CN110500801A

CN110500801A - 工业制冷系统设计方法

Info

Publication number: CN110500801A
Application number: CN201910802195.4A
Authority: CN
Inventors: 朱安安; 孙鸿声; 蔺满相; 白旭峰; 周根标; 王林英; 樊拓强; 张昌杰; 邓建平; 祁周会; 杨花
Original assignee: Xian Shaangu Power Co Ltd
Current assignee: Xian Shaangu Power Co Ltd
Priority date: 2019-08-28
Filing date: 2019-08-28
Publication date: 2019-11-26

Abstract

本发明的工业制冷系统设计方法，涉及通风系统的技术领域，解决现有技术的工业制冷设计不满足经济性要求的技术问题。该方法包括S1：根据系统设计参数，选取制冷循环的方式；S2：根据选取的制冷循环方式与系统设计参数选取压缩机的型号；S3：根据所选取的压缩机型号重新计算系统设计参数；S4：根据重新计算的系统设计参数选取系统设备管道的公称直径，并选取相应静设备的型号、制冷循环负荷的液体泵等相关设备及其低温甲醇洗或氨合成工艺。本发明用以完善工业制冷系统设计不足，满足人们对工业制冷在满足实际需求的前提下，有满足经济性的要求。

Description

工业制冷系统设计方法

技术领域

本发明属于制冷设备的技术领域，特别涉及一种工业制冷系统设计方法。

背景技术

一般制冷机的制冷原理压缩机的作用是把压力较低的蒸汽压缩成压力较高的蒸汽，使蒸汽的体积减小，压力升高。压缩机吸入从蒸发器出来的较低压力的工质蒸汽，使之压力升高后送入冷凝器，在冷凝器中冷凝成压力较高的液体，经节流阀节流后，成为压力较低的液体后，送入蒸发器，在蒸发器中吸热蒸发而成为压力较低的蒸汽，再送入压缩机的入口，从而完成制冷循环，而大型工业制冷系统因制冷循环负荷高，多采用两级以上压缩中间冷却的制冷循环。压缩机是制冷循环的心脏，其优化设计尤为重要。为此，针对工业中常用的制冷循环，同时考虑制冷系数、压缩机效率和结构的限制，设计出制冷系数最优、压缩机结构合理、耗功低的优化制冷循环是工业制冷系统设计的发展趋势。实践中的做法均采用传统国标规范的制冷标准的通用方法。

本发明人发现，现有技术中至少存在以下技术缺陷：

现有技术的设计方法在实践中，因其系统设计复杂，对压缩机要求高，并且制冷系统和压缩机一般由不同的专业厂家分别设计，一般是设计的标准按制冷系数最大计算，按制冷系数最大计算原则确定的压缩机设计参数满足设计要求，但不能满足经济性的要求；如采用非标设计，则压缩机的设计制造周期长、效率低，会造成压缩机与工艺系统不匹配的情况出现，不能满足制冷循环冷量负荷要求。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种工业制冷系统设计方法，克服现有技术的工业制冷设计不满足经济性要求的技术问题。本发明创造有诸多有益效果，详见下文叙述。

一种工业制冷系统设计方法，包括以下步骤：

S1：根据系统设计参数，选取制冷循环的方式；

S2：根据选取的制冷循环方式与系统设计参数选取压缩机的型号；

S3：根据所选取的压缩机型号重新计算系统设计参数；

S4：根据重新计算的系统设计参数选取系统设备管道的公称直径，并选取相应静设备的型号、制冷循环负荷的液体泵；

S5：根据所选公称直径和系统设计参数，选取设备管道上安装的调节阀；

S6：根据制冷循环设计参数、所选取的调节阀公称直径和公称直径，选取满足制冷循环负荷非标设备，并计算满足制冷循环负荷制冷剂量；

S7：根据所选取的非标设备和制冷剂量，设计非标设备制冷剂储罐。

在一个优选或可选的实施方式中，S1所述制冷循环的方式包括蒸汽式制冷循环、吸收式制冷循环或热电式制冷循环。

在一个优选或可选的实施方式中，S2所述压缩机为离心式压缩机，离心式压缩机的参数包括型号、尺寸、制冷剂种类、流量、进口压力、进口温度、出口压力、出口温度、分段、分级、功率、转速和材质。

