氨制冷系统冷凝器选择

张宇

摘      要：常用的冷凝器类型有空气冷却式冷凝器、水冷式冷凝器、蒸发式冷凝器3种。首先介绍了氨制冷系统的原理及组成，然后分别介绍了3种型式的冷凝器的特点及应用条件，之后计算和分析了这3种冷凝器的能耗、占地面积和投资，提出氨制冷系统中水冷式冷凝器和蒸发式冷凝器的优缺点。最后根据现场调研、用户反馈及工作经验分析，得出针对特定装置及用户需求的最佳的冷凝器类型选择的建议。

关  键  词：氨制系统;冷凝器;对比分析;方案比选

中图分类号：TQ052       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）11-2584-04

Selection of Condenser for Ammonia Refrigeration System

ZHANG Yu

（CNPC Northeast Refining & Chemical Engineering Co.， Ltd.， Shenyang Company， Shenyang 110167， China）

Abstract： Common condenser types include air-cooled condenser， water-cooled condenser and evaporative condenser. In this paper， the principle and composition of ammonia refrigeration system were introduced， and then characteristics and application conditions of the three types of condensers were discussed. Through calculation and analysis of energy consumption， floor area and investment， the advantages and disadvantages of water-cooled condenser and evaporative condenser in ammonia refrigeration system were obtained. Finally， according to the field investigation， user feedback and work experience analysis， the best condenser type selection suggestions for specific device and user demand were put forward.

Key words： Ammonia system; Condenser; Comparative analysis; Scheme comparison

氨制冷系统广泛应用于石油化工领域，如苯乙烯装置、化肥装置、酮苯装置等。冷凝器是氨制冷系统非常重要的工艺设备，此设备的选择是否合理将直接影响整个系统的运行、项目的投资及水电的消耗。目前在石油化工领域广泛采用的冷凝器有空气冷却式冷凝器、水冷式冷凝器和蒸发式冷凝器。本文分析了3种冷凝器的特点及应用范围，并以某化工厂苯乙烯装置中氨制冷系统中冷凝器为例，通过能耗、投资及占地面积对比分析来探讨冷凝器的选择。

1  氨制冷系统的组成及原理

1.1  氨制冷系统的组成

氨压缩制冷系统主要由氨压缩机、冷凝器、蒸发器管（蒸发排管）、氨液分离器、氨油分离器、贮液器、空气分离器、集油器、节流阀、经济器（根据不同工况选配，提高效率）、稀油站（根据电机功率不同选配，电机功率大于1 120 kW需要设置，保护电机及轴承）等组成[1]，图1为典型氨制冷压缩机PID。

1.2  氨制冷系统工作原理

氨制冷压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器是氨制冷系统中的最基本的部分，同时也是核心单元，制冷系统如图2所示。以上4个基本设备通过工艺管道将它们连接起来构成一个密闭的循环系统，通过氨在系统中不断地循环流动，与外界冷、热媒介的热交换从而发生物性的变化来完成制冷过程。具体过程如下：液态氨在蒸发器中与热媒发生热量交换后气化，汽化后经过制冷压缩机压缩后压力与温度均升高，压缩后的氨气经过与冷凝器中的冷媒热交换后由高温高压的氨气变为高压的氨液。经调节阀节流后将高压氨液转换为低温低压的氨液，之后经过蒸发器吸热气化，以实现整个循环制冷的过程，以上过程就是氨制冷的一个循环过程[2-4]。

2  冷凝器的类型

冷凝器在制冷系统中主要分为空气冷却式冷凝器、水冷式冷凝器和蒸发式冷凝器。

2.1  空气冷却式冷凝器

空气冷却式冷凝器也就是常说的干空冷，具有结构简单、操作简便、不使用冷却水及批量生产价格低等优点，多用于缺水、水质差、补水不方便的地区。但是由于受外界环境温度影响较大，稳定性不如水冷冷凝器及蒸发式冷凝器，图3为某装置中的空冷式冷凝器。在滿足工艺条件情况下，对于装置年运行时间较长时，在综合运行费用上要低于水冷系统。

