李憲光，吳少?gòu)?qiáng)

(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(jì)算關(guān)系到制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)器及熱虹吸桶 (或稱(chēng)輔助貯液器)。如何對(duì)這些設(shè)備的選用及計(jì)算，前面的三種設(shè)備在我國(guó)的相關(guān)的制冷設(shè)計(jì)規(guī)范中已經(jīng)有了表述，而后兩種則還沒(méi)有進(jìn)行詳細(xì)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(lái)看，已經(jīng)顯得不夠科學(xué)和缺乏嚴(yán)謹(jǐn)性。

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

2 傳統(tǒng)計(jì)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(jì)算方法，但這些計(jì)算方法存在不足之處。首先，這些選型計(jì)算沒(méi)有根據(jù)工況的變化及需要分離的制冷劑液滴大小的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行界定，而是籠統(tǒng)地把桶內(nèi)氣體流速ω標(biāo)定為某個(gè)定值，例如中間冷卻器的選型計(jì)算:

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

又如低壓循環(huán)桶的選型計(jì)算:

其中:D—中間冷卻器的直徑，λ—壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)，v—壓縮機(jī)的理論吸氣量，ω—?dú)怏w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(jìn)氣口的個(gè)數(shù)。

這種界定顯然是不夠科學(xué)，由此在選型的過(guò)程中可能會(huì)造成較大的誤差，例如，低壓循環(huán)桶使用氨作為制冷劑運(yùn)行在高溫庫(kù)工況下 (35℃/－10℃)和運(yùn)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(jì)算其桶內(nèi)氣體流速ω可以相差一倍，而按國(guó)內(nèi)的選型計(jì)算氣體流速ω都一樣。表1和圖1是根據(jù)一本國(guó)外的技術(shù)書(shū)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(biāo)準(zhǔn)。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(lái)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(jiàn)，用定值去計(jì)算和選擇分離容器是有所欠缺的。

根據(jù)我們?cè)谶@幾年的應(yīng)用以及收集到的數(shù)據(jù)分析，國(guó)外設(shè)計(jì)這些分離容器產(chǎn)品時(shí)，是通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)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(jìn)入到回氣管內(nèi)蒸發(fā)或直接進(jìn)入到壓縮機(jī)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(gè)分離速度乘以這個(gè)容器在最不利的運(yùn)行狀況下的最小分離截面 (即容器內(nèi)的液面達(dá)到報(bào)警位置)，就是這個(gè)容器在這個(gè)工況下的最大產(chǎn)冷量(Max capacity)。換句話(huà)說(shuō)，最大產(chǎn)冷量是表示這個(gè)容器在某個(gè)工況下運(yùn)行，容器在低于或等于這個(gè)最大產(chǎn)冷量的情況下運(yùn)行是安全的，當(dāng)大于這個(gè)最大產(chǎn)冷量時(shí)需要選用比這個(gè)容器容積更大的容器才能滿(mǎn)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(tái)分離容器的分離能力 (用kW來(lái)衡量這種能力，見(jiàn)圖2)。

圖2 臥式容器的分離過(guò)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(jī)或蒸發(fā)排管，而冷風(fēng)機(jī)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(lái)表達(dá)。同樣，中間冷卻器、閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器與它們配套的是壓縮機(jī)的低壓級(jí)負(fù)荷或壓縮機(jī)的補(bǔ)氣負(fù)荷，這些負(fù)荷同樣也是用kW來(lái)表達(dá)。因此通過(guò)計(jì)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(huì)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(guó)際通行的表現(xiàn)方式是接軌的。這種分離能力在同一臺(tái)容器，根據(jù)不同的工況及不同的制冷劑，會(huì)計(jì)算出不同的產(chǎn)冷量。

有兩點(diǎn)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(jì)算方法

如何計(jì)算及定義某臺(tái)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(guò)作設(shè)定的工況壓焓圖進(jìn)行計(jì)算。但這種計(jì)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(jì)算的工況下的最大允許的分離速度，用這個(gè)速度乘以這臺(tái)容器每小時(shí)通過(guò)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(guò)工程計(jì)算軟件，測(cè)算出該容器的產(chǎn)冷量。

這里需要計(jì)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(gè)變量。計(jì)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(gè)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(yùn)行的溫度找出允許的分離速度。

根據(jù)我們的實(shí)際應(yīng)用和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)國(guó)外的產(chǎn)品設(shè)計(jì)是上面兩種計(jì)算方法的綜合，同時(shí)還需要考慮蒸發(fā)氣體在管道流動(dòng)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(yùn)行安全的情況下，增加5%的安全修正系數(shù)。

