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淺談制冷設備選型及運行控制中的節能技術
點擊量: 更新時間:2018/1/9 17:26:34

 制冷技術的發展水平是衡量一個國家國民經濟和人民生活水平的重要標志。近年來隨著我國經濟的快速發展和人均生活水平的不斷提高,制冷行業獲得了極其迅猛的發 展,但長期以來我國經濟增長仍是以資源高消耗和犧牲環境為代價的粗放型經濟增長模式。統計資料表明,我國現階段總能源利用率僅達歐美日等發達國家上世紀八 十年代水平。制冷行業是國民經濟中大耗能行業之一,制冷裝置的能耗在我國總耗能中的比重還在逐年上升。因此,制冷裝置的節能就成為了我國節能工作中的重要 一環,也成為我們制冷行業內重要的研究課題之一。

通過研究和生產實踐運用,我們認為:對制冷裝置進行科學合理的設計與匹配組成,并通過對系統主要運行參數進行精心、正確合理地的操作控制,就能使制冷裝置在最經濟合理的工況條件下安全可靠地運行,同時達到產冷量最大,耗功最省,運行效率最高的目的。

下面即簡略地談幾點在制冷設備的設計選型及運行控制中的節能技術方法,拋磚引玉,使廣大的制冷用戶,更經濟、合理、安全、節能地設計和使用制冷設備。

1.制冷設備主要組成配件的節能選型

1.1制冷壓縮機的選擇

1.1.1溫度范圍

制冷設備設計中選擇壓縮機,首先應考慮制冷設備對制取溫度的要求,同時對用戶的用冷情況也應進行深入的調查了解,選擇適應溫度要求的中高溫壓縮機或低溫壓縮機。在第二代活塞式制冷壓縮機中,充分考慮了不同工況領域電機功率與氣體流量的不同,相同排量的中高溫壓縮機與低溫壓縮機是分別采用不同電機與閥板組合優化設計制造的。低溫壓縮機是決不允許應用于蒸發溫度大于-5℃以上的場合,以避免壓縮機電機過載;反之,在低溫領域若采用相同排量的高溫壓縮機,往往會因為電機效率下降、功率因素

降低、閥板余隙影響等造成制冷設備制冷量明顯減少、功耗增大,也是很不經濟的。

1.1.2制冷量

制冷量的大小將直接關系到工程設計的一次性投資、占地面積、能量消耗和運行經濟效果。通常制冷量的大小是根據用戶的熱負荷而定的。生產實際中情況千差萬別,通常應綜合優化考慮一次性投資與運行經濟效果。應當注意到,不同用戶的用冷規律不 同,各地的能源價格不同,以及其它一些因素,都將影響設備的一次性投資與運行經濟效果所占的設計比重。因此,設計人員一定要充分調查當地的實際情況,進行 系統經濟性技術分析,做出全面經濟合理的選擇,切不可只簡單地套用有關的公式數據來選擇確定。設計選擇上考慮不周,不僅會給制冷設備的操作維護造成困難、 導致效率降低、能耗增大,而且可能造成事故產生嚴重損失。

1.1.3能量調節

通常壓縮機總是根據系統最大制冷量需求來選定的。在生產實際中,熱負荷是隨著外界條件而經常變化的,這就提出了對壓縮機應進行相應有效地調節,使其制冷量與外界熱負荷始終保持平衡,減少系統蒸發溫度與壓力的波動,從而相應減少被冷卻對象的溫度波動。

對于單臺壓縮機,最簡單的能量調節方式就是間歇運行,即當達到規定的溫度時,壓縮機停止運轉;當溫度升到規定上限時,壓縮機又將重新起動運轉。顯然這種方法只用于小型壓縮機,因為對于功率大于10kW的壓縮機,壓縮機電機的頻繁啟動會引起供電回路的電壓波動,影響其它設備的正常工作,同時壓縮機即使不很頻繁的多次重復啟動也總會對壓縮機產生致命的損傷隱患。

