)地分布在連續(xù)的液體流中，如圖2(a))逐漸過渡到彈狀流(大氣泡與液體塊相間出現(xiàn), 如圖2(b))、攪拌流(大小氣泡摻雜在液流中, 如圖2(c))、環(huán)狀流(氣相位于軸心、液相沿管壁流動, 如圖2(d))[15]。低溫汽液兩相流在流型劃分上可以借鑒垂直向上常溫汽液兩相流的結(jié)論[12]。

冷庫液泵供液制冷系統(tǒng)中，庫房冷負(fù)荷變化影響蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑的蒸發(fā)量，垂直立管內(nèi)含汽率隨之變化，又垂直上升回汽立管外裹保溫材料，管內(nèi)低溫制冷劑作汽液兩相絕熱流動，理論上，上述流型及其變化規(guī)律適用于解釋制冷系統(tǒng)垂直上升回汽立管內(nèi)兩相流動規(guī)律。由于汽體對立管排液起積極作用，含汽率越大，汽體攜液能量越大。初始降溫時(shí)，庫內(nèi)冷負(fù)荷較多，蒸發(fā)器產(chǎn)生的汽體量大，尚未蒸發(fā)的液體被汽流帶入立管沿管壁流動，汽流占據(jù)垂直立管軸芯控制整個(gè)運(yùn)動過程，流型呈環(huán)狀，如圖2(d)所示，汽相舉液順利返回桶泵容器，制冷循環(huán)正常。隨著庫房冷負(fù)荷減少和庫溫不斷下降，蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑蒸發(fā)量逐漸減少，立管內(nèi)汽液兩相流的含汽率不斷降低，占據(jù)軸芯的汽流逐漸被液體破壞，流型發(fā)生變化，從環(huán)狀流過渡到攪拌流、彈狀流、泡狀流的某一過程中，當(dāng)汽體不足以舉液時(shí)，便在立管中形成液塞。

圖2 垂直上升不加熱立管內(nèi)流型Fig.2 Flow pattern in vertically-rising pipes without heating

1.2 液塞形成的曲線理論

實(shí)際上，蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)壓力是垂直上升立管排液的動力，忽略蒸發(fā)器出口與立管入口間管道壓降，某一高度的垂直立管能否順利排液與蒸發(fā)壓力PZ及立管排液所需壓力Pin有關(guān)。蒸發(fā)壓力大于立管排液所需壓力時(shí)，兩相流體便可順利返回桶泵容器，這可用冷負(fù)荷Q與蒸發(fā)壓力PZ、與垂直立管入口排液所需壓力Pin的關(guān)系曲線解釋，如圖3。假設(shè)制冷循環(huán)的冷負(fù)荷Q與制冷量匹配，庫房冷負(fù)荷變化對蒸發(fā)溫度總是正比例影響[16]，從而對蒸發(fā)壓力PZ總是正比例影響。由于低溫制冷劑含汽率增大，混合流密度降低[15]，且在垂直立管進(jìn)出口截面動能差很小，可以忽略不計(jì)，根據(jù)穩(wěn)定流動能量方程，一定高度下的垂直上升立管入口排液所需壓力Pin與含汽率負(fù)相關(guān)[17]，立管含汽率與冷負(fù)荷正相關(guān)，因此，立管入口排液所需壓力Pin與冷負(fù)荷負(fù)相關(guān)。

圖3 庫房冷負(fù)荷與壓力變化曲線Fig.3 Variation curves of cold load and pressure

當(dāng)蒸發(fā)壓力大于垂直立管入口排液所需壓力(PZ≥Pin)時(shí)，立管正常排液，不形成液塞，制冷循環(huán)正常。圖中C點(diǎn)是兩曲線的交點(diǎn)。冷庫庫房降溫初始，冷負(fù)荷較大，蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)壓力PZ較高，立管排液所需壓力Pin較小，此階段PZ>Pin，兩曲線工作在圖中C點(diǎn)的右邊，立管排液正常。隨著庫房冷負(fù)荷減少和庫溫不斷下降，蒸發(fā)壓力PZ下降和立管排液入口壓力Pin上升，并不斷靠近C點(diǎn)，只要PZ≥Pin，垂直立管便順利排液。當(dāng)冷負(fù)荷減少越過C點(diǎn)對應(yīng)的冷負(fù)荷時(shí)，PZ

由于垂直上升立管內(nèi)汽液兩相流壓力分布與流速、含汽率、管徑、阻力系數(shù)等因素有關(guān)，每一因素本身又是壓力的函數(shù)[17]，單用理論公式推導(dǎo)出立管排液所需入口壓力Pin十分困難，因而理論上的液塞點(diǎn)C可基于制冷系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)、操作實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)來解決[18]。

2 冷庫液泵供液制冷系統(tǒng)垂直上升回汽立管液塞消除

2.1 液塞現(xiàn)象的案例分析

某冷庫氟制冷系統(tǒng)桶泵機(jī)組和壓縮機(jī)等機(jī)房設(shè)備位于三樓，單凍機(jī)設(shè)在一樓，垂直上升回汽立管長10 m，單凍機(jī)和速凍庫設(shè)計(jì)蒸發(fā)溫度-47 ℃。單凍機(jī)開機(jī)運(yùn)行，當(dāng)庫溫降至-28 ℃左右時(shí)出現(xiàn)降溫困難、高壓儲液器液量不足、壓縮機(jī)吸汽壓力較低，持續(xù)開機(jī)運(yùn)行后，庫溫突然下降，高壓儲液器內(nèi)液量逐漸恢復(fù)，初步推斷-28 ℃為單凍機(jī)產(chǎn)生液塞的庫溫條件。后續(xù)的生產(chǎn)中采用人工處理，當(dāng)出現(xiàn)液塞現(xiàn)象時(shí)，采取熱汽沖壓排液后，庫溫重新下降。

