Intercoolers with thermal press for two-stage ammonia refrigeration systems

Full Text

Промежуточные охладители относятся к вспомогательным аппаратам холодильных установок и предназначены для полного (или неполного) охлаждения пара между ступенями сжатия, а также для переохлаждения жидкого хладагента высокого давления в змеевике перед дросселированием. Эти аппараты во многом определяют энергетическую эффективность и эксплуатационную надежность многоступенчатых аммиачных холодильных установок. На промежуточное охлаждение расходуется более четверти (26-32 % в зависимости от режима) всего количества жидкого хладагента, полученного в конденсаторе. Более 90 % нагрузки промежуточных охладителей определяется потоком перегретого пара после сжатия в ступени низкого давления.

Гидравлический удар в аммиачных холодильных установках по-прежнему остается основной причиной аварий (до 75 % от общего их числа). Свыше половины аварий из-за гидравлического удара приходится на ступень высокого давления, т.е. на участок после промежуточного охладителя.

Наиболее распространены промежуточные охладители барботажного типа (промсосуды). Снятие перегрева в них осуществляется в результате барботажа пара, нагнетаемого ступенью низкого давления, через слой жидкого хладагента, имеющего температуру насыщения при промежуточном давлении. Барботаж сопровождается принципиально неустранимыми потерями давления, которые составляют 12...20 кПа при двухпозиционном регулировании уровня в промсосуде [5, 6, 8] и 10...38 кПа при регулировании уровня с помощью ТРВ [1]. Такие значительные потери, которые превышают 10 % рабочего давления в промсосуде, приводят к увеличению расхода электроэнергии на выработку холода. Наличие же большого количества (и высокого уровня) жидкого аммиака в промсосуде усложняет разработку надежных систем регулирования и защиты, а также создание малоемких аммиачных холодильных систем с дозированной заправкой. Кроме того, на практике из-за большой длины трубопровода от змеевика промсосуда до регулирующего вентиля, составляющей десятки метров, эффект переохлаждения жидкого аммиака высокого давления в змеевике оказывается близким к нулю, поскольку в нем при закрытом (обычно в течение 30...40 мин) соленоидном вентиле существенно повышается температура.

Часть названных недостатков можно устранить, если применить испарительное контактное охлаждение высокотемпературного потока путем ввода в него тонкораспыленной жидкости. При этом процесс должен идти с большой скоростью, но так, чтобы не была превышена местная скорость звука в потоке. Пятаком охлаждении получается эффект тепловой компрессии (термогазодинамический эффект). Соответствующий, аппарат получил название термопрессор [2, 5].

Этот аппарат было предложено применять для решения задачи полного охлаждения пара между ступенями сжатия в аммиачной холодильной установке [2-5, 7].

За прошедшие годы накоплен опыт применения таких аппаратов в установках различной производительности, работающих по разнообразным схемам, что позволяет привести в виде обобщения некоторые схемные решения узла промежуточного охлаждения с соответствующими рекомендациями.

По данным автора, в настоящее время в эксплуатации находится свыше 50 различных промежуточных охладителей с использованием термопрессора. Вместе с тем с помощью охладителей такого типа нельзя решать задачу переохлаждения жидкого аммиака высокого давления. По мнению автора, переохлаждение следует проводить в отдельном аппарате, находящемся в непосредственной близости от регулирующего вентиля. 

Наиболее простым по конструкции является узел промежуточного охлаждения для отдельного агрегата двухступенчатого сжатия (рис. 1). В этом случае термопрессор устанавливают внутрь нагнетательного трубопровода перед промсосудом (или непосредственно на входе в него внутри барботажной трубы). Поскольку в соответствии с Правилами техники безопасности запрещен впрыск жидкого хладагента во всасывавший трубопровод компрессора, то в данном случае осуществляют впрыск в нагнетательный трубопровод, до промсосуда, играющего роль отделителя жидкости и работающего в «сухом» режиме. Полное промежуточное охлаждение потока нагнетаемого пара аммиака происходит за тысячные доли секунды и заканчивается в диффузоре аппарата. По сути получен высокоинтенсивный охладитель, с помощью которого можно устранить потери давления, свойственные барботажному способу охлаждения.

