设为首页 联系我们 友情链接 网站导航 知识窗
中央空调 家用空调 空调末端 特种空调 运输空调 冷冻冷藏 热泵热水机 水/地源热泵 蒸发冷却空调 压缩机 热交换器 配件及原料 智能控制 空气净化
您所在位置:首页  > 技术

不同制冷系统应用于冷库的探讨

发表日期:2022/1/20 10:07:08 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

常见的冷库系统根据其制冷剂不同可以分为氨制冷系统、复叠式制冷系统和氟利昂制冷系统。自1955年我国开始建造第一座总容量为4万吨的冷库开始,长期以来氨制冷系统都是我国大、中型冷库采用的主流制冷系统。但我国在氨制冷领域科研投入较低,自动化控制程度远低于发达国家,甚至低于东南亚一些国家,这使得企业用户具有较高的运行成本,影响了氨制冷系统在冷库中的应用推广。其次,由于我国氨冷库升级换代较慢,部分建设年份很早的氨冷库仍在运行使用,陈旧的系统与设备增大氨冷库的危险性。但氨制冷剂依然是未来替代氟利昂类制冷剂的重要选择,如何使氨冷库在我国实现真正的安全应用,是我国制冷行业急需解决的问题。复叠式制冷系统可以实现对库内货物的超低温快速冷冻,满足如今人们对于冷冻食品新鲜程度保持的要求。超低温冷库也是部分生物医药制品安全有效保存的前提。氟利昂制冷系统虽然会对环境造成破坏且价格昂贵,但因其系统的稳定性和安全性都较高,仍然在我国小型冷库应用中占据重要地位。受到我国国情及相关政策的影响,不同的制冷系统在设计及选择时需要综合考虑多方面因素,因地制宜选择合适的制冷系统。

1  氨制冷系统

1.1  氨制冷系统特点

氨制冷系统是目前大型冷库应用最广泛的制冷系统。氨作为一种天然的制冷剂,其ODP和GWP都为零。蒸发压力与冷凝压力都适中,标准大气压下其蒸发温度为-33.3 ℃,与普通低温冷库冻结间蒸发温度相当,在冷却水温30 ℃~35 ℃范围内冷凝压力为1.1~1.3 MPa,最高不会超过1.5 MPa。氨的物理性质与R22近似,但其单位体积制冷量是氟利昂类制冷剂的2倍,在制取同等的制冷量时,氨制冷压缩机的体积最小,且氨制冷剂造价低廉容易制取。氨的缺点在于其安全等级为B2,有毒,空气中氨浓度升高达到16%~25%时遇明火会发生爆炸。因此各国都出台相应的政策与规范限定冷库中氨制冷剂的充注量。我国规定对使用氨作制冷剂的冷库制冷系统,氨的充注量不应超过40吨;作为重大危险化学品源,气体氨的临界量为10 吨。

氨制冷系统在低温冷库中一般采用两级压缩中间完全冷却循环。图1是双级压缩氨制冷系统原理图,典型的氨冷库设备繁多,除了制冷循环的主要部件外,还要增设多种辅助设备。氨是一种典型的无机物制冷剂,不溶于润滑油,需要在压缩机出口设置油分离器,还要在各个主要储氨装置设置放油管。为收集系统内的制冷剂需要时设置高压储液器、低压液体循环桶以及排液桶。

图1  双级压缩氨制冷系统

1.2  氨制冷系统的优化与改进

1.2.1  减少系统内氨的充注量

目前国内氨冷库一般采用集中式设计,各个冷间共用一台冷凝器,按照制冷量需求的不同由高压液体调节站统一分配调节,多余的制冷剂液体储存在高压储液桶内。冷库的机房设置在库房的外侧,由机房到冷库内长距离的输送管道也会存有大量的制冷剂。集中式氨冷库内存有大量的制冷剂,根据国际氨制冷学会提供的相关数据,一座6.5万/m2的冷藏库,约需充注30吨的氨制冷剂,虽然没有超过我国相关标准,但仍然会给企业和当地政府带来一定压力。

在氨制冷系统中降低氨的充注量,是提高系统安全性的有效方法。SHANMUGAM S K G等提出了“一种用于工业制冷的分布式超低氨充注系统(ULC)”,其原理如图2所示。ULC系统是一种模块化的分布式制冷系统,它将开式驱动螺杆压缩机和蒸发器风扇结合在一个集成模块中,并且采用封闭耦合式单元以及自动化的电子制冷剂供液控制技术,有效缩短了制冷剂进入蒸发器的管程。同时ULC系统冷凝部分选用熔合并联板式换热器而非管壳式冷凝器,氨制冷剂不会大量存在于冷凝器管道中。与单级中央制冷系统相比较,ULC系统能减少7%的能源消耗、3%的用水量以及98%的氨充注量,单个分布式单元最坏的情况下氨泄漏量低于45 kg,提高了氨冷库的安全性与经济性。

图2  分布式超低氨充注系统

欧美国家也有在冻藏间采用直膨式供液方式。冻藏间库房内冷负荷稳定,温度波动较小,因此其可以采用直膨式供液。直膨式供液为单倍供液,相较于氨泵供液不需要设置低压液体循环桶,可以减少75%的氨充注量(以循环倍率β=4计)。这种供液方式需要更精准的自动化控制系统。

为减少系统氨充注量可以在蒸发器部分采用低充注量排管控制氨充注量,或者冷间采用冷风机代替顶、墙排管,这样不仅可以降低氨充注量还可以降低冻品的干耗,提高冻结间的周转率,同时可以不设高压储液桶。

