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热虹吸油冷却系统安装篇

  第9卷 第6期 2009年12月 制冷与空调 REF RIG ERA TIO N AN D A IR CO NDI T ION IN G 13-17 热虹吸油冷却系统 : 系统安装篇 李军 ( 武汉新世界制冷工业有限公司) 摘 要 从热虹吸油冷却系统的正确安装方式入手 , 结合实践经验 , 剖析十几种常见的错 误安装方式 , 并分 析热虹吸油冷却系统对制冷系统的负面影响 , 最后给出大型热 虹吸油冷却 系统的安 装建议 , 进一步提 高热 虹吸油冷却系统的整体应用水平 。 关键词 热虹吸 ; 油冷却 ; 螺杆式制冷压缩机 The installation of the thermosiphon oil cooling system Li Jun ( Wuhan New Wo rld Refrigerat ion Indust rial Co . , Lt d . ) ABSTRACT T hrough pro per inst allatio n me thod as w ell as practical ex perience , analyze s dozens o f usual improper installatio n met hod o f thermosiphon oil coo li ng sy st em . Fur thermo re , t hrough t he analy sis of t herm osipho n oil coo li ng sy stem s neg ative i nfectio n t o ref ri geration sy st em , puts f orw ard the suggestio n of i nstalling go od-sized thermo siphon oil cooling sy stem t o improve the t ot al level of apply ing t he thermo siphon oil cooling system . KEY WORDS t herm osipho n ; oi l cooling ; screw ref rigeratio n com presso r 1 热虹吸油冷却系统正确安装的 8 条原则 热虹吸油冷却系统的设计应遵循以下 8 条设 计原则 : 1)热虹吸贮液器的位置应尽量靠近机组 , 而 且热虹吸贮液器中的液面应高于油冷却器中心线 m , 以克服管路中的压力损失( 对氨系统而 言) 。 2)卧式冷凝器应高于热虹吸 贮液器 0 . 5~ 1 m; 蒸发式冷凝器出液口一般应高于热虹吸贮液器 2m。 3)油冷回 气管必须 垂直向上 并翻过回 气总 管 , 然后向下与回气总管连接 , 中间不允许转弯 。 4)回气总管必须 有一定坡度( 3 ° ) , 斜向热虹 吸贮液器 。 5)热虹吸贮液器回气至冷凝器接管必须在靠 近冷凝器入口处连接 , 并严格按放大图施工 。 6)出液管及回气管管径不得小于热虹吸油冷 进出管口直径 。 7)出液管最低点应接入热虹吸油冷 , 不要弯 收稿日期 : 2009-02 -16 通信作者 : 李军 , Em ail : lionjun @21cn. com 到地下再翻上来 。 8)热 虹 吸 油 冷却 器 回 气 口 底 部 应 设 置 回 油口 。 如果按以上 8 条原则设计与安装 , 则热虹吸油 冷却系统一般均运行正常 。 