2.2  水冷式冷凝器

目前在石油化工领域广泛采用的水冷式冷凝器型式主要有管壳式水冷型冷凝器和管板式水冷型冷凝器，其中管壳式冷凝器又分为立式和卧式2种。这2种水冷式冷凝器主要由以下2个不同点：一是安装方式的不同，一个立式安装，一个卧式安装;另外一个是立式水冷式冷凝器中冷却水是靠重力沿换热管向下流动，只能是单行程，因此要想达到冷却效果就需要足够大的传热系数，需要耗费大量的冷却水，而卧式水冷式冷凝器是靠动力源水泵给冷却水升压后进入到换热管中，因此可制作成多行程冷凝器，同时相比于立式水冷式冷凝器冷却水的流速更大、温升更高、冷却效果更好。因此相比立式水冷式冷凝器，卧式水冷式冷凝器就大大降低了冷却水的耗量，这也是两者最重要的区别。由于立式水冷式冷凝器耗水量大，目前在石油化工领域已经很少使用了，已经逐步被卧式水冷式冷凝器取代。图4为卧式水冷式管壳式冷凝器。由于冷却水受外界环境影响较小，因此水冷式冷凝器的冷却效果稳定，但是相比空冷式冷凝器，由于需配套水泵和冷却水塔结构较为复杂，多用于水资源丰富，对于冷却稳定性要求较高的场所，尤其在环境温度较高时相比空冷式优势明显。若管理得当，当冷却水的补水量低于3%时，综合运行费用要低于空冷系统，这对于管理要求较高。

2.3  蒸发式冷凝器

蒸发式冷凝器兼有空冷式冷凝器和水冷式冷凝器的特点，主要由空冷系统和水冷系统两部分组成，图5为蒸发式冷凝器外形图。

在换热效果上，蒸发式冷凝器要强于空冷式冷凝器，由于蒸发式冷凝器采用空气和水共同作用来冷却，在节水上要强于水冷式冷凝器，同时由于用冷却水量的减少，水泵的能耗也相应降低，同时冷却水塔的尺寸也相应降低。目前蒸发式冷凝器在大型的合成氨系统中应用广泛。

3  方案比选分析

针对某化工厂苯乙烯装置中制冷量2 500 kW氨制冷系统中的冷凝器，分别从能耗、占地面积、投资3个方面进行比较。由于氨有毒、有刺激性、强腐蚀性的特点， 一旦制冷剂出现泄漏，直接就进入空气中，这是不允许的，因此排除了空冷式冷凝器，下文仅针对水冷式冷凝器和蒸发式冷凝器进行分析。

3.1  能耗分析比较

3.1.1蒸发式冷凝器能耗计算

1）风机功率计算公式如下：

。           （1）

式中：Nf—单位冷凝负荷的风机功率，W·kW-1;

pf—风机风压，Pa;

LD—相应于单位冷凝负荷的风机功率，m3·（s·kW）-1。

2）水泵功率计算公式如下：

。           （2）

式中： Ns—单位冷凝负荷水泵功率，W·kW-1;

9.8—重力加速度;

gs—单位冷凝负荷的水流量，kg·（s·kW）-1;

HZ—水泵的扬程，m。

3.1.2  水冷式冷凝器的能耗计算

1）水泵的能耗。下式可用于水冷式冷凝器负荷计算：

。         （3）

式中：Gk—冷凝负荷，kW;

Gw—冷却水流量，kg·s-1;

Cw—水的比热容 4.19 kJ·（kg·℃）-1;

Δtw—冷凝器进出口冷却水温差，立式冷凝器取2～3 ℃，

卧式冷凝器取4～6 ℃。

根据公式（3）可以得出在以水冷作为冷凝介质时的单位冷凝负荷的计算公式如下：

。       （4）

2）冷却塔用风机能耗计算。冷却水塔的制造厂商在计算能耗并选用电机时是根据特定的工况下来选用的，按照工程实践电机功率的选择要满足规定要求的110%来选用，因此可根据冷却水量用来与电机功率的关系推导得出在单位冷凝负荷下冷却水塔用风机具体能耗值，如下式[7]：

。             （5）

式中： —冷却塔风机功率与水流量比。

根据上面的公式计算得到具体能耗值如表1所示。根据计算结果可知，立式水冷冷凝器的水量消耗、水泵功率和风机功率最高，卧式水冷冷凝器次之，蒸发式冷凝器最佳。因此，从能耗角度来讲蒸发式冷凝器为最佳方案。