在一个优选或可选的实施方式中，S3中压缩机型号重新计算系统设计参数。

在一个优选或可选的实施方式中，S4所述静设备包括相互连通的气液分离器、冷却器、冷凝器、储罐、省功器、过冷器和不凝气处理器，选取的参数包括工作参数、设计压力、设计温度和材质。

在一个优选或可选的实施方式中，S5所述调节阀包括温度控制阀、液位控制阀和压力控制阀中的一种或几种。

在一个优选或可选的实施方式中，S6所述非标设备包括相互连接的非标设备气液分离器和省功器，选取的参数包括气体流速、停留时间、丝网直径、容器直径、钢板壁厚、设备高度、外形尺寸、材质和重量。

在一个优选或可选的实施方式中，S7所述制冷剂储罐的选取参数包括公称容积、公称直径、筒体壁厚、长度、封头厚度、支座位置、允许腐蚀余量和储罐重量。

另一方面提供一种低温甲醇洗或氨合成工艺，制冷量在2300kW以上，其特征在于，包括如权利要求1至9任意一项所述的工业制冷系统设计方法

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：通过工业实际的制冷需求，设计出满足经济性要求的制冷系统，如下：

首先：根据系统设计参数，选取制冷循环的方式，依据工业制冷的冷量要求选择合适的冷循环方式，例如，依据环境因素，优选蒸汽式制冷循环，利用环境的热量，如，地热或废热等；根据选取的制冷循环方式与系统设计参数选取压缩机的型号；

其次：根据所选取的压缩机型号重新计算系统设计参数，国内目前计算热能效比COP方式为：制冷量取最大值Q，压缩机耗功W为固定值，以满足设计要求，但是通过该方法无疑增大压缩的额定功率，均采用了较大功率型号的压缩机，违背经济性原则，后续所选取的静设备、管径、膨胀阀、冷凝器和蒸发器等尺寸或规格相对较大，而在工业制冷过程中所消耗的经济成本尤为明显，无意增加厂家的成本费用。其缘由是：在压缩机循环压缩过程中，冷媒更多的时候为液气混合状态，申请人经实践证明气占混合状态18-23％，而压缩过程中可认为混合状态的气体是功耗较小，如采用较大型号的压缩机，在工业制冷的压缩过程中无疑增加经济成本，在满足工业制冷实际需求的前提下，可适当降低压缩机的型号，如，制冷需求量不变，降低压缩机耗功的数值(较小型号)，同样可以获得较大的热能效比COP。

最后是：根据重新计算的系统设计参数依照通风规范计算系统设备管道的公称直径，并选取相应静设备的型号、制冷循环负荷的液体泵及其调节阀等设备，从而选出经济性的方案,在满足冷量需求的基础上,能够大大节约经济成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为两级压缩离心式制冷循环图；

图2为制冷循环理论循环p-h图；

图3为本发明工业制冷系统设计方法的总体设计示意图；

图4为本发明工业制冷系统设计方法的流程框图。

具体实施方式

为使本发明的目的，技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是发明一部分实施例，而不是全面的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。

制冷原理：制冷系统由制冷剂和四大机件，即压缩机，冷凝器，膨胀阀，蒸发器组成，压缩机的作用是把压力较低的蒸汽压缩成压力较高的蒸汽，使蒸汽的体积减小，压力升高。压缩机吸入从蒸发器出来的较低压力的工质蒸汽，使之压力升高后送入冷凝器，在冷凝器中冷凝成压力较高的液体，经节流阀节流后，成为压力较低的液体后，送入蒸发器，在蒸发器中吸热蒸发而成为压力较低的蒸汽，再送入压缩机的入口，从而完成制冷循环。

非标设备就是非标准设备，不是按照国家颁布的统一的行业标准和规格制造的设备，而是根据自己的用途需要，自行设计制造的设备，非标设备在市场中也得到广泛使用，仅是规格和型号与国标有所不同。

如图3和图4所示的工业制冷系统设计方法，包括以下步骤：

S1：根据系统设计参数，如冷量大小或用途等选取制冷循环的方式；一般的，根据由工业工艺的需求确定冷量总量，包括制冷量个数，制冷量个数是指压缩机在不同温度要求下设计出不同的冷量总量，例如，-40°、-20°或其它温度要求时，所要提供的不同的冷量总值，系统设计参数包括制冷量Q₀、介质、蒸发温度t₀和冷凝温度t_k等。制冷循环例如，蒸汽式制冷循环、吸收式制冷循环和热电式制冷循环等，均包括蒸发过程、压缩过程、冷凝过程和节流过程，也都为现有技术，在此，不在赘述；

