经济器的设计与选型.doc

经济器的设计与选型经济器的功能制冷剂从压缩机出来，经过冷凝器冷凝成液态冷媒，之后分成两路，一路经膨胀阀节流后变成低温低压的制冷剂，使另外一路的制冷剂温度再一次降低，自身也得到热量蒸发成气体回到压缩机。得到过冷的另外一路制冷剂经节流后进入蒸发器蒸发，再回到压缩机。通过这种方式可以为系统增加更多的制冷量以及更高的能效比。图1（带经济器的系统示意图）两种不同经济器的性能分析在螺杆式机组里经常看到带有经济器的系统，有用闪蒸筒的（也称闪发式），也有板式换热器的（也称过冷式）。至于经济器能给机组带来什么好处了？以及这两种经济器有什么不同？下面分别就机组带有这两种经济器与不带经济器做一个理论上的对比。不带经济器的结构图2（不带经济器的压焓图）Pd: 排气压力（kPa）Ps: 吸气压力（kPa）h1-h3: 焓值（kJ/kg）先假定压缩机的质量流量为m(kg/s):则系统的制冷量:Q=m*(h2-h1) kW输出功率 P=m*(h3-h2) kW能效比 EER=Q/P=(h2-h1)/(h3-h2)带闪蒸筒经济器的结构图3（带闪蒸筒的压焓图）Pd: 排气压力（kPa）Pe: 经济器压力（kPa）Ps: 吸气压力（kPa）h1-h5: 焓值（kJ/kg）先假定压缩机吸气侧的质量流量仍为m(kg/s):经济器回路质量流量为m1(kg/s)压缩机总回路质量流量为m0 (kg/s)则m0=m+m1 （kg）则系统的制冷量:Q=m*(h2-h4)= m*(h2-h1)+m*(h1-h4) kW其中：m*(h1-h4)=m1*(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 P=m*(h3-h2)+m1*(h3-h5) kW其中：m1*(h3-h5)是增量能效比 EER=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 (h5-h1)/ (h3-h5) (h2-h1)/(h3-h2)故而能效比也得到了提高带板换经济器的结构图4（带板换的压焓图）Pd: 排气压力（kPa）Pe: 经济器压力（kPa）Ps: 吸气压力（kPa）h1-h5: 焓值（kJ/kg）先假定压缩机吸气侧的质量流量仍为m(kg/s):经济器回路质量流量为m2(kg/s)压缩机总回路质量流量为m0 (kg/s)计算方式与带闪蒸筒经济器的结构一样系统的制冷量:Q=m*(h2-h4)= m*(h2-h1)+m*(h1-h4) kW输出功率 P=m*(h3-h2)+m2*(h3-h5) kW能效比 EER=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 (h5-h1)/ (h3-h5) (h2-h1)/(h3-h2)故而能效比也得到了提高但与带闪蒸筒经济器比较，由于板式换热器两侧流体存在温差，故而影响h5h5，最终导致带板式经济器的能效比要小于带闪蒸筒经济器的。示例以MTS145压缩机在200Hz工作时为例，分别就上面三种情况作个对比。名称单位不带带闪蒸筒带板换吸气饱和温度5.6吸气过热度1排气饱和温度36.7过冷度3.3制冷量kW469.5519.5510输入功率kW81.9585.8584.77EERW/W5.73 6.05 6.02 制冷量增量%0%11%9%COP增量%0%5%3%（表1）根据以上分析，系统中采用了经济器，制冷量和能效比都会有相应提高。一般来讲，制冷量会提高10%左右，能效比会提高4%左右。从性能分析比，闪蒸筒和板式换热器差别不是很大。至于采用何种经济器结构，须根据厂家的设计要求来看。一般来说，闪蒸筒本体结构虽简单，但体积偏大，机组布局困难，一般应用在带有储液功能的风冷热泵上；板式换热器体积小，可使机组结构紧凑，在水冷机组上得到广泛应用，缺点是采购成本贵。带有经济器的螺杆式机组介绍带闪蒸筒经济器的系统示意图 （图5 带闪蒸筒的系统图）在这个系统中，由冷凝器流出的液态制冷剂通过电子膨胀阀1节流，变成相对低温低压的两相（气态和液态）流体，其中气体通过闪蒸筒顶部的管路经电磁阀进入压缩机经济器输入口，液体通过闪蒸筒底部的管路经电子膨胀阀2再次节流进入蒸发器蒸发。采用这种结构时，须在闪蒸筒里增加液位传感器以防止液体流入压缩机，另外在闪蒸筒顶部的管路上增加电磁阀以防止机组低负荷时，气体从压缩机倒流到闪蒸筒；其次还可以在闪蒸筒液位不能控制的情况下，能迅速关断电磁阀以保护压缩机免遭液击。有时为了降低成本，电子膨胀阀2也可以用节流孔板来替换。带板换经济器的系统示意图（图6 带板换的系统图）在这个系统中，由冷凝器流出的一部分液态制冷剂通过电磁阀经电子膨胀阀1节流，变成相对低温低压的两相（气态和液态）流体，经过板式换热器与主回路的液态制冷剂进行逆向热交换，将主回路的制冷剂冷却的同时，自身也得到全部蒸发变成气体返回至压缩机经济器输入口，主回路得到再次过冷的液体通过电子膨胀阀2节流进入蒸发器蒸发。