3.2  占地比较

由于蒸发式冷凝器结构复杂，外形尺寸较大，因此占地面积最大，卧式水冷冷凝器次之，立式水冷冷凝器占地面积最小。

3.3  投资比较

通过与厂家询价得出不同类型冷凝器的设备投资如表2所示。由表2可知，蒸发式冷凝器投资最高，立式水冷冷凝器次之，卧式水冷冷凝器投资最低。除设备投资外，设备安装的基础和钢结构投资也占有一部分，由于蒸发式冷凝器外形尺寸大，重量重，同时布置在构架上，在基础和钢结构的投资上交立式水冷冷凝器和卧式水冷冷凝器都要高。

4  结 论

本文首先介绍了氨制冷系统的原理和组成，然后针对空气冷却式冷凝器、水冷式冷凝器及蒸发式冷凝器3种冷凝器的适用工况、优缺点进行分析，之后针对氨制冷系统中冷凝器的选择分别从能耗、占地面积及投资3个方面定量地给出水冷式和蒸发式冷凝器所对应的数值。

从能耗角度来说，蒸发式冷凝器要好于其他两种冷凝器，同时需要注意的是用水量一栏中蒸发式冷凝器的水量只需要一次充注，后期只需要对其消耗进行补充就可以了，而其他两种冷凝器的水量需要连续供给，因此从能耗的角度讲实际使用中蒸发式冷凝器的能耗要优于表中计算值，水的消耗可忽略。从投资角度来讲，虽然蒸发式冷凝器的一次性投资较高，但是由于其能耗较低，若按电量单价  0.5元·（kWh）-1来计算，相比立式水冷冷凝器、卧式水冷冷凝器而言，虽然一次性投资分别高了9万元和16万元，然而只需分别运行4 148 h和110 345 h就可以收回前期一次性多投入的资金。蒸发式冷凝器同时也存在自身的问题，主要有以下2点：首先占地面积比较大，因此对于场地受限的项目就很难选择此种冷却方式;其次就是由于蒸发式冷凝器的水箱属于开式结构，对于北方风沙比较大的地区，检修的时间间隔会大大缩短，同时检修的难度较大。因此，北方地区选用蒸发式冷凝器时需要考虑检修问题[5]。

卧式水冷冷凝器的能耗和投资均优于立式水冷冷凝器，而其缺点在于清洗困难，尤其对于一些水质较差的地区结垢现象严重，这样将严重影响冷却效率，因此在选择时要注意水质问题[6]。而立式水冷式冷凝器由于能耗较高，现在在工程实践中已经很少采用了，但是如果是将自然界中的水如江、河、湖、海中的水直接用于冷却系统，那么立式水冷式冷凝器具有一定的优势[7-9]。

根據上述分析，在选择冷凝器型式时还要根据具体情况从能耗、占地面积、投资（投资既要考虑一次投资，同时又要兼顾综合性经济效益）进行分析，这样选择的冷凝器才能最适合，达到效益最高。

参考文献：

[1]沈学明. 重新评价氨制冷剂在制冷空调领域的应用[J]. 制冷与空调，2002（3）：22-25.

[2]金文.制冷技术[M]：北京：机械工业出版社，2009.

[3]郑贤德.制冷原理与装置[M]：北京：机械工业出版社，2006.

[4]程有凯，常琳，张文虎，等. 两级压缩与复叠式制冷方式的比较[J]. 制冷与空调，2004（3）：66-69.

[5]唐伟杰，张旭. 蒸发式冷凝器的换热模型与解析解[J]. 同济大学学报（自然科学版），2005（7）：942-946.

[6]唐棣，汪震.益美高ATC型蒸发式冷凝器的节能应用[J].上海节能，2014（9）：26-30.

[7] 庄友明.蒸发式冷凝器和水冷式冷凝器的能耗比较及经济性分析[J].制冷，2001）（3）：48-51.

[8]迟青. 制冷装置冷凝器经济型式的选择[J]. 制冷技术，1985（2）：35-40.

[9]丁启明.蒸发式冷凝器在矿井冻结工程中的应用[J]. 水力采煤与管道运输，2009（2）： 43-45.