S2：根据选取的制冷循环方式与系统设计参数选取压缩机的型号；压缩机按其原理可分为容积型压缩机与速度型压缩机；容积型又分为：往复式压缩机、回转式压缩机；速度型压缩机又分为：轴流式压缩机、离心式压缩机和混流式压缩机，结合工业制冷的特点是:冷量大、运行工况变化多端、制冷剂一般为易燃易爆介质、多长厂家提供设备，如，专业化要求，不同于民用制冷，例如，压缩机仅有压缩厂家提供安装，冷凝器由冷凝器厂家提供等，经实践证明选用大流量运行效率高、工况宽广、能有效密封制冷剂且可完全隔绝润滑油可大大提高制冷效率，优选多级离心式压缩机，一般为两级，其优点是可提供的气量大，对介质达到绝对无油的压缩过程，占地空间相对较小，可以省去部分维护人工的人工成本。离心式压缩机型号，根据设计冷量总量的数值所选取，设计冷量至少为实际需求冷量的至少1.3倍。

S3：根据所选取的压缩机型号重新计算系统设计参数；

如图1和图2所示的制冷过程：压缩机(高压高温气体)至冷凝器(低温高压气液混合)至节流/膨胀阀(低压低温气液混合)至蒸发器(低温低压气体)。COP＝Q/W

COP:制冷系统性能系数

Q：从低温热源吸取的热量(制冷量)

W：输入功(压缩机耗功)

国内目前计算热能效比COP方式为：制冷量取最大值Q，压缩机耗功W为固定值，以满足设计要求，但是通过该方法无疑增大压缩的额定功率，均采用了较大功率型号的压缩机，违背经济性原则，后续所选取的静设备、管径、膨胀阀、冷凝器和蒸发器等尺寸或规格相对较大，而在工业制冷过程中所消耗的经济成本尤为明显，无意增加厂家的成本费用。其缘由是：在压缩机循环压缩过程中，冷媒更多的时候为液气混合状态，申请人经实践证明气占混合状态18-23％，而压缩过程中可认为混合状态的气体是功耗较小，如采用较大型号的压缩机，在工业制冷的压缩过程中无疑增加经济成本，在满足工业制冷实际需求的前提下，可适当降低压缩机的型号，如，制冷需求量不变，降低压缩机耗功的数值(较小型号)，同样可以获得较大的热能效比COP。

例如,通过调节中间压力的计算压缩的方法,具体如下:改变循环的中间压力，可得到不同的压缩机设计气量和压比，从而得到不同的压缩机功率型号，以COP最大为设计目标，可得到最小耗功的压缩机型号。

根据设计加工可实现结构的离心式压缩机，选取适当的制冷剂介质物性方程、高效宽工况的制冷剂专用离心叶轮，确定合适的制冷循环中间压力，重新计算制冷系统参数，保证在工业可实现性下压缩机的耗功最小，实现工业制冷循环的可实现性和制冷系数的最优性。

S4：根据重新计算的系统设计参数选取系统设备管道的公称直径，并选取相应静设备的型号、制冷循环负荷的液体泵；根据行业标准对流量的限定选公称直径，根据行业标准及原理编写专用软件选静设备，如上述文字所述，工业制冷的设备专业性强，各个设备均由不用的厂家提供，其液体泵是液体泵专业厂家选，依据所选取的压缩机型号可定。

根据制冷循环要求计算调节阀参数，由专业厂家选择型号，有制冷原理的可以知晓，压缩机型号可以选定调节阀，例如，膨胀阀的型号，在压缩机型号相对较小时，经冷凝器后的冷媒变为低温高压的气液混合，其压力同样相对较小，满足设计要求的前提下，调节阀的规格也可相对降低。

根据行业标准对流量的限定选公称直径，根据行业标准及原理编写专用软件选静设备，提供静设备的厂家依据调节阀和压缩机等的型号可对应制造满足设计要求的静设备。

参数计算可选用现有技术中的计算软件计算完成即可，例如，制冷机组选型软件网站中的相关软件，需要指出，该些设备的选取依照规范要求均可手动计算，但运算量较大，现在设计均以软件为优先工具，即为现有技术，如何选取参见制冷规范，在此，不在赘述。

