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螺杆式制冷设施运行研究剖析

放大字体  缩小字体 发布日期:2021-01-27 18:27:47 来源: 作者:用户14175    浏览次数:0    
摘要

目前一些高级出口水产冻品与冻淇淋等生产工艺往往要求制冷的蒸发温度达到- 35 - 45 ,甚至更低些。这虽然可采用活塞机双级压缩R22或R502制冷系统来获得,但是R22与R502价格都很昂贵,且一般大型活塞式制冷机难免由泄漏而造成制冷剂的巨大浪费;另外因其具有破坏臭氧层给全球环保造成严重的危害,因而难以广泛采用。如果采用氨活塞式双级压缩机制冷,也会碰到一系列难以解决的技术难题。众所周知,当氨的蒸...

目前一些高级出口水产冻品与冻淇淋等生产工艺往往要求制冷的蒸发温度达到- 35 - 45 ,甚至更低些。这虽然可采用活塞机双级压缩R22或R502制冷系统来获得,但是R22与R502价格都很昂贵,且一般大型活塞式制冷机难免由泄漏而造成制冷剂的巨大浪费;另外因其具有破坏臭氧层给全球环保造成严重的危害,因而难以广泛采用。如果采用氨活塞式双级压缩机制冷,也会碰到一系列难以解决的技术难题。众所周知,当氨的蒸发温度为- 45时,与其相对应的蒸气绝对压力为0. 0545MPa;制冷系统在这样低的蒸发压力下,活塞机的回气压力已形成所谓的超负压工况。这样活塞机的容积效率大为下降,制冷效果大大地降低,而耗能却为之增加,同时还会引发一系列弊端;为此在设计及生产管理和操作方面应当慎重考虑。如某厂采用了国产单机双级氨活塞式压缩机制冷,虽然其蒸发温度能降到- 45 ,但生产不久,该压缩机的气缸活塞等运行部件就更换了一大批。究其原因,由于氨制冷系统蒸发温度太低而导致回气压力过低,单机双级活塞压缩机的低压缸已形成超负压运行工况,使压缩机的容积效率大为下降使排气温度急剧上升;进而引起机油温度上升使润滑油质变坏,压缩机因润滑不良而加重磨擦,使消耗磨擦功所产生的热量增加,转而又促使机油温度急剧上升。

压缩机气缸活塞等运动部件因润滑恶化而加速了磨损,其使用寿命必然大为缩短而报废。

鉴于氨双级活塞式压缩机制冷在负压运行所遇到上述技术问题,下面就螺杆机氨制冷负压运行与湿压缩工况的特性进行探讨;从而展望其实际应用的远景。

1、在相同压力比下螺杆机容积效率普遍比活塞机高。

从武汉冷冻机厂螺杆机及活塞机容积效率与压力比关系图应补充该图可以看出,在相同压力比下,螺杆机的容积效率普遍较活塞机高,尤其是螺杆机在压力比非常大的工况下仍然能够保持较高的容积效率。例如单级活塞机冷凝压力与蒸发压力之比等于8的容积效率大约与单级螺杆机冷凝压力与蒸发压力比等于20的容积效率相似;若单级活塞机冷凝压力与蒸发压力比为20时,其容积效率几乎接近零。根据热力学压缩机容积效率的理论,当压缩机容积效率太小或接近于零时,不但制冷系数与制冷效果急剧下降,而且压缩机的排气温度会急剧上升而引起一些弊端,此时压缩机无疑是做虚功而根本无法制冷。

相比之下,由于螺杆机既无活塞进排气阀所造成的吸气与排气阻力损耗、又无活塞机那样明显的由压缩余隙所造成容积效率的损失。

因而螺杆机用于低蒸发温度制冷系统时(即制冷系统冷凝压力与蒸发压力之比较大时) ,不会发生活塞机那样容积效率与制冷效果急剧下降而排气温度急剧上升的现象。如以二次进气螺杆机用于氨负压运行制冷系统,仅加一个经济器(热交换器)其容积效率及制冷量就可大幅度提高而节能。当蒸发温度降低至- 50 ,其排气温度虽低但也无影响。

2.螺杆机排气温度低与湿压缩工况的探讨

螺杆机排气温度低的原因除了上述因其容积效率普遍高外,还因其设有特殊的喷油系统与油冷却水系统。在压缩过程中,螺杆机喷油系统向其阴阳转子形成的压缩腔密封面不断喷入经过水冷却的冷冻机油。喷入冷冻机油对压缩过程不仅起到有效密封与润滑及消除噪声的作用,而且还起到了带走热量和磨屑等脏物的作用,因而螺杆机在整个压缩过程就能够达到接近等温压缩过程。根据热力学理论,相同工质绝热压缩达到终点压力的温度高于等温压缩达到相同终点压力的温度,因而螺杆机排气温度比活塞机低得多,一般只有90左右。