否则就可能出现各种 意想不到 的故障 , 导 致油 温偏 高 , 机 组无 法正 常 运行 。 2 热虹吸油冷却系统的几种错误安装方式 2. 1 热虹吸贮液器安装高度不够 在氨系统中 , 一般的合理设计要求热虹吸 贮 液器中的液面应高于油冷却器中心线 m , 以克服管路中的压力损 失 。 安装高 度不足 , 将 造 成重力驱动力不足 。 当然 , 安装高度也不是绝对的 , 它与热虹吸油 冷却器的进出液管 口设计有关 。 进出管口越大 , 液体/ 气液流动阻力越小 , 则安装高度可以越低 。 当管口大到一定程度时 , 再加 大管口就没有意 义 了 。 所以 , 对每一个系统 , 存在一个经济的管口直 径 , 使得综 合效益最佳 。 利用专用软件对不同直 · 14 · 制 冷 与 空 调 第 9卷 图1 热虹吸冷却系统流程图 径管口 、 安装高度进行反复计算 , 可以得出最优的 管口直径 , 请参考厂家产品样本 。 对其他制冷剂的热虹吸油冷却系统 , 如 R22 , R290( 丙烷) 和 R1270( 丙烯 ) , 需要 利用专用软件 具体分析 , 请参考专业厂家建议 。 2. 2 油冷却器回气管安装有误 在《热虹吸油冷却系统 : 数学模型与理论计算 篇》 一文中指出 , 回气管沿程阻力在整个热虹吸 油冷却系统占第 3 位 , 所以油冷却器回气管的正确 设计非常重要 。 回气管常见的错误安装方式有以下几种 : ① 回气管多次拐弯后才连接到回气总管 , 中 间甚至有向下的存液弯 。 在一些 工程中 , 由于土木结构 和房梁结构的 限制 , 回气管多次拐弯后才连接到回气总管 , 中间 甚至有向下的存液弯 。 这种错误安装方式可能造成 回液阻力增加 , 存液弯阻碍了气液混合物的流动 。 ② 多台热虹吸油冷却器的系统中 , 油冷却器 回气管从回气总管底部或侧面插入连接 。 在多台 热虹吸油冷却系统的安装过程中 , 安 装时为图省事 , 直接将 油冷却器回气管从 回气总 管底部或侧面插入连接 , 可省去 2 个弯头 。 但这将 [ 1] 影响靠近热虹吸贮液器的油冷却 器正常工作 , 而 来自远端油冷却器的液体将阻碍近端油冷却器的 回气 , 造成靠近热虹吸贮液器的机组油温偏高 , 甚 至可能无法正常工作 。 ③ 多台热虹吸油冷却器的系统中 , 回气总管 没有坡度 。 气液混合物一旦翻 过回气总管 , 将靠重力 流 入热虹吸贮液器 , 没有坡度的回气总管 , 增加了液 体流动方向的不确定性 , 多台 油冷却器的回气 可 能互相影响 , 其中某台机组可 能会出现油温过 高 的故障 。 为什么要求坡度约为 3° 呢 ? 通过分相流动模 型的计算 , 3° 坡度的气液混合物重力 , 刚好可以克 服气液两相流动的沿程摩擦阻力 。 ④ 多台热虹吸油冷却器的系统中 , 油冷却器 回气管分别从回气总管两端接入 , 从回气总管 中 部连接到热虹吸贮液器 。 参考第 ③ 条 , 由于汇集到回气总管中部出液 , 回气总管可能没有坡度 , 增加 了液体流动方向 的 不确定性 , 多台油冷却器的回气可能互相影响 。 ⑤ 油冷却器回气管直接接入蒸发式冷凝器进 气口 。 第6期 李军 : 热虹吸油冷却系统 : 系统安装篇 · 15 · 国内在 初期采用热虹吸系统时 , 很多工程就 是这么做的 , 系统中没有热虹吸贮液器 , 油冷却器 回气管直接接入蒸发式冷凝器 进气口 , 实 际运行 效果可以说是碰运气 , 有的系统效果还行 , 有的系 统到夏天基本无法 正常运行 。 所 以 , 后来 才有了 热虹吸贮液器的做法 。 