其包括如图1所示的计算系统参数工具，输入单元110，控制单元120和显示单元130，其中，

输入单元110用于输入各个逐条数据，用以设计制冷系统各设备，并且控制单元120根据输入单元110输入的逐条数据，优化设计制冷系统各设备设计参数与规范，详细设计离心压缩机、气液分离器、省功器和储槽，并且产生控制型号以显示其结果。

显示单元130通过由控制单元120产生的控制信号，显示制冷系统各设备设计参数与规范，及离心压缩机、气液分离器、省功器和储槽的详细设计。具体实施操作与计算如图2所示，

设计人员通过S201步骤操作，通过输入单元110输入制冷量Q₀、介质、蒸发温度t₀和冷凝温度t_k，同时，控制单元120根据输入单元110输入的制冷量个数，完成步骤S202，确定制冷循环方式；

参数计算，步骤S203，通过输入单元110输入的介质、蒸发温度t₀、冷凝温度t_k及确定的制冷循环方式，由控制单元120调用工业制冷剂专用物性计算程序，物性计算特质，流体的参数计算，现代计算通过计算机代替传统人工计算，

S204，计算制冷循环物性参数，例如，比焓h、比容v、比熵s等参数，这是步骤。

S205，压缩机参数的计算，控制单元120利用输入单元110的输入条目及步骤S204计算的物性参数，计算压缩机设计参数

S206，控制单元120利用压缩机设计参数调用专业透平压缩机设计程序。

S207，设计参数的重新校验或微调制冷循环进、排气压力和中间压力，压缩机设计程序通过控制单元120判断压缩机设计参数的可行性，计算不同中间压力下压缩机结构的可实现性，得到压缩机的耗功的最小值。

微调设计参数，重新设计出气动性能优良、结构合理的标准型号的压缩机，校验控制单元120控制微调后压缩机的设计参数对制冷系数的影响控制在3％，3％属于规范设计所允许的误差。压缩机的型号，例如，离心压缩机，压缩机是制冷循环的核心，通过重新定义和计算压缩机的型号，避免了传统选型压缩机耗功大、工艺匹配性不好、结构不易实现的问题，传统的方法仅仅提高制冷量(压缩机的额定功率))从而选出更适合的设计参数的压缩机，能够降低设计和制造成本。完成压缩机的选型后，在显示单元130上显示其结果，其包括：压缩机的型号、功率、转速、进排气流量、进排气温度、尺寸、重量等等。

S208至S213，重新计算制冷循环设计参数，控制单元120根据输入单元110输入的设计条目及压缩机最终设计参数，包括：计算制冷系统和各设备所需制冷剂的量，重新计算管道工程直径，并在显示单元130上显示设备间连接管道公称直径。公称直径的直径的选取，不但大大降低工业设计的制造成本，在流体运动中，并非管径越大越好，冷凝或蒸发过程，对流体的压力有所要求，管径越大会降低流体流速和压力，会降低制冷量参数，致使工业制冷效果的结果与设计有所偏差。

然后，控制单元120根据输入单元110输入的制冷剂种类(如：R717或R1270)及S208计算的制冷循环设计参数，在显示单元130上逐一显示各设备的设计参数与规范，包括：静设备、调节阀、泵，控制单元120将输出结果存储在内存储器上。这是步骤S210。设计者将标准设备换热器和调节阀的设计参数与规范转入其它专业人员进行详细设计。

然后，控制单元120根据S210非标设备气液分离器、省功器的输出结果，详细设计气液分离器和省功器，计算出气体流速、停留时间、丝网直径、容器直径、钢板壁厚、设备高度、外形尺寸、材质、重量等等，并在显示单元130中显示。

最后，控制单元120根据S210非标设备储罐的输出结果，满足整个制冷系统制冷剂量的存放详细设计储罐，计算出：公称容积、公称直径、筒体壁厚、长度、封头厚度、支座位置、允许腐蚀余量、储罐重量等，并在显示单元130中显示。

同时，通过输入单元110输入的条目及通过显示单元130显示的条目存储在控制单元120的内存储器中，当要设计新的工业制冷系统时，可以利用存储的数据，以缩短新设计的时间。