另外,由于螺杆机运行压缩不会因回气中夹带少量制冷剂液体和机油而发生液击危险;为了提高制冷效果,可适当增加蒸发器供液量,从而防止回气过热也可大大降低排气温度。这里特别指出的是根据热力学逆卡诺循环的理论,为了极大地提高制冷系数,必须设法控制制冷循环的四个过程各自尽量接近*高理想的逆卡诺循环四个相对应的过程;因而必须要求压缩过程能够完全控制在湿蒸气区域内进行。才能接着下一个循环也能控制在湿蒸气区域内进行等温等压冷凝过程。但是这种回气中带有液体的湿压缩在活塞机运行时必须加以防止,以避免发生液击危险。这里值得特别探讨的是由于螺杆机具有上述抗液击危险的能力,相信经过深入探索研究和开发,也许人们终将设法达到螺杆机压缩过程能够部分乃至完全控制在湿蒸气区域内进行,使其压缩过程可望能接近乃至超过逆卡诺循环绝热压缩过程;另外如上述螺杆机整个压缩过程能够达到接近等温压缩过程共同相互的作用,因而螺杆机在湿蒸气区域内进行湿压缩的温熵图大概如图2所示。图3为逆卡诺循环温熵图,二者图形相比除上下二边基本相同而左右二边有所不同,但二者图形所包围的面积相差无几,因而其制冷系数可望能够非常接近逆卡诺循环而获得极大提高。

3、螺杆机负压运行时,可避免外界空气从其轴封窜入制冷系统。

活塞机制冷系统负压运行时,其回气压力低于外界空气压力,曲轴箱及其轴封形成负压。

由于外界空气压力比曲轴箱及其轴封压力高,特别是当轴封密封性能不良与曲轴箱负压太大时,外界空气就可能从其转动的轴封窜入制冷系统。如果外界空气及空气中水分窜入制冷系统,不但使制冷效果下降、耗能增加,而且混入的水分还会造成制冷系统发生冰堵和化学腐蚀等弊端;因而必须频繁地排除混入制冷系统的空气及水分。螺杆机轴封油压一般比压缩机排气压力高0. 3MPa左右。当螺杆机制冷系统负压运行时,由于螺杆机轴封压力比外界空气压力高,就可防止外界空气从其转动的轴封窜入制冷系统。如果制冷系统阀杆等其他部位能够保持其密封不漏,就可完全避免外界空气窜入制冷系统。

4、根据实际考虑是否采用螺杆机双级压缩或经济器。

根据有关文献及上述对螺杆机氨制冷系统负压运行工况分析,单级螺杆机氨制冷系统的蒸发温度*低能够达到- 40 ,并且可使制冷系统大为简化,节省设备投资及管理费用。螺杆机双级压缩氨制冷系统用于负压运行时,虽然具有一定的节能优越性,但却使制冷系统复杂化且须增加设备投资和管理费用;因而需要综合分析,根据实际情况考虑是否采用螺杆机双级压缩或经济器(二次进气螺杆式制冷压缩机)。

5、研究开发应用螺杆机氨制冷系统负压运行及其湿压缩意义重大而深远。

由于HCFC与CFC在全球范围内已逐步被禁用,世界许多国家都在再次深入研究开发各种氨制冷系统应用的前景。特别是随着我国加入WTO形势的发展,知识经济全球化势不可挡,世界各国互相依赖互相竞争越来越激烈。

为了提高我国食品冷藏制冷行业的竞争力,形势发展迫使我国食品冻结物冷藏间的温度必须从原来常用- 18降低到- 25以下,相应地氨的蒸发温度必须从原来常用- 28降低到- 35以下,而氨的绝对蒸发压力则从原来常用0. 1315MPa降低到0. 0932MPa以下(负压) ;急冻间的温度也必须从原来常用- 23降低到- 30以下,相应地氨的蒸发温度必须从原来常用- 33相应地降低到- 40以下,而氨的绝对蒸发压力则从原来常用0. 1030MPa降低到0. 0717MPa(负压)以下。因此我国食品冷藏制冷行业亦必须迅猛地发展,千方百计地在科技创新方面寻求突破口;同时还必须对我国现有冷库及制冷系统设备进行必要的技术改造与技术革新,否则就会在全球化激烈竞争中败下阵来。由于螺杆机氨制冷系统能够负压运行及抗液击危险的能力等独特的优越性,不但能够满足许多冷冻加工生产要求扩大制冷温度较低的范围,而且可以取得广泛而巨大的社会经济效益。鉴于目前制冷技术尚未取得重大的突破,在跨入新世纪很长的时期内,深入研究开发应用螺杆机氨制冷系统负压运行及其湿压缩以满足许多生产工艺要求扩大制冷温度较低的温度,其意义无疑是十分重大而深远的。

 
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