對于4缸以上的多缸系列壓縮機,多采用每檔關閉2缸的能量調節方式,基本上可以滿足實際生產中的調節要求,但從節能的角度看,這種調節方式顯然是不理想的,因為卸載缸雖不產生制冷壓縮工作了,但其活塞連桿仍在運動,仍存在機械運動磨耗,壓縮機的耗功幾乎保持不變,而非理想的隨制冷量同幅降低,這就使壓縮機在能量調節的部分負荷下運行并不能保持滿負荷下高效的COP值,尤其在50%負荷以下運行,壓縮機將更不經濟節能。

若 采用熱氣旁通調節方式,即隨著系統熱負荷下降,吸氣壓力降低,當其低于旁通閥設定壓力差時,旁通閥打開使部分高壓制冷劑氣體直接旁通到吸氣管路,這樣既能 防止吸氣壓力進一步降低,又能使壓縮機的凈制冷量下降。由于旁通能量調節中旁通的制冷劑,壓縮機對其做了功而其沒有產生有效冷量,何況旁通時吸氣溫度升高 會造成壓縮機排氣溫度過高,可能還要通過損失制冷劑對吸氣管路進行噴液來消除,又進一步造成了壓縮機制冷量的損失,因此,從節能角度不提倡采用這種調節方 法,這是很不經濟的。

另還有采用變頻調速裝置進行能量調節,從壓縮機使用的三相異步電機角度能很好解決制冷量與電機功率始終高效匹配的問題,但在一定高、低轉速范圍,活塞式壓縮機存在氣閥的開啟運動規律、潤滑油量等問題,且變頻調速裝置產生的一次性投資成本的增加也不易被接受。

通過生產運用實踐,我們逐步認識到多機并聯型系統,即在同一系統中采用多臺壓縮機并聯替代單臺大功率壓縮機,是實現制冷設備制冷量調節較為合理可靠的方法,能保證制冷設備在部分負荷下運行的高效率,實現節能運行,這對較大冷量的系統尤為有利。表1顯示了同樣系統分別采用1臺壓縮機與4臺壓縮機系統耗能的實驗研究對比結果。

表1 單臺與4臺壓縮機系統運行耗能的比較


 

100% 負荷

75% 負荷

50% 負荷

25% 負荷

單臺系統耗能

100%

86%

77%

67%

4臺系統耗能

100%

75%

50%

25%

4臺系統節能

0%

11%

27%

42%

可見,當部分負荷越小,采用壓縮機的臺數越多時,則運行節能效果也將越顯著。同時系統中多機的逐臺啟動,避免了對電網過大的波動沖擊,綜合提高了制冷裝置運行的經濟性、安全性,而當多臺中的某臺壓縮機發生故障時,還可以進行單臺維修而系統仍然可以維持運行。

生 產實際中各種制冷系統在部分負荷下運行的時間,都占有相當大的比例,因此,采用多機并聯型系統對運行的節能也就具有相當大的潛力,值得在設計選擇時做深入 的分析比較。當然,這也會有其使一次性投資加大,設備所占空間增大等不利的一面。因此,是否選用多臺系統以及具體選用多少臺數,都應根據用戶的實際情況進 行深入比較分析,全面衡量后再確定最佳合理的設計選型方案。

一般推薦認為,在較大型制冷設備設計中,確定壓縮機配置的臺數應盡量少,以簡化系統和便于操作管理,但總臺數不宜少于2臺,以保證熱負荷變化時冷量的有效調節,以及檢修時單臺維持系統的運行。

1.2換熱器的選擇

1.2.1冷凝器

空氣冷卻式冷凝器,由于空氣的傳熱較差,其冷凝溫度常較高,使冷凝壓力升高,制冷機效率降低,耗能增加。因此,其比較適用于夏季室外溫度不太高地區,或冷凝壓力較低的制冷劑。其最大的優點是不需要冷卻水,特別適宜于缺水地區或供水困難地區使用。

自然界水溫一般較低,并且水的傳熱性能優良,故水冷冷凝器的冷凝溫度比較低,這對壓縮機的制冷能力和運行的經濟性都比較有利,目前在工業制冷系統中得到了廣泛應用,為節約水資源,普遍采用冷卻水塔裝置,使冷凝器的出水得到冷卻降溫,以供水冷冷凝器重復循環使用。