综上所述，根据本发明的工业制冷系统设计方法的优点在于：可以通过显示单元快速优选出满足于所需制冷系统制冷负荷的离心压缩机、各个设备设计参数与规范、以及非标设备的详细设计，从而缩短新工业制冷系统的设计时间，减少开发和设备投资费用。

作为可选的实施方式，S1所述制冷循环的方式包括蒸汽式制冷循环、吸收式制冷循环和热电式制冷循环，优选蒸汽式制冷循环，可充分利用环境中的废热或地热等，节约经济成本。

作为可选的实施方式，S2所述压缩机为离心式压缩机，离心式压缩机的参数包括型号、尺寸、制冷剂种类、流量、进口压力、进口温度、出口压力、出口温度、分段、分级、功率、转速和材质。

作为可选的实施方式，S3中压缩机型号重新计算系统设计参数的。

作为可选的实施方式，S4所述静设备包括相互连通的气液分离器、冷却器、冷凝器、储罐、省功器、过冷器和不凝气处理器，选取的参数包括工作参数、设计压力、设计温度和材质。

作为可选的实施方式，S5所述调节阀包括温度控制阀、液位控制阀和压力控制阀中的一种或几种。

作为可选的实施方式，S6所述非标设备包括相互连接的非标设备气液分离器和省功器，选取的参数包括气体流速、停留时间、丝网直径、容器直径、钢板壁厚、设备高度、外形尺寸、材质和重量。

作为可选的实施方式，S7所述制冷剂储罐的选取参数包括公称容积、公称直径、筒体壁厚、长度、封头厚度、支座位置、允许腐蚀余量和储罐重量。

一种低温甲醇洗或氨合成工艺，制冷量在2300kW以上，其特征在于，包括以上全部或部分的所述的工业制冷系统设计方法。例如，本案的技术方案可案制冷量在2300kW以上工业透平离心压缩机制冷系统的设计方法。主要涉及一种最优化工业制冷循环的设计方法，该方法包括：满足该制冷循环负荷的离心压缩机及系统中的非标设备如：气液分离器、省功器、储罐等的设计。

在上所述，仅为本发明创造的具体实施方式，但发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在发明创造揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明创造的保护范围应以所属权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种工业制冷系统设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据系统设计参数，选取制冷循环的方式；

S3：根据所选取的压缩机型号重新计算系统设计参数；

2.根据权利要求1所述的工业制冷系统设计方法，其特征在于，S1所述制冷循环的方式包括蒸汽式制冷循环、吸收式制冷循环或热电式制冷循环。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，S1所述制冷循环的方式为吸收式制冷循环。

4.根据权利要求1所述的工业制冷系统设计方法，其特征在于，S2所述压缩机为离心式压缩机，离心式压缩机的参数包括型号、尺寸、制冷剂种类、流量、进口压力、进口温度、出口压力、出口温度、分段、分级、功率、转速和材质。

5.根据权利要求1所述的工业制冷系统设计方法，其特征在于，S3中压缩机型号重新计算系统设计参数为选取压缩的中间压力进行计算。

6.根据权利要求1所述的工业制冷系统设计方法，其特征在于，S4所述静设备包括相互连通的气液分离器、冷却器、冷凝器、储罐、省功器、过冷器和不凝气处理器，选取的参数包括工作参数、设计压力、设计温度和材质。

7.根据权利要求1所述的工业制冷系统设计方法，其特征在于，S5所述调节阀包括温度控制阀、液位控制阀和压力控制阀中的一种或几种。

8.根据权利要求1所述的工业制冷系统设计方法，其特征在于，S6所述非标设备包括相互连接的非标设备气液分离器和省功器，选取的参数包括气体流速、停留时间、丝网直径、容器直径、钢板壁厚、设备高度、外形尺寸、材质和重量。

9.根据权利要求1所述的工业制冷系统设计方法，其特征在于，S7所述制冷剂储罐的选取参数包括公称容积、公称直径、筒体壁厚、长度、封头厚度、支座位置、允许腐蚀余量和储罐重量。

10.一种低温甲醇洗或氨合成工艺，制冷量在2300kW以上，其特征在于，包括如权利要求1至9任意一项所述的工业制冷系统设计方法。