在后来 的实际工程中 , 又有人 尝试取消热虹 吸贮液器的可行性 , 试 验在油冷却器回气 管与回 气至蒸发式冷凝器的管道中加 1 根联通管 , 中间接 1 只截止阀 。 系统运转时 , 打开截止阀 , 想让回气 直接进入蒸发式冷 凝器进口 。 通 过实际运转 , 认 为效果还可以 。 所以 , 以后 的工程中就直 接将油 冷却器回气管接入蒸发式冷凝 器进气口 , 感觉对 运行效果没有什么影响 。 通过《热虹吸油冷却系统 : 数学模型与理论计 [ 1] 算篇》 一文的计算 , 热虹吸油冷却系统中氨液循 环倍率高达 8 倍以上 。 也就是说 , 回气中大量是液 体 , 这么多液体进入蒸发式冷凝器 , 势必侵占蒸发 式冷凝器的换热面 积 , 影响传 热 。 之所以 感觉这 么做对实际运行效果没有什么 影响 , 是因 为现在 大量用户已认识到通过加大蒸发式冷凝器来降低 冷凝温度 , 从而减少螺 杆式制冷压缩机功 耗的重 要性 , 一般 蒸发式冷凝器的余 量较大 。 假 设设计 的冷凝温度为 36 ℃, 而由于热虹吸油冷却器直接 回气到蒸发式冷凝器 , 实际冷凝温度可能 运行在 37 ~ 40 ℃, 用户同样感觉高压不至于过高 , 系统运 行正常 。 但高压上升 , 机组功耗增加是肯定的 。 另外 , 直接回气到蒸发式冷凝器中 , 气液混合 静液柱高度及沿程阻力也加大 , 这将降低 循环倍 率 , 影响油 冷却器换热效果 。 回气到蒸发 式冷凝 器入口时 , 与排气混合 , 部分液体 汽化 , 降 低了排 气温度 , 这也将削弱蒸发式冷凝器的换热效果 。 可见 , 增加热虹吸贮液 器是标准 的 、规范 的 、 节能的做法 。 2. 3 油冷却器进液管过长 油冷却器进液管不正确的安装方式有以下几种 : ① 为使机房布置整洁 , 油冷却器进液管下到 地下 , 到机组旁边再从地下翻上来 , 与油冷却器入 口连接 。 通过《热虹吸油冷却系统 : 数学模型与理论计 [ 1] 算篇》 一文的计算 , 油冷却器进液管沿程流动阻 力占总阻力的 35 % 左右 , 所以进液管不宜太长 、拐 弯太多 , 否则制冷剂循环倍率降低 , 油冷却器换热 能力下降 。 油冷却器进液管中 不可避免存在油 , 油与 制 冷剂的黏度相差 2 个数量级 。 如果进液管有存液 弯 , 势必影响制冷 剂流动 。 特 别是当停机时间 较 长时 , 存 液弯内 油的 浓度 升高 , 油与 氨在 管内 分 层 , 可能阻碍制冷剂循环 。 ② 由于下液总管较长 , 为方便接管 , 用下液总 管连接到机组旁 , 再分几路到各机组 。 每一台油冷却器的下液管直接从热虹吸贮液 器出液管连接的目的 , 是为了 避免各路液管的 相 互影响 。 用总管接到机组旁再分 , 可能出现干扰 , 造成供液分配不均 。 如果合理加大供液 总管直径 , 保证供液总 管 直径足够 , 这样设 计也并非不可 。 设计要点一 是 要保证 总管通 流面积 不小于 各支管 流通 面积 之 和 , 二是要注意分支变径管的使用 , 一般可采用偏 心异径管 , 避免采用同心异径管( 见图 2) , 以免油 沉积在底部无法排出 , 影响制冷剂流动 。 图 2 总管与支管连接图 2. 4 热虹吸贮液器回气管距蒸发式冷凝 器进口 较远 热虹吸贮液器回气到蒸发式冷凝器进口的回 气管的不正确安装方式有以下几种 : ① 为方便连接 , 回气管直接接到机组排气阀 后的排气管上 。 ② 系统中有多台蒸发式冷凝器 , 排气总管分 支进入各蒸发式冷凝器 , 为简化连接 , 回气管接到 排气总管上 。 这 2 种错误的安装方式类似 。 由于排气总管 的压力最高 , 回气管距机组越近 , 则回气受到排气 的阻碍越大 , 回气越不畅通 。 