蒸發式冷凝器,其利用了冷卻水蒸發時的氣化潛熱,來吸收制冷劑放出的熱量,故實現了冷凝熱量的轉移只需少量的冷卻水。一般水冷冷凝器中1kg冷卻水能帶走16.75~25.12 kJ的熱量,而1kg水在常壓下蒸發能帶走約2428 kJ的熱量,因而蒸發式冷凝器理論耗水量約為一般水冷式冷凝器的1%。實際上,考慮到吹散損失、排污等損耗,其耗水量也大約只有一般水冷冷凝器的5%~10%。

蒸發式冷凝器由于省去冷卻水在冷凝器中顯熱傳遞階段,使冷凝溫度有可能更接近空氣的濕球溫度,從而降低了壓縮機能量消耗。通過對冷藏庫的研究分析表明,冷凝溫度與空氣濕球溫度的偏差在8.3℃以內是比較實際和經濟的。在這樣條件下,采用蒸發式冷凝器系統與冷卻塔和管殼式冷凝器相結合的系統相比,壓縮機的動力消耗,可節約10%以上;與采用空冷式冷凝器系統比較,可節約30%以上。由于其本身起到了冷卻塔的作用,故其初期投資實際還會低于水冷冷凝器和冷卻塔的綜合初期投資。

冷凝器換熱面積是設計選型中的另一重要內容,設計中應充分考慮到國內制冷裝置的設計制造水平以及用戶在使用中維護管理意識水平普遍較低的現狀,適當選擇較大的冷凝面積還是比較經濟實用,比較符合我國國情的。

綜 上,各種冷凝器各有其優缺點。對于一定的應用場合,選用不同冷凝器的直接后果是冷凝溫度與壓力不同,制冷機運行的經濟性不同。但目前國內大多用戶在實際選 擇冷凝器時,往往對不同冷凝器運行能耗的差異影響考慮很少。實際上,冷凝器的選擇對制冷裝置能耗的影響,必須引起我們的高度重視!在設備的設計中應對采用 不同冷凝器的不同方案進行全面的技術經濟分析,綜合考慮初期投資、安裝位置環境、操作維護等各方面因素,然后選擇最佳合理方案。

1.2.2蒸發器

在 實際工程設備設計中,蒸發器的選擇主要考慮蒸發器類型和傳熱面積兩方面因素。近年來,對于換熱器的設計選型有一個一致的傾向,即采用較小的傳熱溫差,當傳 熱量一定時,傳熱溫差減少就必須增大傳熱面積,傳熱面積增大就意味著增加投資和減少運行費用。隨著能源短缺矛盾的突出,世界各國都對節能提出了更高的要 求,并采取了相應的政策措施,因此,適當增加投資,可以減少常年運行的能耗,達到節能的目的,且隨著運行費用的上升,由于節能而增加的投資回收期也將逐漸 縮短,最終得到較高的經濟效益。換熱器對運行費用的影響日益受到重視,板式換熱器等各種新型高效換熱器正在不斷被開發、應用。

1.3節流裝置的選擇

節流裝置沒有外功輸出,因而沒有效率消耗的概念,但是節流裝置的工作特性,直接影響到制冷裝置的制冷性能,影響到裝置運行的效率和能耗水平。熱力膨脹閥選擇不當,將造成蒸發器的蒸發面積利用率下降,制冷裝置的效率降低,能耗增加等,甚至產生濕沖程對壓縮機產生致命的損壞。

正確地選擇調節膨脹閥是制冷裝置節能中的重要一環。熱力膨脹閥的容量是隨工況而變的,選擇容量時應根據生產廠家提供的熱力膨脹閥性能表進行選擇,但必須注意,還應該全面考慮熱力膨脹閥的平衡方式,蒸發溫度、閥前后壓差和閥進口液體溫度等因素對膨脹閥容量的影響進行修正,這樣才能保證熱力膨脹閥與制冷裝置很好地匹配,使制冷裝置處于最佳的運行狀態,達到高效節能的目的。

目 前國內大多用戶及工程商在制冷設備、工程設計施工中,都或多或少存在注重壓縮機主機而忽視輔助設備的觀念做法。在實際選擇換熱器、節流裝置等制冷系統配件 時,往往很少考慮這些輔助配置引起制冷設備運行能耗的差異及對運行安全的影響。在我國制冷系統中輔助設備的配置性能明顯落后,并也因此制約了壓縮機主機性 能的充分發揮,甚至對壓縮機主機會形成致命的事故隱患。在重視壓縮機的同時,換熱器、節流裝置等輔助配件的合理優化選擇對制冷設備能耗的影響,必須引起我 們的高度重視!