下面我們通過(guò)舉例，使用一些國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品提供的選型報(bào)告參數(shù)來(lái)?yè)Q算成國(guó)內(nèi)類(lèi)似產(chǎn)品的產(chǎn)冷量。例如臥式分離器AF－600(見(jiàn)圖3)，使用的是氨制冷劑，如果工作在低溫冷庫(kù)工況下(35℃/－28℃)它的允許運(yùn)行的最大產(chǎn)冷量應(yīng)該是多少?這臺(tái)容器的直徑是600mm，兩邊進(jìn)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(bào)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(bào)告提供的數(shù)據(jù):在 35℃/－28℃時(shí)，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(shí)每個(gè)進(jìn)氣口通過(guò)這個(gè)截面的氣流量=0.898×0.1413×3600=457 m3/h，再乘以氨在－28℃時(shí)的氣流密度 (蒸氣)，兩個(gè)進(jìn)氣口合計(jì)=457×1.137×2=1039kg/h，這時(shí)我們可以用某個(gè)品牌的工程選型軟件 (如Danfoss閥門(mén)選型軟件)進(jìn)行計(jì)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(jī)的回氣段。在工況 (35℃/－28℃)下找到接近回氣量≈1039kg/h，對(duì)應(yīng)的制冷量可以換算出它的產(chǎn)冷量為312kW(見(jiàn)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(jì)算容器的進(jìn)氣口只有一個(gè)，計(jì)算進(jìn)氣口通過(guò)這個(gè)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(huì)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(jì)算還需要有一個(gè)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(jī)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(yùn)行在速凍的工況，例如在35℃/－40℃時(shí)，根據(jù)外資品牌提供的選型報(bào)告數(shù)據(jù)這時(shí)它的允許最大流速是1.21m/s，也是采用上述計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，得出這臺(tái)容器的最大產(chǎn)冷量為222kW?？梢?jiàn)不同的工況同一容器有不同的產(chǎn)冷量。

對(duì)于立式分離功能的容器的選型計(jì)算，比臥式的要簡(jiǎn)單些，只要分離高度 (即從報(bào)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(jì)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(jì)算方法，也就可以很快計(jì)算出結(jié)果。

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

通過(guò)這種計(jì)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(jìn)行量化比較體現(xiàn)誰(shuí)的優(yōu)勢(shì)更大;還是以上述的容器計(jì)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(jì)器或中間冷卻器出來(lái)的供液溫度是－10℃，那么通過(guò)改變工程選型軟件的Con.temp為－10℃ (其實(shí)是Liquid feed temperature，供液溫度)，這時(shí)容器的最大產(chǎn)冷量變?yōu)?55 kW，最大產(chǎn)冷量比原來(lái)增大了=(355－296)/296*100%=20%，可見(jiàn)這種增大是相當(dāng)可觀的。

當(dāng)然，采用盤(pán)管過(guò)冷供液也可能接近二次節(jié)流供液的效果。但有兩點(diǎn)需要注意的是:一是盤(pán)管過(guò)冷是利用溫差傳熱，過(guò)冷溫度達(dá)不到中間冷卻器(或閃發(fā)式經(jīng)濟(jì)器)內(nèi)的運(yùn)行溫度，盤(pán)管面積是否足夠使過(guò)冷液體完全達(dá)到設(shè)計(jì)的溫度還不能保證;二是由于過(guò)冷液體還是屬于高壓液體，節(jié)流前后壓差過(guò)大在工程實(shí)際應(yīng)用中由于系統(tǒng)控制閥門(mén)的密封面不夠干凈容易造成液面超高，壓差過(guò)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(dòng)。綜合比較，二次節(jié)流供液的效果更有優(yōu)勢(shì)。

通過(guò)上述的計(jì)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(kù)，我們就可以運(yùn)用上述的計(jì)算確定容器在不同工況下的運(yùn)行范圍。對(duì)于工程上的選型，上述計(jì)算已經(jīng)足可以滿(mǎn)足工程需要。

經(jīng)過(guò)我們的綜合分析，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的一些分離容器，用上述方法計(jì)算容器的產(chǎn)冷量時(shí)，出現(xiàn)合適的容器體積但進(jìn)出口管徑不配套的現(xiàn)象，比如一臺(tái)DX3.5L的低壓循環(huán)桶，按上述的計(jì)算它的最大產(chǎn)冷量 (采用一次節(jié)流供液)可以達(dá)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(dá)到1419kW。而這種容器的進(jìn)出口管徑只有Dg150，那么我們?cè)谶x型時(shí)只能選擇更大一級(jí)甚至兩級(jí)體積的容器，而同一類(lèi)型的外資品牌的容器 (桶體直徑相同)進(jìn)出口管徑是Dg200，一臺(tái)DX3.5L低壓循環(huán)桶與一臺(tái)DX5.0L的重量差距達(dá)525kg，這就造成了資源的很大浪費(fèi)，還不包括體積增大使保溫材料增加甚至機(jī)房高度增加的費(fèi)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(jì)算方法存在不足，本文根據(jù)多年實(shí)際工程設(shè)計(jì)工作的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)具有氣液分離功能壓力容器的產(chǎn)冷量提出了新的計(jì)算方法，經(jīng)多個(gè)工程實(shí)際應(yīng)用，證明了這個(gè)方法比傳統(tǒng)計(jì)算方法更加先進(jìn)和更加合理，能減少資源的浪費(fèi)，這也是本文所要達(dá)到的目的。五十年不變的分離容器的設(shè)計(jì)是否到了需要改革的時(shí)候了。我們經(jīng)過(guò)這幾年的工程實(shí)踐，證明這種計(jì)算新方法是科學(xué)可信和有價(jià)值的。

［1]冷庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范 GB50072—2001［S］.

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

［3]楊一凡.氨制冷技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) ［J］.制冷學(xué)報(bào)，2007，(8):12－18

［4]李若蘭，聶莉瑩，丁杰.壓力容器風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(cè);(Johnson controls)

(4)冷庫(kù)制冷設(shè)計(jì)手冊(cè);商業(yè)部設(shè)計(jì)院編著

(5)制冷壓力容器及輔助設(shè)備選型手冊(cè)，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(bào)告