回气不畅通 , 将影响 到油冷却器回气 、 蒸发式冷凝器下液 。 ③ 回气管与排气总管的连接未严格按放大图 施工 , 或插入时缺口方向装反 。 回气管与总管连接 , 顺着流动方向开坡口 , 其 目的是使排气具有引流作用 , 引导回气畅通 。 2. 5 未设置回油口或回油口位置有误 ① 未设置回油口 。 · 16 · 制 冷 与 空 调 第 9卷 油比氨重 , 必然沉积在容 器 、管路 底部 , 所以 必须设置回油口 。 为方便管路及容器维护 、检修 , 也必须设置回油口 。 需要注意的是 , 设置回油口而不是放油口 , 回 收油而不是排放油 。 回油口连接到压缩机吸气过 滤器之前 , 定期回油到压缩机 。 ② 回油口位置有误 。 在热虹吸油冷却器回气口底部设置回 油口 , 而不是在进液口或进液管路上 。 因为回气口在油 冷却器顶部 , 液体流动方向是从进口到出口 , 所以 油会大量积存在油冷却器回气 口底部 , 在 此设置 回油口最合适 。 2. 6 未设置安全防护措施 在热虹 吸油冷却系统中 , 如果 未采取安全防 护措施 , 将存在一个重大的安全隐患 。 在设备维修期间 , 将关闭各进出口阀门 , 包括 油冷却器进出口阀门 。 一旦开机前未开启油冷却 器进出口阀门 , 机组运行后油温升高 , 管内氨液蒸 发 。 氨液蒸发后 体积将膨胀上千 倍 , 由于 进出口 阀门关闭 , 压力将急剧升高 , 极有可能产生“ 液爆” 安全事故 。 即使不开机 , 随着气温的升高 , 也可能 产生“ 液爆” 事故 。 因此 , 在两端有截止阀的液管 上必须设置安 全防护措施 , 最简单的是安装 安全阀 。 这 里采取 的是增加单向阀 、 旁通截止阀 , 如图 1 所示 。 当阀 门没有开启时 , 如果氨液温 度升高 , 压 力升高 , 则 可通过单向阀泄压 , 避免产生安全事故 。 3 热虹吸油冷却系统对制冷系统的负面影响 及 其处理措施 在热虹吸油冷却系 统的实际运行中 , 笔者 发 现了热虹吸油冷却系统对制冷系统的负面影响 。 在制冷系统设计中 , 一般冷凝器留有余量 , 特 别是蒸发式冷凝器系统中 , 蒸发 冷的余量可能 较 大 。 此时 , 冷凝下液一般都有 2 ~ 3 ℃的过冷度 。 在热虹吸贮液器中 , 由于油冷却 器回气的温度 高 于冷凝温度 , 因此 , 整个热虹吸贮液器的温度实际 上高于冷凝温度 , 用手摸其外表面是热的 。 于是 , 冷凝下液的过冷度在这里被过热气体 “ 吃 ” 掉了 。 众所周知 , 液体过冷对制冷系统有利 , 而溢流到高 压贮液器的制冷剂液体已不再过冷 。 这就是热虹 吸油冷却系统对制冷系统的负面影响 。 热虹吸贮液 器的设计可减小这种负面影响 , 限于篇幅 , 本文不再阐述 。 对于大型热虹吸油 冷却系统 , 如何消除这 种 负面影响呢 ? 大型热虹吸油冷却 系统一般有多台机组 、多 台蒸发式冷凝器 , 可选择其中 1 ~ 2 台蒸发式冷凝 器 , 专用于冷却油冷却器 , 见图 3 。 图 3 大型热虹吸油冷却系统的安装方式 具体做法是 , 选择多台蒸发式冷凝器中的 1 ~ 2 台 , 组成闭式热虹吸循环 , 专用于冷却油冷却器 。 其余蒸发式冷凝器按正常方式 连接 , 仅用 于液化 压缩机排气 , 并直接下液到高压贮液器 。 这样设计的优点是 : ① 热虹吸油 冷却系统是一个 单独的闭式 循 环 , 与制冷系统分开 , 不影响冷凝液 体过冷度 , 不 影响制冷量 。 ② 热虹吸贮 液器的进液接管 直径可大大 缩 小 , 与油冷却器负荷之和匹配即可 。 