采用这种结构时，须在电子膨胀阀1增加一个电磁阀以防止机组突然断电，电子膨胀阀1来不及关闭会导致制冷剂液体流入压缩机造成液击。另外采用这种结构时，电磁阀和电子膨胀阀的能力要比采用闪蒸筒时小很多，可以降低一些采购成本。经济器的设计须知闪蒸筒的结构设计根据前面的介绍，闪蒸筒的主要功能是进行气液分离的。结构设计上须考虑如何使气液进行充分分离，且确保液态制冷剂没有带入压缩机。另外增加一个进行液位检测的筒体，使液位传感器能迅速且准确地检测到真实的液位。以下是几种常见的形式： A B C（图7带板换的系统图）上面三种闪蒸筒是比较常见的结构A结构比较简单，气液混合物喷向挡管表面，形成第一次碰撞分离；而后沿着内壁旋转，利用离心力使气液进行第二次分离。B结构简单，喷液管向四周喷液，利用下降空间充分进行气液分离，采用这种结构时，喷口流速需较高才能达到效果。C结构较为复杂，喷液管向上喷液，被折弯挡板挡下来，形成第一次碰撞分离，而后利用下降空间充分进行气液分离，使气液分离更充分，这种方式常在卧式结构中采用。（图8闪蒸筒的结构图）A结构在约克的机组中经常应用，下面就这个结构进行详细说明。根据筒体长度分为分离区、涌浪区、稳定区。气液混合物在分离区进行分离，分离完后气体上浮至喷液挡管顶端出去，液体沿着筒体内壁流下来；流下来的液体中还有少量部分气体，故而在涌浪区继续沸腾、分离；当气体充分分离之后，液态制冷剂回到稳定区，通过排液口流走。稳定区与涌浪区之间通常加有隔板，以防止受到涌浪区的涡流干挠。在液位传感器的壳管中，液管比气管粗0.5-1倍左右，以便氟利昂液体能自由地流动流出，壳体内径应比液位传感器大1倍左右，以便氟利昂能在管内自由流动，其设计目的都是为了液位传感器能迅速地感测真实的液位。在做闪蒸筒设计时，首先通过压缩机性能计算软件，选定压缩机型号、频率、排气压力和吸气压力、过热度、过冷度，设定经济器的管路压降（大概6Psi）, 计算得出经济器侧的换热量、压缩机经济器进口压力及其所对应的饱和温度、以及主次回路制冷剂质量流量等参数。下面以Trident 145为例设计条件：制冷剂：R134a；运行频率：200Hz排气饱和温度：98.06 F(36.7)；吸气饱和温度：42.08 F(5.6)；过热度：1.8 F(1.0)；过冷度：5.94 F(3.3)经济器管路压降：6 Psi第一步，通过压缩机计算软件得出我们所需的参数。由计算结果可知，经济器的入口压力：5.98-1.07=4.91 bar，加上0.5的管路压损(管路上电磁阀)，即为板换的出口压力：5.41 bar，对应的饱和温度：18.3，主回路质量流量180.68kg/min，换热量：49.2kW，经济器的体积流量27.9CFM。其次再考虑闪蒸筒的结构时，容器的储存制冷剂的容积，分离区和涌浪区高度及气体上升速度。因速度太高会引起带液，故存在一个气体最大允许的上升流速。其中：Vv ：最大上升流速rf ：液体密度 (lbm/ft3)rg ：气体密度 (lbm/ft3)C ： 速度值 (ft/h)C与分离高度和液体的表面张力有关其中：X - 分离高度 (inches)先需设定一个值200mmb - 与表面张力有关的系数Z - 表面张力(dynes/cm)下面就各个参数作一个详细的说明板换的选型及设计计算板换一般都是外购，主要知名厂家有丹佛斯、舒瑞普和阿伐拉法。这些厂家一般都提供选型计算软件。（图10 板换结构图）在选型时，需考虑所用的制冷剂，压缩机性能计算软件，选定压缩机型号、频率、排气饱和温度、吸气饱和温度、过热度、过冷度，设定经济器的管路压降（大概11Psi）。计算得出经济器侧的换热量、压缩机经济器进口压力、以及主次回路制冷剂质量流量。然后通过板换计算软件得出板片数量，如板片数量过多，须考虑在蒸发侧加装分配器。以下是Trident 145板式经济器为例（采用的Danfoss 板换选型软件）：设计条件：制冷剂：R134a；运行频率：200Hz排气饱和温度：98.06 F(36.7)；吸气饱和温度：42.08 F(5.6)；过热度：1.8 F(1.0)；过冷度：5.94 F(3.3)经济器管路压降：11 Psi第一步，通过压缩机计算软件得出我们所需的参数。由计算结果可知，经济器的入口压力：6.4-1.25=5.15 bar，加上0.1的管路压损，即为板换的出口压力：5.25 bar，对应的饱和温度：17.3，主回路质量流量180.68kg/min，换热量：39.6kW。第二步打开丹佛斯板换选型软件，选择input parameter界面，点击design(设计工况)、countercurrent(逆流换热)、在heat Exchanger选择板换型号、channel type中设定为自动，units in series 和units in parallel中设定为1，fluid option中liquid state选项为liquid，在Duty Requirements里将所需的各种参数输入表框，其中板换经济器出口气体需要设一个安全的过热度(大约4-6 )，蒸发侧的压损要小于2