Puс. 1. Упрощенная схема узла промежуточного охлаждения с применением термопрессора для отдельного двухступенчатого агрегата: СПД — ступень низкого давления; СВД — ступень высокого давления; ТП — термопрессор; Ф — фильтр; ПС — промсосуд; В — вентиль продувки форсунки; ЛР — линейный ресивер, Кд — конденсатор; Т₀₁ — температура кипения, обеспечиваемая агрегатом

В аппарате происходит незначительное абсолютное поджатие потока при наиболее напряженных режимах работы установки, причем количество впрыскиваемого аммиака по объему на два порядка меньше мертвого объема поршневого компрессора ступени высокого давления. Такой промежуточный охладитель имеет существенно меньшие габаритные размеры и массу, для его размещения не требуется специальное место.

Опыт эксплуатации показал, что весьма вероятно засорение впрыскивающего устройства (форсунки), особенно в самом начале эксплуатации, поскольку диаметр форсунки обычно составляет несколько миллиметров, а удалить посторонние частицы в этой части трубопровода полностью не всегда удается. В связи с этим следует предусмотреть кроме фильтра линию продувки форсунки обратным потоком, соединив линию подачи жидкости со стороной низкого давления. Такое решение позволяет быстро продуть форсунку, не останавливая агрегат. Свидетельством того, что форсунка засорилась, являются возрастание давления (перед ней до давления конденсации, резкое повышение температуры на всасывании компрессора ступени высокого давления и оттаивание наружной поверхности охладителя. После того, как участок трубопровода фильтр - форсунка очистится, засорение больше не проявляется.

На рис. 1-5 буквами PB обозначены по сути два устройства: обычный регулирующий вентиль (ручной или ТРВ) и форсунка, играющая роль распылителя жидкого аммиака, при этом она должна обеспечивать безударное смешение потоков в термопрессоре. Напомним, что форсунку (одну или несколько) устанавливают в начале камеры испарения таким образом, чтобы распыл происходил по направлению охлаждаемого потока. При этом конструктивные решения форсунок и способы их установки могут быть самыми разными. В схеме на рис. 1 и двух последующих (см. рис. 2 и 3) предусмотрена линия сброса жидкого аммиака из нижней части промсосуда на сторону низкого давления с температурой кипения Т₀₁. Узел промежуточного охлаждения (см. рис. 1) можно применять как дополнительное устройство, позволяющее повысить эффективность и безопасность всего агрегата.

На всех схемах, приведенных на рис. 1-5, разводка трубопроводов показана упрощенно, т.е. все стандартные решения по размещению вентилей (запорных, регулирующих, соленоидных, отбора давления на манометры и др.) не нашли полного отражения: показаны лишь те из вентилей, которые либо включены по-особому, либо существенным образом связаны со схемой узла.

При реконструкции компрессорного цеха целесообразно применять схему с общим промсосудом (отделителем жидкости), где применены индивидуальные охладители, устанавливаемые в нагнетательных трубопроводах каждого из компрессоров, образующих в совокупности ступень низкого давления (см. рис. 2).

Рис. 2. Схема с общим промсосудом и индивидуальными охладителями (обозначения см. рис. 1)

Если производительности компрессоров разные, то потребуется установить соответственно разные охладители. Разновидностью такой схемы является схема с общим промсосудом (отделителем жидкости) и общим охладителем (рис. 3).

Рис. 3. Схема с общим промсосудом и общим охладителем (обозначения см. рис. 1)

Можно рекомендовать для трех параллельно установленных однотипных компрессоров применение одного термопрессора, в котором проточная часть общая, а впрыск жидкого аммиака осуществляется соответственно тремя одинаковыми форсунками. При этом трехкратное изменение расхода нагнетаемого пара не приводит к существенному изменению давлений по длине аппарата. Необходимые расходные характеристики по впрыску жидкого аммиака для описанной схемы трех компрессоров при условии обеспечения качественного распыла не могут быть реализованы с помощью одной форсунки, поэтому каждый компрессор снабжают своей форсункой. Если компрессоры ступени низкого давления разные, то потребуется провести поверочный расчет общей проточной части и, естественно, расчет своей форсунки для каждого компрессора. Логика управления форсунками следует из схемы установки: пуск одного из компрессоров приводит к открытию линии подачи аммиака высокого давления к соответствующей форсунке.

