浅析低温冷冻系统低负荷热气旁通设计选型

叶强

（丹佛斯(中国)投资有限公司，上海 200030）

在大型低温工业冷冻设备中，设备的能效是系统应用中需要考虑的重要阀门，节能主要是依靠能量调节方式来实现，常规的制冷量调节方式有很多，如机组启停调节、压缩机台数调节、吸气节流调节、压缩机变频调节、输气量调节以及热气旁通调节等。

2019 年，Li 等人针对冷藏冷冻用的压缩－引射制冷循环提出了热气旁通型引射器节流制冷循环，该循环可用于中小型低温制冷循环。

而大型低温冷冻设备，由于对压缩机排量的要求，一般采用螺杆式压缩机，而采用滑阀进行输气量调节是螺杆压缩机最常见的能量调节方式。但由于其自身的结构特点和限制，螺杆压缩机在采用滑阀调节的基础上，能量仅能在大约10%～100%范围内无级调节，然而，在石油、化工以及试验平台等应用中，很多生产工艺对冷负荷的需求具有周期性变化，要求制冷机组能够在0～100%均能调节。

如按照传统的人工操作方式，由现场操作工频繁开启关闭设备来满足此项工艺要求，会容易造成操作不当引起的系统控制不当的风险，还会造成设备的损耗，同时会增加额外的人工成本，而热气旁通自动控制是在采用螺杆压缩机的制冷系统中解决此问题的最佳方案之一。

实际使用过程中，由于现场条件的不同，热气旁通气体往往要旁通到不同位置的设备中，本文将针对各种应用条件一一分析，在理论基础上，结合实际设计经验，指出选型计算过程中应注意的问题。

1 热气旁通阀工作原理

所有热气旁通阀工作于同样的原理。它们随着阀出口压力的下降而打开，在一定范围内从全开状态比例的调节至全关状态，然后按一定速率将高压的热气体输入系统的低压侧,以防止压缩机吸气压力进一步下降。即保证压缩机的吸气量要满足最小容积要求，使压缩机吸气状态维持稳定，能在压缩机限值内的最小回气压力状态下保证系统安全运行。

2 螺杆压缩机热气旁通量计算及热气旁通阀选型

根据热气旁通的原理，螺杆压缩机在滑阀处于最小能量位置(即“0”位)时，压缩机的吸气量要满足滑阀最小能量位对应的输气量要求。基于此理论，可以精确计算需要旁通的热气量，给旁通阀门选型提供理论依据。

根据以上厂家提供的压缩机参数曲线，可以计算得到，在该工况下，压缩机滑阀处于最低能量位置(即“0”位)时，需要的最小理论输气量是满载情况下的9%。

查得该型号压缩机理论输气量Q Suction Volume(m3/h)=3250m3/h，氨制冷剂在该工况下的比体积ν(m3/kg)=0.101m3/kg。

计算得到需要热气旁通条件下，压缩机理论最小吸气口体积流量：

体 积 流 量Qv=Swept Volume(%)×Q Suction Volume(m3/h)=9%×3250=292.5m3/h

按以上方式计算得到的质量流量作为旁通阀选型的条件，采用Danfoss 工业调节阀ICS 阀门，通过cool selector2 软件选型，选择的型号为ICS80。

该阀门配合不同的压力导阀可以起到不同的压力调节作用，热气旁通一般控制的是系统蒸发侧的压力，采用如下的CVC 导阀配合ICS 主阀使用。

图1 ICS 压力调节主阀配置示意图

3 热气旁通在不同制冷系统中的设计方式

在实际的项目应用过程中，根据现场安装条件、供货范围、控制逻辑等等因素的不同，有多种不同的旁通控制方式。

3.1 旁通到系统蒸发器的入口

此种旁通型式在螺杆制冷系统实际使用中最为普遍，系统从螺杆压缩机排气端引入一股过热气体，与节流后的制冷剂液体混合，使得蒸发器入口制冷剂变成饱和或者过热状态，以满足系统的最小换热量要求。这样即使蒸发器没有投入使用，仍然可以保证制冷循环。

