本期我们来探讨下压缩机吸气过热度对系统制冷性能的影响。

0 背景

伴随近几年国内天然气液化市场的广泛应用，部分天然气液化工艺包采用预冷+混合冷剂的天然气液化工艺。其中预冷机组采用蒸气压缩式制冷循环，因原料天然气进入预冷蒸发器温度较高，温度范围：30 ℃～50 ℃，且为了减小末端蒸发器的截面温差，保证制冷系统的连续、稳定运行，多是采用冷箱换热，属于干式换热器。实际工程应用中会通过调节气动供液调节阀开度，控制制冷剂气体在蒸发器出口的有效过热度，增大制冷剂单位质量制冷量。

本文我们将对几种工程常用预冷机组制冷剂进行比较；探讨不同蒸发温度下，蒸发器内增加制冷剂有效过热度与制冷性能的变化趋势，为实际工程应用中，不同制冷剂在不同蒸发温度下有效过热度的选取提供依据。此方式同样适用于其它高温气源的降温过程，如二氧化碳液化、氯气液化、轻烃回收等工艺气体降温过程。

1 有效吸气过热的分析

计算制冷系统吸气过热分为有效过热和无效过热。有效过热泛指发生在蒸发器内、有效参与换热降温而产生的温升。在制冷系统循环过程中，散失在环境中，未起到降温效果而引起的温升，视为无效过热，如压缩机吸气管路的温升。实际工程应用中，无效过热会使单位容积制冷量下降，所以在实际运行过程中，要尽量避免无效过热的产生。

吸气有效过热度的增加，会增大单位质量制冷量，但制冷剂气体体积同样会变大，造成单位质量制冷剂在压缩机入口体积变大，而压缩功为入口体积的一次函数，使压缩功增加。本文针对固定的压缩机入口容积，采用单位容积制冷量，探讨制冷剂在不同蒸发压力下，增大蒸发器出口制冷剂气体有效过热度，对制冷性能的影响。单位容积制冷量比值的变化趋势也反映了系统制冷性能的变化趋势。

为便于计算分析，首先做如下假设：

（1）过热度的增加，不会影响蒸发器出口压力变化，压缩机压缩比固定，压缩机容积效率不变；单位容积压缩功不变；

（2）忽略因制冷剂气体过热，体积增大造成的管道阻力降；

（3）将高温制冷剂气体视为理想气体；

（4）压缩机入口的无效过热会降低制冷性能。本文只探讨有效过热对性能的影响。

2 吸气过热度对制冷性能影响的分析

以R290为例，以蒸发器无过热对应单位容积制冷量作为基准，计算蒸发温度T 1为-40 ℃，冷凝温度T 3为40 ℃，压缩机入口不同过热度下单位容积制冷量增加比例，计算结果见图2。从图中可以看出，随着过热度的增加，单位容积R290的制冷量呈线性增加。

经计算绘制出R290在-40 ℃、-30 ℃、-20 ℃、-10 ℃、0 ℃蒸发温度下，单位容积制冷量与吸气过热度的变化曲线，见图3。

同理，通过计算可绘制R507、R600a、R744、R717、R1150等制冷剂在不同冷凝温度下，过热度与单位容积制冷量的关系（图4～图9）。

由图3～图6可以得出结论，制冷剂R290、R600a、R507、R744（冷凝温度30 ℃）随有效过热度的增加，单位容积制冷量增加。且在同样的有效过热度下，蒸发温度越低，有效过热对性能的影响变大。

由图7～图9可知，制冷剂R744（冷凝温度-10 ℃）、R1150、R717随有效过热度的增加，单位容积制冷量减小，即制冷性能降低。且在同样的有效过热度下，R1150、R744（冷凝温度-10 ℃）蒸发温度越低，有效过热对性能的影响变小；而R717蒸发温度的变化对其影响不大。

由于过热度的增大会导致压缩机的排气温度升高。因此增加压缩机吸气有效过热度更适用于喷油螺杆压缩机中。润滑油喷入压缩腔内使螺杆压缩机的特性发生变化，润滑油吸收制冷剂气体的压缩热后，进入油冷却器降温，可以确保压缩机的排气温度得到有效控制。但这也要求油冷却器有足够的换热面积和换热效率。故针对增大吸气过热能够提升压缩机制冷性能的制冷剂，在喷油螺杆压缩机中值得推广应用。

3 吸气过热度在项目现场的应用

以某50000 m 3/d天然气液化项目为例，预冷段制冷剂采用R290，蒸发温度为-30.3 ℃，制冷压缩机吸气温度为-10 ℃，吸气过热度20.3 ℃。对预冷段天然气和混合冷剂降温，天然气出口温度为-25.7 ℃，混合冷剂出口温度-24.5 ℃。

在不调整系统其它运行参数的前提下，通过气动调节阀调整供液量，逐步将吸气有效过热度由20℃提高到60 ℃后，蒸发温度降为-31.1 ℃（降低0.8 ℃），预冷段天然气和混合冷剂出口温度稳步降低；当预冷段天然气出口温度变为-27.3℃（降低1.6 ℃），混合冷剂出口温度变为-25.2 ℃（降低0.7 ℃），系统趋于稳态运行。

二部分合计增加制冷量15.6 kW，制冷量提高2.8%。将蒸发温度降低0.8 ℃对应的冷量和耗功进行计算修正到蒸发温度-30.3 ℃对应制冷量后，合计增加制冷量5.1%。通理论计算，此时单位容积制冷量增比约为7%。出现这种偏差是由于理论计算做了一些条件假设，而实际运行过程为多种运行条件的耦合，故认为此偏差在分析值偏离范围内，变化趋势基本与图3一致。说明此理论计算曲线变化规律，在实际工程应用中，有一定的指导作用。