實(shí)際生產(chǎn)中，由于冷庫企業(yè)員工對垂直上升立管兩相流的復(fù)雜性認(rèn)識不足，憑經(jīng)驗(yàn)采取熱汽加壓快速排液，或延長開機(jī)時(shí)間甚至加大壓縮機(jī)載荷來消除液塞影響，一定程度上造成冷庫運(yùn)行能耗加大、運(yùn)行時(shí)間延長、運(yùn)行管理復(fù)雜，若熱汽進(jìn)入蒸發(fā)器，不僅造成庫房冷負(fù)荷損失和庫溫波動，還影響凍品貯藏品質(zhì)。主觀上，依靠人工處理液塞，因工作經(jīng)驗(yàn)不同，處理方法的穩(wěn)定性和可靠性難保障。重要的是，上述處理液塞的行為雖暫時(shí)緩解，但重復(fù)出現(xiàn)機(jī)率大，隱患依然存在。

2.2 液塞現(xiàn)象的工藝優(yōu)化

要徹底消除冷庫液泵供液系統(tǒng)垂直上升回汽立管液塞現(xiàn)象，需進(jìn)行制冷工藝優(yōu)化。李秀敏[19]分析了氨制冷重力供液系統(tǒng)中設(shè)置汽液再分離器的原因及改造后的效果，吳騰飛、臧潤清[20]研究了再循環(huán)重力供液系統(tǒng)中氣液分離內(nèi)液滴沉降速度，得出在制冷系統(tǒng)中氣液分離器內(nèi)部存在大流速的限制，大大縮小了沉降區(qū)內(nèi)可沉降的液滴粒徑范圍,李敏新[21]設(shè)計(jì)了減少注氨量的汽液分離設(shè)備運(yùn)用于制冷系統(tǒng)改造，效果良好，胡記超等[22]開發(fā)了一種噴射式制冷系統(tǒng)新型旋流式氣液分離器，研究了汽液分離器的筒體高度、筒體直徑、汽體出口管插入深度對汽液分離效果的影響?；谠摾碚摲治龊图夹g(shù)改造案例，本系統(tǒng)的工藝優(yōu)化如圖4所示，用兩臺汽液分離器5輪流對水平回汽管9中的兩相流體進(jìn)行汽液分離，以此避免上升回汽立管3中液塞的形成。工作原理為：蒸發(fā)器出口的水平回汽管9中的兩相流體經(jīng)垂直立管6先進(jìn)入汽液分離器5進(jìn)行汽液分離，液滴在重力作用下沉降至分離器底部，水平熱汽管10中的高壓熱汽經(jīng)垂直熱汽管8進(jìn)入汽液分離器，將分離出的液體(氟系統(tǒng)還包括冷凍油)經(jīng)垂直回液管4和水平回汽回液管2壓送至桶泵容器1。汽液分離器中分離出的汽體從低壓回汽管7經(jīng)上升回汽立管3進(jìn)入桶泵容器1。

該優(yōu)化工藝用于制冷系統(tǒng)生產(chǎn)實(shí)踐中，消除了液塞影響，運(yùn)行效果良好。原承擔(dān)汽液兩相流的垂直立管3中只有汽體制冷劑攜帶極少量尚未分離的液滴返回桶泵容器，分離出的液滴(氟系統(tǒng)還包括冷凍油)在高壓熱汽加壓下經(jīng)另一垂直回液管4送回桶泵容器，實(shí)現(xiàn)汽液獨(dú)立通道。

通過PLC控制系統(tǒng)輪流控制相關(guān)閥組，當(dāng)某一汽液分離器5進(jìn)行汽液分離時(shí)，另一汽液分離器剛好處于熱汽排液過程。如E1、E3、E5、E6閥門打開， E2、E4、E7、E8關(guān)閉時(shí)，左側(cè)汽液分離器5進(jìn)行汽液分離，右側(cè)汽液分離器5進(jìn)行熱汽加壓排液。不足的是由于控制閥件多，啟閉頻繁，對閥體質(zhì)量要求高。另外，由于熱汽進(jìn)入汽液分離器放熱，使少量冷液汽化，存在冷量損失。

圖4 汽液分離優(yōu)化方案Fig.4 Optimization scheme for gas-liquid separation

3 結(jié)論

1)由于兩相流動的復(fù)雜性、多樣性和不穩(wěn)定性，“流型理論”和“關(guān)系曲線”能用于分析、推導(dǎo)和判斷液泵供液制冷系統(tǒng)垂直上升回汽立管中汽液兩相流動特征和液塞形成，通過生產(chǎn)實(shí)踐消除液塞驗(yàn)證了它們的合理性和適應(yīng)性。

2)生產(chǎn)中，為利于液泵供液回汽回液回油，通常將壓縮機(jī)和桶泵機(jī)組設(shè)置在一樓，使蒸發(fā)器不低于桶泵機(jī)組。設(shè)置在高樓層的桶泵機(jī)組，垂直上升回汽管不宜過長。

3)既有冷庫制冷系統(tǒng)中，若桶泵機(jī)組設(shè)在高樓層位于蒸發(fā)器之上、垂直回汽立管長度較大時(shí)，通過延長開機(jī)時(shí)間、加大壓縮機(jī)載荷和庫房蒸發(fā)器熱汽排液等措施，雖暫時(shí)緩解液塞現(xiàn)象，但不利于制冷系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行、庫房溫度穩(wěn)定和凍品貯藏品質(zhì)。

4)雙罐輪流汽泵加壓排液將回汽回液汽液分離，各自設(shè)置獨(dú)立管道，可從根本上解決上述問題。