制冷循环中去除部分闪发气体的优化方法

在冷链物流冷库的制冷系统中，通常采用螺杆式机组带有经济器的系统。去除闪发气体的制冷循环主要有两种方法[4]，使用经济器就是一种去除闪发气体的制冷循环。

图2-6 单级制冷系统布置图、压焓图

a）布置图 b）压焓图

1.液体过冷可以减少闪发气体

图2-7所示是目前国内冷藏物冷藏间制冷系统最普遍的供液方式。从冷凝器（或者贮液器）出来的饱和液体，其中一部分液体（m）进入板式换热器中节流，用于冷却其余的饱和液体，使这些液态制冷剂在到达膨胀阀前已经处于过冷工况。

在这里，制冷剂总的质量流量m₀在点3分成两部分：第一部分m从点3节流后到点6，从点6至点7是蒸发冷却，蒸发后的气体进入螺杆压缩机的补气口，第二部分质量流量m₁从点3的部分液体成为过冷液体后到达点4，经过膨胀阀节流到达点5，点5至点1是制冷蒸发过程。另外，点7是蒸发冷却产生的气体在压缩到补气口前的工况，这些气体与在蒸发器蒸发所产生的蒸发气体的工况点1经过一段压缩在补气腔内混合为点8后继续在压缩机内压缩至排气口（点2），这种混合的优点在于有效地降低压缩机的排气温度。

图2-7 采用板式换热器过冷的螺杆压缩机制冷循环

带板式换热器经济器（图2-8）的计算[1]：p_d：排气压力（kPa）；p_e′：经济器压力（kPa）；

p_s：吸气压力（kPa）；

h₁-h₅′：焓值（kJ/kg）；

压缩机吸气侧的质量流量（kg/s）仍为m；经济器回路质量流量（kg/s）为m₁；压缩机总回路质量流量（kg/s）为m₀。则 m₀=m+m₁系统的制冷量（kW）：Q=m（h₂-h₄′）=m（h₂-h₁）+m（h₁-h₄′） （2-6）

输出功率（kW）：

P=m（h₃-h₂）+m₁（h₃-h₅′） （2-7）

能效比：

图2-8 带板式换热器的制冷循环压焓图

COP=Q/P

=[m（h₂-h₁）+m（h₁-h₄′）]÷[m（h₃-h₂）+m₁（h₃-h₅′）]

其中

m（h₁-h₄′）=m₁（h₅′-h₁）

又从压焓图中可以知道，即图2-6b与图2-8两种循环的能效比比较：

[（h₅-h₁）÷（h₃-h₅）]＞[（h₂-h₁）÷（h₃-h₂）]

计算表明，与含有闪发气体的制冷循环比较，带板式换热器经济器（去除部分闪发气体）的制冷循环的能效比得到了提高。

这种方式使供液温度过冷，使蒸发器前的节流阀节流这些过冷液体产生的闪发气体大大地减少了。这种设置在20世纪90年代前欧美国家的工业制冷系统比较常用，但在90年代后期就相对较少使用了，主要是这种供液方式还有可以改善的空间。这种供液方式存在的问题是：由于供液与压缩机的补气压力使部分节流的液体蒸发，这种热交换在换热器中存在一定的温差，这种温差使供液温度没有达到比较理想的温度；而且这种经济器的综合性能单一。由于液体是过冷的，它会从温暖的环境吸收热量，而这也可能导致闪发。因此这种供液模式还存在优化的空间。

2.二次节流供液

图2-9所示是最初使用二次节流的制冷工艺设计，部分节流制冷剂需要合适的设备去除闪发气体，从冷凝器或高压贮液器出来的液体制冷剂通过液位控制阀第一次节流后进入分离容器，从分离容器分离后的液体再次进入蒸发器的节流阀进行二次节流；增设去除闪发气体压缩机，它从分离容器吸入闪发气体，压缩后加入到主压缩机的排出气体到冷凝器冷凝。