2.制冷系統主要運行參數的節能控制調節

在實際的制冷設備及系統工程運行中,我們認識到不僅應該把制冷系統調整到合理的運行范圍,滿足制冷工藝的要求,維持其安全正常運行,而且還應該并可以進一步將制冷系統調整到最佳運行狀態,實現高效節能的運行目的,提高制冷設備運行的節能水平。

2.1蒸發溫度和蒸發壓力

在 制冷設備的設計中,提高蒸發溫度將使制冷系統的壓縮比降低、功耗減少,這對節能是十分有利的。問題是蒸發溫度取決于被冷卻對象,調整蒸發溫度必須以不影響 被冷卻對象的制冷工藝要求為前提。但在制冷裝置的操作調節中,應注意觀察,及時采取相應措施,如適當除霜、適當增大供液量、對蒸發器進行放油除污垢清理、 對壓縮機實施有效能量調節等,使蒸發溫度穩定在設計溫度,避免蒸發溫度不必要地過低還是非常必要的。

從節能的角度來講,適當地提高蒸發溫度是經濟合理的,計算表明當用-25℃的庫溫代替-30℃庫溫時,由于蒸發溫度升高,將節約電能達9.8%。因此,對于貯存期較短,質量對低溫要求不高的情況,可以適當地提高蒸發溫度,達到節能的效果。另外一般制冷裝置都按滿負荷進行設計,而實際在滿負荷運行的時間并不長,大部分時間是在小于設計負荷的條件下運行。在部分負荷即耗冷量減少時,提高蒸發溫度,可以利用減小蒸發器的傳熱溫差,達到同樣的降溫效果。例如,當冷凝溫度為38℃時,制冷系統的蒸發溫度-33℃;當耗冷量減少為原設計的50%,原蒸發器傳熱溫差由10℃減少為5℃,庫房仍利用原有設備,使庫溫維持在-23℃,但此時蒸發溫度提高為-28℃,計算表明節能效果可達15%。

2.2冷凝溫度和冷凝壓力

冷凝溫度過高,將引起壓縮機排氣壓力過高,排氣溫度升高,這對壓縮機的安全運行十分不利,容易造成事故;同時使制冷裝置效率降低,能耗增加。從節能角度,在制冷設備設計時應適當選取較高的冷凝溫度,即配置較大的冷凝換熱面積,達到實際節能運行的目的。

從 操作調節的角度,應控制制冷設備在盡可能低的冷凝溫度下運行,以提高制冷效率,降低運行費用。冷凝溫度決定于冷卻介質的溫度、流量、流速、冷凝面積、壓縮 機的排氣量以及空氣濕度、油污、水垢等影響冷凝器傳熱效率的各種因素。要使冷凝溫度盡量低,主要從兩方面入手:一是保持換熱面積的清潔,消除影響熱交換的 因素,即及時除垢、放油、排除不凝結氣體;另一方面,就是控制冷卻介質的流量、流速,保證冷卻介質均勻地流過換熱面積;還要特別注意冷卻水在冷凝器中分配 的均勻性。在系統設備部分負荷下運行時,應特別注意同時對應控制調節冷凝系統的水泵或風機負荷,避免無效的換熱功耗。因為制冷設備的總能耗包括了壓縮機的 能耗和換熱器水泵和風機的能耗。

2.3液體過冷度和吸氣過熱度

液態制冷劑節流后進入兩相濕蒸汽區,此時制冷劑的干度越小,其在蒸發器中氣化時的吸熱量即制冷量越大,循環的制冷系數亦越高。在一定的冷凝溫度、蒸發溫度下,采用使節流前制冷劑液體過冷的方法可達到減小節流后制冷劑干度的目的,提高制冷循環的制冷量。