При реконструкции холодильных предприятий перспективна гибкая и устойчивая, так называемая компаундная, схема, в которой в пределах каждой ступени компрессоры включены параллельно, а сами ступени - последовательно.

Вариант применения узла промежуточного охлаждения в компаундной схеме показан на рис. 4. В этом случае промежуточное охлаждение берут на себя либо индивидуальные охладители, либо один общий (как показано на рис. 4). Данная схема во многом совпадает с показанными на рис. 2 и 3. Попытка использовать для целей промежуточного охлаждения жидкий аммиак промежуточного давления, возвращающийся из испарителей, ожидаемого результата, по данным автора, не дала. Преимуществом рассматриваемой схемы является и то, что не требуются специальные промежуточные сосуды - циркуляционные ресиверы, совмещающие обе функции, в связи с чем могут применяться обычные циркуляционные ресиверы, рассчитанные на промежуточную температуру кипения.

Рис. 4. Узел промежуточного охлаждения в холодильной установке, работающей по компаундной схеме: Км1... KM3 — компрессоры; Т₀₂ — промежуточный температурный уровень; ЦР — циркуляционный ресивер (остальные обозначения см. рис. 1)

Иногда на холодильных предприятиях, имеющих запас компрессоров, реализующих цикл одноступенчатого сжатия, возникает необходимость во временной, например в сезонной, выработке низкотемпературного холода. Вариант схемы перевода такой одноступенчатой холодильной установки на временную работу по двухступенчатой схеме показан на рис. 5. Здесь компрессоры Км4 и Км5 имеют возможность коммутации по входу-выходу и образуют ступень низкого давления СНД. В схему добавлены промежуточный охладитель-термопрессор ТП и один циркуляционный ресивер ЦР.

Рис. 5. Упрощенная схема перевода одноступенчатой холодильной установки на временную работу по двухступенчатой схеме (обозначения см. рис. 1 и 4)

Для соблюдения правил техники безопасности требуется установить дополнительный циркуляционный ресивер (например, ЦР с Т₀₂), который используют для обеспечения хладагентом потребителей системы одноступенчатого сжатия, а также как отделитель жидкости. Электродвигатели компрессоров, составляющих ступень низкого давления в такой схеме, будут существенно недогружены, поэтому следует рассмотреть возможности повышения их коэффициента мощности (например, изменением коммутации обмоток). Циркуляционный ресивер ЦРс Т₀₁, обеспечивает работу потребителей на низкотемпературном уровне. При возврате к исходной схеме оба ресивера работают параллельно.

Все приведенные выше схемы показывают лишь место термопрессора в узле промежуточного охлаждения потока пара, нагнетаемого ступенью низкого давления (данные по его конструктивному расчету имеются в приведенной литературе).

Положительный эффект при использовании термопрессора для целей промежуточного охлаждения выражается в снижении удельного расхода электроэнергии на выработку холода, повышении безопасности эксплуатации, упрощении пуска и останова. Кроме того, создаются предпосылки для разработки малоемких систем с дозированной заправкой, упрощается сам узел промежуточного охлаждения. Некоторые промежуточные охладители с использованием термопрессора находятся в эксплуатации по 10 и более лет, не вызывая особых замечаний.

About the authors

V. I. Zhivitsa

Author for correspondence.
Email: info@eco-vector.com

PhD in Engineering

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Simplified scheme of intercooling unit with the use of a thermopressor for a separate two-stage unit: SPD - low pressure stage; SVD - high-pressure stage; TP - thermostatic compressor; F - filter; PS - prod vessel; VPS - nozzle purge valve; LR - linear receiver, Kd - condenser; T01 - boiling temperature, provided by the unit

Download (569KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Scheme with a common industrial vessel and individual coolers (for designations see Fig. 1)

Download (956KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Scheme with common industrial vessel and common cooler (for designations see Fig. 1)

Download (1015KB)

Indexing metadata

5. Fig. 4. Intercooling unit in the refrigeration plant operating under the compound scheme: KM1... KM3 - compressors; T02 - intermediate temperature level; CR - circulation receiver (for other designations see Fig. 1)

Download (1MB)

Indexing metadata

6. Fig. 5. Simplified scheme of conversion of the single-stage refrigeration unit to temporary operation according to the two-stage scheme (see Fig. 1 and 4 for designations)

Download (1MB)

Indexing metadata