3.2 旁通到吸气管道

当系统蒸发器距离压缩机组很远或不属于厂家供货范围，且需要机组能在蒸发器不工作时能维持制冷系统正常运转，此时，一般考虑将制冷剂旁通到压缩机的吸气管道，以简化管道铺设及施工难度。用这种方法能很好的控制吸入压力和回气温度，但需要一路用于过热降温的热力膨胀阀来控制进入吸气管的液体制冷剂流量。此时，必须将旁通的热气、液体制冷剂和蒸发器回气充分混合好，此种需求下做一个回气混合罐可以很好地解决这个问题。

如图2 所示，热气旁通阀组由两路组成，第一路的系统部件与3.1 一致，第二路从系统高压储液器中引来一股制冷剂液体，通过热力膨胀阀节流降压后与第一路旁通的热气在混合罐中混合，使回到压缩机的混合气体稳定在吸气侧允许的压力和温度范围。

图2 热气旁通至吸气口侧系统图

图3 热气旁通至气分侧系统示意图

由于旁通后的回气量由两部分组成，这种情况下，需同时考虑热气旁通的量和储液器供液的量，具体计算方法如下：

假定通过压缩机排气侧旁通的热气量(Qmh kg/h)为压缩机吸气流量(Qm kg/h)的一半，即Qmh=50%·Qm kg/h。

这部分热气经过减压阀减压将压力降至吸气压力，进入混合罐中放热，热量被从储液器侧过来经过节流阀的气液混合物吸收，即Qmh(h1-h2)=(1-x)×Qml(h2-h3)+x×Qml(h2-h4)。

其中，h1 为经过减压阀（吸气压力，排气温度）的热气焓值；h2 为吸气口（吸气压力，吸气温度）的过热气体焓值；x 为经过节流阀的制冷剂干度；h3 为节流阀前（冷凝压力，冷凝温度）的饱和液体焓值；h4 为节流阀后（冷凝压力，冷凝温度）的饱和气体焓值。

根据以上方程，可以计算出从储液器过来的液体的质量流量Qml，然后根据液体流量和阀门前后的热力状态选择膨胀阀。

热气旁通的量加上从储液器过来的液体的量需大于吸气口需要的制冷剂量，即Qmh+Qml ≥Qm kg/h。

如Qmh+Qml ＜Qm，再重新定义旁通热气量Qmh=60%·Qm，采用迭代法以此类推，直到混合气体回气量大于Qm。

根据上述计算出旁通的制冷剂流量，再校核计算相关管道阀门的通径。

3.3 旁通到系统气液分离器

原理：热气旁通蒸发方式是向气液分离器底部通入压缩机排气‚被气液分离器内液体冷却为饱和蒸汽‚同时其显热将底部液体蒸发‚实现液体的回收。

此种方式的原理与3.2 类似，唯一的不同在于将热力膨胀阀改成了液位膨胀阀，通过安装在气液分离器里的液位传感器感知到容器内的制冷剂液位后，输出一个4 ～20mA 信号给液位控制器，调节液位膨胀阀的开度，控制节流液体的流量，此种方式比3.2 采用的机械式热力膨胀阀更精确，气液分离器的最低液位要求保证满足热气旁通的最小换热量即可，计算方法简单，尤其适合用在大流量的制冷系统中。但需要增加额外的设备初始投资等成本。

4 结语

经过对比分析，可得出以下结论：

（1）螺杆压缩机处于最低能量载位时，如需要在更低冷量下运行，在不同的工况下，压缩机所需的最小输气量不一样，此时，需要压缩机厂家给出具体的参数，并结合运行工况去核算此时的实际最低输气量。

（2）如果旁通到压缩机吸气口，需要采用合理的技术手段，保证充分的气液分离空间或者吸气过热度，以防止系统回气带液。

（3）设备在室外条件下运行时，热气旁通管路易受环境影响，应对其进行保温。避免管路内的过热气体向环境散热影响热气旁通阀的功能。

热气旁通阀的正确选型对于设备的稳定运行至关重要，合理的选型意味着可以节约设备的初始投资，降低机组的故障风险，方便现场操作维护。在设计选型时，设计人员要充分考虑运行工况变化、阀门选型方法、项目应用及现场情况的不同，给出最优化方案。