第6期 李军 : 热虹吸油冷却系统 : 系统安装篇 · 17 · ③ 压缩机排气不会阻碍热虹吸贮液器回气 , 不影响热虹吸油冷却系统的效果 。 ④ 排气中所含的微量润滑油不会进入 、沉积 到热虹吸系统中 , 热虹吸系统无须定期回油 , 效果 常年保持不变 。 ⑤ 由于氨液中不含油 , 故管内氨侧污垢系数 大大降低 , 油 冷却器 传热 系数 大大 提高 , 通过 计 算 , 管外总传热系数可提高 20 %左右 。 ⑥ 除热虹吸油冷却系统专用蒸发式冷凝器以 外 , 系统中其余蒸发式 冷凝器的安装高度 可以大 大降低 , 减少安装材料消耗及安装工程量 。 可见 , 这种安装方式有百利而无一害 。 但是 , 设计该系统时一定要注意选择合适数量的蒸发式 冷凝器为热虹吸系统专用 , 而这个比例一 般设计 者很难把握 。 实 际上 , 热虹 吸油冷却器只 是一个 负荷的传递者 , 它将负荷带到冷凝器中 , 故只要知 道油冷却器负荷占总冷凝负荷 的百分比 , 就可以 将相应百分比例的蒸发式冷凝器分配到热虹吸油 冷却专用 。 图 4 显示了单级螺杆式氨压缩机组中 , 油冷负 荷占冷凝负荷比例的曲线 显示了螺杆式 双级压缩系统中 , 高低 压级油冷总负荷占 冷凝负 荷比例的曲线图 。 所有计算结果来自 CoolScrew 螺杆 式机组 、系统设计 、分析软件 。 根据该 比例 , 即可知道选取多少比例台数的蒸发式冷凝器专用 于热虹吸系统 。 由于油冷负荷与实际油温 、排温 、 水温 、 换热面积 、 压差供油与强制供油等多种因素 有关 , 所以 , 该曲 线仅表达一般规 律 , 但指 导工程 应用已足够精确了 。 图 5 螺杆式双级氨 压缩系 统高 、低压级 油冷负 荷占 冷凝负荷百分比 要的接口 , 如溢流 、平 衡等管口 , 或直接要求厂 家 不开这些管口 。 同时 , 筒体底部也无需集油包 , 进 液管口也可缩小 。 这些措施可减少系统泄漏点 。 ② 热虹吸油冷却系统是一个独立的系统 , 要 单独定压 、 吹扫 、排污 、 抽真空 。 ③ 热虹吸贮液器使用前必须单独充注氨 , 充 注量稍多一点也无碍 。 4 结论 由热虹吸油冷却系统的数学模型实现理论计 算以后 , 能够指导热虹吸油冷 却系统中的管路 设 计和安装设计 。 笔者给出了热虹吸油冷却系统的 8 条设计与 安装原则 , 如遵循这些原则 , 则热虹吸系统一般均 运行正常 , 否则可能出现各种意想不到的故障 , 导 致油温偏高 , 机组无法正常运行 。 另外 , 笔者还列 举了十几种实际工程中常见的错 误 , 并从原理 上 给予了解释 , 能够很好地指导工程实践 。 最后 , 笔 者阐述了热虹吸油冷却系统对制冷系统的负面影 响 , 并给出了大型热虹吸油冷却系统的安装建议 , 给出了设计原则 , 这将进一步 提高热虹吸油冷 却 系统的整体应用水平 。 参考文献 [ 1] 李军 . 热虹吸油冷却系统 : 数学模型与理论计算 篇 . 制 冷与空调 , 2009 , 9( 5) : 25-28 . [ 2] 李军 . 热 虹吸 油冷 却系 统的 设计 与 分析 . 制 冷 与空 图 4 单级螺杆式氨压 缩机组 油冷负 荷占冷 凝负荷 百 分比 调 , 2001 , 1( 6) : 39-44 . [ 3] 景思睿 . 流体力学 . 西安交通大学出版社 , 2001 . [ 4] 程尚模 . 传热学 . 北京 : 高等教育出版社 , 1990 . [ 5] 林宗虎 . 气液两相 流和沸腾 传热 . 西安 交通大 学出版 社 , 2003 . 这种系统在安装与调试时要注意 : ① 安装前用盲法兰封闭热虹吸贮液器上不需