技术探讨：制冷设备中液泵增效是否可行？（过冷度获得法）

    

    本期，我们继续来探讨下制冷设备液泵增效是否可行？接上期（ 技术探讨：制冷设备中液泵增效是否可行？（冷凝的真相） ），我们先将来分享过冷度获得的两个方法。

过冷度获得的可能方法

  

1、为什么需要过冷度？

过冷度的定义：液体压力对应的饱和温度与液体的实际温度的差值，即 Δ t _sc =t _s (P)-t _L 。

在制冷机中，使从冷凝器出来的液体带有过冷度是有益的。其显而易见的好处是增大制冷量、提升机组能效、抵消液体管路压降从而避免 EXV 阀前闪发、减小蒸发器入口干度。所以制冷机中从冷凝器出来的液体，带有一定的过冷度是必需的。

现在又产生了一个问题：究竟多大的过冷度是合适的？很大的过冷度值得追求吗？

但是，在 ORC 发电机中，从冷凝器出来的过冷度是有害的，应尽量避免。

2、获得过冷度的两种方法

通过仔细地推敲过冷度的定义，获得液体过冷度可以有两种方法： 降温法和升压法。

最常用的一种方法是降温法：

即冷却冷凝液体，使液体的温度低于液体压力对应的饱和温度。降温既可以利用机组本身的冷却水进水温度（本文命名为冷却水法），也可以采用经济器（经济器法）、或外部附加冷源（外部冷源法）来实现。由于经济器法和外部冷源法都是串联一个单独的过冷器，本报告只讨论过冷区与冷凝区集成在冷凝器中的冷却水法。

我们要意识到，集成在冷凝器中的冷却水法只能获得中等程度的过冷度，不要期望获得太大的过冷度，否则既不能实现也不经济。 笔者推断，冷却水法可能获得的最大过冷度等于 (T _sat –(t _i +1)) ，这就是所谓中等程度过冷的上限。对于水冷冷凝器，其最大可能过冷度为 7 ℃。 根据笔者的经验，采用冷却水法一般能做到或者只需做到 2 倍自然过冷度就行了，即：水冷冷凝器 3~5 ℃。

但是还有另外一种不太常用的方法，称为升压法：

即通过升高液体的压力从而使其对应压力的饱和温度高于液体温度的实际温度，从而也类似地使冷凝液体获得过冷度。

可以用 R134a 压焓图来说明这两种获得过冷度方法的原理，如图 3 所示：

图 3 中的水平粗红线表示降温法获得液体过冷度，朝右上倾斜的粗蓝线表示升压法来获得液体过冷度。

升压法获得过冷度的显而易见的用途是：

给一个液体泵提供汽蚀余量 NPSH, 或为缓冲罐或为储存罐冷却一种产品。

升压法的评价

  

1、升压法原理

升压法获得过冷的原理很简单，就是在冷凝器出口增加一个制冷剂液体泵，提升制冷剂液体的压力，如图 4 所示。

很明显，提升液体压力需要增加泵的功耗，此点可能使得升压法得不偿失。 7.0 节中展望了一种利用节流膨胀功来实现免费升压的方法，从而有望完全免除液体泵的功率增加，值得持续进行设计上的关注。

需要提醒的是，如果液体泵使用离心泵，因为泵前必需一定的汽蚀余量（ NPSH ），所以泵前要有一定的吸入高度，需要在冷凝器中集成创造满足 NPSH 消耗的过冷度。

通过 3.3 节的分析，我们可以发现，升压法消耗的泵功其实是很小的。

2、升压法特性分析

本节定量比较两种方法的液体温度和焓值等特性。

表 6 通过模拟和计算对比了升压法和降温法获得过冷度的特性。表 6 基于以下假设得到：

A． 升压法是从现有 EWRS0200 的包括过冷区和过热区的冷凝器模拟得到的冷凝饱和液体压力开始升压；

B． 为了便于比较，采用升压法获得的过冷度与降温法相同，从而凑出了液体泵的扬程（标黄）。但实际上如果更大扬程的液体泵，可以获得更大的过冷度；

C． 假设液体泵的效率为 0.6 。

从表 6 我们观察到：

A． 随着制冷机压比的增大，液体泵所要求的扬程增大但增大的幅度并不大。液体泵的扬程要求并不高， 200KPA 的泵扬程已经可以涵盖机组宽广的运行范围，或者在机组较低压比时创造较大的过冷度。

