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技術探討：制冷設備中液泵增效是否可行？（過冷度獲得法）
閱讀：419 發(fā)布時間：2022-9-22本期，我們繼續(xù)來探討下制冷設備液泵增效是否可行？接上期（技術探討：制冷設備中液泵增效是否可行？（冷凝的真相）），我們先將來分享過冷度獲得的兩個方法。
過冷度獲得的可能方法
1、為什么需要過冷度？
過冷度的定義：液體壓力對應的飽和溫度與液體的實際溫度的差值，即Δtsc=ts(P)-tL。
在制冷機中，使從冷凝器出來的液體帶有過冷度是有益的。其顯而易見的好處是增大制冷量、提升機組能效、抵消液體管路壓降從而避免EXV閥前閃發(fā)、減小蒸發(fā)器入口干度。所以制冷機中從冷凝器出來的液體，帶有一定的過冷度是必需的。
現(xiàn)在又產(chǎn)生了一個問題：究竟多大的過冷度是合適的？很大的過冷度值得追求嗎？
但是，在ORC發(fā)電機中，從冷凝器出來的過冷度是有害的，應盡量避免。
2、獲得過冷度的兩種方法
通過仔細地推敲過冷度的定義，獲得液體過冷度可以有兩種方法：降溫法和升壓法。
Z常用的一種方法是降溫法：
即冷卻冷凝液體，使液體的溫度低于液體壓力對應的飽和溫度。降溫既可以利用機組本身的冷卻水進水溫度（本文命名為冷卻水法），也可以采用經(jīng)濟器（經(jīng)濟器法）、或外部附加冷源（外部冷源法）來實現(xiàn)。由于經(jīng)濟器法和外部冷源法都是串聯(lián)一個單獨的過冷器，本報告只討論過冷區(qū)與冷凝區(qū)集成在冷凝器中的冷卻水法。
我們要意識到，集成在冷凝器中的冷卻水法只能獲得中等程度的過冷度，不要期望獲得太大的過冷度，否則既不能實現(xiàn)也不經(jīng)濟。筆者推斷，冷卻水法可能獲得的過冷度等于(Tsat–(ti+1))，這就是所謂中等程度過冷的上限。對于水冷冷凝器，其可能過冷度為7℃。根據(jù)筆者的經(jīng)驗，采用冷卻水法一般能做到或者只需做到2倍自然過冷度就行了，即：水冷冷凝器3~5℃。
但是還有另外一種不太常用的方法，稱為升壓法：
即通過升高液體的壓力從而使其對應壓力的飽和溫度高于液體溫度的實際溫度，從而也類似地使冷凝液體獲得過冷度。
可以用R134a壓焓圖來說明這兩種獲得過冷度方法的原理
升壓法獲得過冷度的顯而易見的用途是：
給一個液體泵提供汽蝕余量NPSH,或為緩沖罐或為儲存罐冷卻一種產(chǎn)品。
升壓法的評價
1、升壓法原理
升壓法獲得過冷的原理很簡單，就是在冷凝器出口增加一個制冷劑液體泵，提升制冷劑液體的壓力
很明顯，提升液體壓力需要增加泵的功耗，此點可能使得升壓法得不償失。7.0節(jié)中展望了一種利用節(jié)流膨脹功來實現(xiàn)免費升壓的方法，從而有望*免除液體泵的功率增加，值得持續(xù)進行設計上的關注。
需要提醒的是，如果液體泵使用離心泵，因為泵前必需一定的汽蝕余量（NPSH），所以泵前要有一定的吸入高度，需要在冷凝器中集成創(chuàng)造滿足NPSH消耗的過冷度。
通過3.3節(jié)的分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，升壓法消耗的泵功其實是很小的。
2、升壓法特性分析
本節(jié)定量比較兩種方法的液體溫度和焓值等特性。
表6通過模擬和計算對比了升壓法和降溫法獲得過冷度的特性。表6基于以下假設得到：
A．升壓法是從現(xiàn)有EWRS0200的包括過冷區(qū)和過熱區(qū)的冷凝器模擬得到的冷凝飽和液體壓力開始升壓；