图2-9 二次节流的最初设计^[1]

由于螺杆压缩机的补气口提供了类似于闪发气体压缩机的吸气功能，因此在分离容器上把去除闪发气体的管道接到螺杆压缩机的补气口，就形成了如图2-10的制冷系统循环图。这种功能的分离容器在欧美制冷产品中称为闪发式经济器（Flash Economizer），它的应用功能是[5]：闪发式经济器（图2-11）提供中间温度的饱和液体，液体节流后供给蒸发器同时减少其中的闪发气体，以改进系统效率。

这种带闪发式经济器的制冷循环过程如图2-10所示：制冷剂总的质量流量m在点3处一次全部节流，在点4节流后分成两部分：第一部分蒸发的气体m₂从点4蒸发到点7，蒸发后的气体进入螺杆压缩机的补气口，第二部分质量流量m从点4液体成为过冷液体后到达点5，经过膨胀阀二次节流到达点6，点6至点1是制冷蒸发过程。另外，点7是蒸发冷却产生的气体在压缩到补气口前的工况，这些气体与在蒸发器蒸发所产生工况点1的蒸发气体，经过一段压缩在补气腔内混合为点8后继续在压缩机内压缩至排气口（点2），完成全部制冷循环。(www.xing528.com)

这种闪发式经济器在国内没有生产，那么这种闪发式经济器（图2-11）的工作原理是什么？下面通过制冷循环的压焓图来了解这种经济器的优点和计算方法[4]。

图2-10 带闪发式经济器的制冷循环压焓图

图2-11 闪发式经济器的外形

p_d：排气压力（kPa）；

p_e：经济器压力（kPa）；

p_s：吸气压力（kPa）；

h₁-h₅：焓值（kJ/kg）。

设定压缩机吸气侧的质量流量（kg/s）为m；

经济器回路质量流量（kg/s）为m₂；

压缩机总回路质量流量（kg/s）为m₀。

则 m₀=m+m₂

那么系统的制冷量（kW）：

Q=m（h₂-h₄）=m（h₂-h₁）+m（h₁-h₄） （2-8）

其中，m（h₁-h₄）=m₂（h₅-h₁），是增量。

由于质量流量的增加，制冷量也得到了相应提高。

输出功率（kW）：

P=m（h₃-h₂）+m₂（h₃-h₅） （2-9）

其中，m₂（h₃-h₅）是增量。

能效比：

COP=Q/P=[m（h₂-h₁）+m（h₁-h₄）]÷[m（h₃-h₂）+m₂（h₃-h₅）]

其中 m（h₁-h₄）=m₂（h₅-h₁）

又从压焓图中可以知道，即图2-10与图2-6b的能效比比较：

[（h₅-h₁）÷（h₃-h₅）]＞[（h₂-h₁）÷（h₃-h₂）]

比较结果表明，这种二次节流的制冷循环能效比带板式换热器的制冷循环更高了一些。

对图2-10与图2-8所示的能效比进行比较，由于板式换热器两侧流体存在温差，故而影响h₅′＜h₅，最终导致带板式经济器的能效比要小于带闪发式经济器的。这两种形式的能效比差值主要取决于板式换热器两侧流体存在温差以及运行的工况，对压缩机而言一般会有2%～3%的差别，不同型号和生产厂家的压缩机也会有一定的差别。

这种闪发式经济器一般是立式的，卧式的一般是以与中温低压循环桶或者中温气液分离器的容器合并的形式出现（本书第8章中有这种容器的详细介绍）。

去除闪蒸气体的节能程度取决于制冷剂热力性能和来自冷凝器的制冷剂到蒸发器后温度下降的幅度。图2-12所示为几种制冷剂在不同蒸发温度去除闪发气体的节能百分比[1]。

图2-12 几种制冷剂在不同蒸发温度去除闪发气体的节能百分比