B． 液体泵出口液体的焓增和温升都很小，焓增小可预期升压法对制冷量的衰减效应小。

3、升压法的泵功评价

升压法的液体泵的泵功与流量、扬程及泵效率有关。表 7 列出 EWRS0200 机组配用不同效率的液体泵时泵功。

从表 7 可以看出：

A． 升压法时对泵的效率不敏感，这给泵的选择提供了很大的可选范围。

B． 在各种工况和泵效率条件下，泵功相对于压缩机的功率占比不超过 2.1% 。可预期升压法对机组 COP 的衰减效应也很小。

C．  

4、升压法对制冷量的影响评价

根据 表 6 的模拟条件，表 8 列出升压法对制冷量的影响并与降温进行了对比。

观察表 8 ，降温法所获的过冷度使制冷量获得了增大。而升压法的制冷量略有减小，这显示了升压法略有缺点。

5、升压法对机组成本的影响

但是，升压法去掉了昂贵的过冷换热管束（约 80 元 /KW 过冷换热量），可以降低冷凝器的成本。当然，使用液体泵也需要增加液体泵的购买成本。

已知 EWRS0200 的冷凝器的过冷区管束的成本为 2040 元（未计入过冷区的液体制冷剂、过冷盒等成本）。表 9 为几个公司对 20 米扬程 /16 方制冷剂液体泵的初步报价：

表 9 显示出，目前泵的采购成本可能要完全吃掉过冷区管束的成本。单纯从获得过冷的观点来看，升压法与降温法相比并无优势。也许是目前泵的报价偏高，使升压法暂时丧失了经济上的优势？

6、升压法对蒸发器液体分配器适应性的影响分析

从单冷到高温热泵工况压比不断增大，造成蒸汽入口液体的干度 X 也不断增大，如表 10 的列示。

从表 10 可以看出，升压法比降温法的蒸发器入口干度变大，将更加有利于蒸发器液体分配器的均匀分配。

但是，对比两种方法在从单冷到高温热泵的工况变动中，两种方法都会造成蒸发器液体分配器的压降变大，其结果可能造成蒸发温度下降，或者钣金分配器的破裂风险变大。其中，升压法造成分配器的压降更大些，使分配器对宽工况的适应性稍差。

表 10 也提醒蒸发器液体分配器设计者： 不管采用何种过冷度获得方法，都要校核液体分配器对工况变动的适应性，特别是高蒸发器出水温度和 / 或大压比工况下。

7、升压法对全年制冷的气候适应性评价

全年制冷在数据中心、电网变流站或工业应用中经常存在，其特点是全年特别是在冬季都要求制冷机组提供制冷量以消除设备的发热。

全年的冬季制冷时，由于冷凝器冷凝效果好，系统压差比较小，可能使从冷凝器到蒸发器的液体流动不畅（所有压缩机型式）、液冷电机供液冷却不畅（离心压缩机和配液冷电机的螺杆压缩机）、压缩机供油动力不足（螺杆压缩机）。

升压法提供了附加的压力，明显比降温法对全年制冷的气候适应性好。

8、两种方法的定性比较

通过前述的评价分析，我们将降温法和升压法的特性和影响对比项目列于表 11 ，并且对影响项目予以打分。

从两种方法的定性打分初步看来，升压法获得过冷度与降温法相比，具有较大的综合优势。

升压法有望把过冷度的获得从冷凝器功能中分离出来，从而缩小冷凝器的体积，并可能使标准冷凝器与热回收冷凝器设计成一样的结构。