B．為了便于比較，采用升壓法獲得的過冷度與降溫法相同，從而湊出了液體泵的揚程（標黃）。但實際上如果更大揚程的液體泵，可以獲得更大的過冷度；
C．假設液體泵的效率為0.6。
A．隨著制冷機壓比的增大，液體泵所要求的揚程增大但增大的幅度并不大。液體泵的揚程要求并不高，200KPA的泵揚程已經(jīng)可以涵蓋機組寬廣的運行范圍，或者在機組較低壓比時創(chuàng)造較大的過冷度。
B．液體泵出口液體的焓增和溫升都很小，焓增小可預期升壓法對制冷量的衰減效應小。
3、升壓法的泵功評價
升壓法的液體泵的泵功與流量、揚程及泵效率有關。表7列出EWRS0200機組配用不同效率的液體泵時泵功。
A．升壓法時對泵的效率不敏感，這給泵的選擇提供了很大的可選范圍。
B．在各種工況和泵效率條件下，泵功相對于壓縮機的功率占比不超過2.1%。可預期升壓法對機組COP的衰減效應也很小。
4、升壓法對制冷量的影響評價
根據(jù)表6的模擬條件，表8列出升壓法對制冷量的影響并與降溫進行了對比。
降溫法所獲的過冷度使制冷量獲得了增大。而升壓法的制冷量略有減小，這顯示了升壓法略有缺點。
5、升壓法對機組成本的影響
但是，升壓法去掉了昂貴的過冷換熱管束（約80元/KW過冷換熱量），可以降低冷凝器的成本。當然，使用液體泵也需要增加液體泵的購買成本。
已知EWRS0200的冷凝器的過冷區(qū)管束的成本為2040元（未計入過冷區(qū)的液體制冷劑、過冷盒等成本）。表9為幾個公司對20米揚程/16方制冷劑液體泵的初步報價：
目前泵的采購成本可能要*吃掉過冷區(qū)管束的成本。單純從獲得過冷的觀點來看，升壓法與降溫法相比并無優(yōu)勢。也許是目前泵的報價偏高，使升壓法暫時喪失了經(jīng)濟上的優(yōu)勢？
6、升壓法對蒸發(fā)器液體分配器適應性的影響分析
從單冷到高溫熱泵工況壓比不斷增大，造成蒸汽入口液體的干度X也不斷增大，如表10的列示。
可以看出，升壓法比降溫法的蒸發(fā)器入口干度變大，將更加有利于蒸發(fā)器液體分配器的均勻分配。
但是，對比兩種方法在從單冷到高溫熱泵的工況變動中，兩種方法都會造成蒸發(fā)器液體分配器的壓降變大，其結果可能造成蒸發(fā)溫度下降，或者鈑金分配器的破裂風險變大。其中，升壓法造成分配器的壓降更大些，使分配器對寬工況的適應性稍差。
表10也提醒蒸發(fā)器液體分配器設計者：不管采用何種過冷度獲得方法，都要校核液體分配器對工況變動的適應性，特別是高蒸發(fā)器出水溫度和/或大壓比工況下。
7、升壓法對全年制冷的氣候適應性評價
全年制冷在數(shù)據(jù)中心、電網(wǎng)變流站或工業(yè)應用中經(jīng)常存在，其特點是全年特別是在冬季都要求制冷機組提供制冷量以消除設備的發(fā)熱。
全年的冬季制冷時，由于冷凝器冷凝效果好，系統(tǒng)壓差比較小，可能使從冷凝器到蒸發(fā)器的液體流動不暢（所有壓縮機型式）、液冷電機供液冷卻不暢（離心壓縮機和配液冷電機的螺桿壓縮機）、壓縮機供油動力不足（螺桿壓縮機）。
升壓法提供了附加的壓力，明顯比降溫法對全年制冷的氣候適應性好。
8、兩種方法的定性比較
通過前述的評價分析，我們將降溫法和升壓法的特性和影響對比項目列于表11，并且對影響項目予以打分。
從兩種方法的定性打分初步看來，升壓法獲得過冷度與降溫法相比，具有較大的綜合優(yōu)勢。
升壓法有望把過冷度的獲得從冷凝器功能中分離出來，從而縮小冷凝器的體積，并可能使標準冷凝器與熱回收冷凝器設計成一樣的結構。
翅片沖床機是次中重要的部分