通常情況下,假定冷凝器出水溫度比冷凝溫度低3~5K,冷卻水在冷凝器中的溫升為3~8K,因而冷卻水的進口溫度比冷凝溫度低5~13K,這就足以使制冷劑出口溫度達到一定的過冷度。在臥式殼管冷凝器中,如果冷凝后的液體不立即從冷凝器的底部排出,而是積存在冷凝器內部,這部分液體將繼續把熱量傳給管內的冷卻水和周圍介質,排出時便可獲得一定過冷度。

過冷度的獲得產生并不產生壓縮機耗功的增加,這就意味著過冷度必定導致設備系統制冷系數的增加,提高制冷設備運行的經濟性。研究計算表明,在冷凝溫度40℃,蒸發溫度5℃工況條件下,5K的過冷度,會使R22制冷設備制冷量增加4.27%,輸入功率無變化,COP值提高4.27%。同時,一定的過冷度還有效防止了液態制冷劑在從冷凝器到節流閥間的管道中發生部分氣化造成制冷量下降和膨脹閥故障。

相比較對于R22制冷設備而言,吸氣過熱度的影響就更為復雜了,因為吸氣過熱度在有效改善提高壓縮機的容積效率和系統單位質量制冷量的同時,亦不可避免地增加了壓縮機吸氣的比容、排氣溫度、耗功和冷凝器的熱負荷。盡管其綜合影響還是會使制冷量隨著過熱 度的增加有所增加,但設備系統的制冷系數則是隨之降低的。這雖似與設備的節能運行有相駁之處,但在制冷設備,特別是在低溫制冷設備中,吸氣溫度過低會使壓 縮機產生嚴重結霜,潤滑條件惡化。在濕沖程下,壓縮機運行的容積效率大幅降低,指示效率、機械效率及電效率均會有所減低,從而使壓縮機的COP值會有更大幅度的下降。更為甚者,濕沖程極易產生液擊對壓縮機產生致命的機械損傷。

可見,壓縮機的吸氣溫度既是運行效率和能耗水平的標志,更是設備系統安全正常運行的標志。所以,在實際運行操作中應保持密切的監控,及時調節,使之保持在合理的范圍之內。維持適當合理的吸氣過熱度,來保證制冷設備更為安全可靠、高效節能地經濟運行。

當 然,上面提及的吸氣過熱度,均是指發生在蒸發器本身,或安裝于被冷卻間內的吸氣管道上,過熱所吸收的熱量來自于被冷卻的空間介質,即吸氣過熱產生了有效的 制冷效果。那些未對被冷卻空間介質產生制冷效果的無效過熱,則只單方面增加了壓縮機的能耗,為有害過熱應嚴格采取保溫措施有效避免,否則會使制冷設備的運 行經濟性惡化。

除 此之外,充分利用晝夜溫差引起的夜間熱負荷降低,冷凝溫度降低及夜間低谷電網,盡可能使制冷設備在夜間運行;在制冷環境中優化設計均勻的氣流組織;采用多 級分段制冷工藝使制冷設備在各個時段中采用不同的運行參數,降低傳熱溫差,利用連續變溫調節時制冷系數大的原理,以不增加投資實現實際制冷凍結過程的節能 也都具有較為明顯的經濟效益。

綜上所述,隨著能源問題的日益突出,對節約能源提出了更高的要求,世界各國都相應制定了新的能源經濟政策措施,我國政府也已在政府工作報告中制定了單位GDP能耗降低20%的 能源控制目標。因此,總體上講,在制冷設備的設計施工中,適當增加初期一次性投資,以降低制冷設備運行的能耗,達到高效節能的目的,降低設備運行費用,是 應當采用的設計思想。隨著能源價格致使設備運行費用的上升,由于節能使增加的初期投資回收期逐漸縮短,可獲得較高的綜合經濟效益。

另 外,目前我們對制冷系統操作調整的重要性認識不足,制冷設備運行維護管理情況普遍較差。存在技術力量薄弱,對制冷設備技術經濟運行管理的觀念意識淡薄。這 些更需要我們業內各方面共同努力,加強對系統的合理優化設計和運行的精心控制調節重要性,以及實現制冷設備安全高效節能目的的宣傳教育和貫徹執行工作。

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