1.2.2  提高氨制冷循环的效率

低温冷库冷冻间库内货物在冻结前后温差大,库内温度波动较大。因此,在氨冷库的冻结间蒸发器宜采用泵供液的方式,氨泵供液的循环倍率一般取5~6。多倍供液加泵供液的模式可以提高蒸发器内的传热系数且不会出现氨制冷剂气体的过热,同时由于泵供液高流速冲刷可以防止在较低的蒸发温度下润滑油积存在蒸发器管道内影响换热效果。

如何获取更大的过冷度是提高制冷循环COP的关键因素之一。研究表明,对于氨制冷系统,单位制冷量随过冷度的增加变化最大,过冷度每增加1 ℃,氨制冷量约增加4.9 kJ/kg。为了进一步增大过冷度,提高氨制冷系统制冷效率,陈文亮提出氨制冷跨蒸发系统循环应用于氨冷库系统。提出对于存在多级蒸发系统的氨冷库,除第一级蒸发系统直接由冷凝器供液以外,其他蒸发系统均由与它相近的上一级蒸发系统进行供液,系统运行更加节能高效。

张建一等通过分析两次节流中间完全冷却循环在氨制冷中系统中的效率,计算出相较于一次节流系统,使用两次节流制冷循环理论制冷系数提高了1.3%,冷库实例制冷系数提高了0.7%~0.8%。两次节流制冷系统在满负荷下运行时,压缩机消耗的理论功率比一次节流下降5 kW。使用两次节流方式的制冷系统,在初投资费用上也有所降低。图3为该系统原理图(a)与压焓图(b)。

图3  两次节流中间完全冷却循环原理图(a)与压焓图(b)

2  复叠式制冷系统

2.1  复叠式制冷系统的特点

冷库中为了达到更低的库温,需要达到更低的蒸发温度。制冷剂的热力性质决定了其不可能在具有较低的沸点温度的同时兼有较高的临界点温度。在低温制冷循环中,低温制冷剂虽具有较低的蒸发温度,但水冷冷凝器无法满足其冷凝温度。为解决上述问题,复叠式制冷循环分为高温部分和低温部分,两个独立的循环共用一个蒸发冷凝器,在其中高温级制冷剂蒸发冷却低温级制冷剂。在蒸发冷凝器内高温级与低温级的温差应尽量取较小值(5 ℃)以提高制冷循环的经济性。对于复叠式制冷系统低温部分的蒸发温度变化对系统COP的影响比高温部分冷凝温度变化对其影响大。低温级压缩机能耗受蒸发温度的影响很大,如何降低低温级功耗是提升复叠式制冷效率的关键。

图4  复叠式制冷循环

复叠式制冷循环性能系数(COP)通过式(1)~式(3)计算:


式(1)~式(3)中:COP H和COP L分别为高、低温循环性能系数;Q H和Q L分别为高、低温循环制冷量(kW);W H和W L分别为高低温循环的功耗(kW)。

2.2  CO2作为低温制冷剂的复叠式制冷系统

用于食品冷冻的低温冷库设计蒸发温度通常在-50 ℃~-30 ℃,标准大气压下沸点温度为-56.6 ℃,可以制取最低温度为-50 ℃以上的低温。在-34 ℃蒸发温度下CO2的绝对压力相较于氨和R134a具有较高的饱和压力,相同低温工况下不会产生负压。R744的ODP和DWP分别为为0和1,是天然的环境友好型制冷剂。其安全等级为A1级,无色无味,化学性能稳定。R744具有较高的汽化潜热,在0 ℃时其单位容积制冷量约为22.6 MJ/m3,是传统制冷剂的5~8倍。CO2符合一般制冷剂的特点,具有较低的蒸发温度的同时其临界温度也较低,超过临界温度无法液化,因此CO2作为制冷剂主要应用于跨临界制冷循环与复叠式制冷循环。CO2跨临界制冷循环容易受到地区环境温度的制约,而以CO2作为低温制冷循环的复叠式制冷循环越来越多的被应用于工业和商业制冷中。

R744/R717复叠式制冷系统在蒸发冷凝器中以氨作为高温制冷剂来冷凝低温的CO2制冷循环。以CO2作为低温制冷循环相较于氨冷库能得到更低的库温,减少冻结时间,降低了食品干耗;同时相较于氨制冷系统仅需要充入其1/8的氨量,大幅度提高了系统的安全性。

王程林等通过研究得出R744/R717复叠式系统在一定工况下(-33/-6.7 ℃;-11.7/32 ℃),满负荷运行效率比两级压缩氨制冷系统高出1%~3%,但在实际运行下由于蒸发冷凝器存在5 ℃~10 ℃的温差,所以,其实际运行效率要低于两级压缩氨制冷系统10%甚至更多。因此,尽量使系统满负荷运行会提高系统的制冷效率。

MESSINEO A等通过分析R744/R717复叠式制冷系统在冷凝温度35 ℃~40 ℃、蒸发温度-50 ℃~30 ℃时与R404A两级压缩制冷循环的热力性能几乎相同。葛长伟等通过研究得出,蒸发温度在-35 ℃以下时, R744/R717复叠式制冷系统的COP高于普通双级压缩氨制冷系统的COP,且在-55 ℃~-35 ℃内随蒸发温度降低两者差距越大。在-45 ℃的蒸发温度下比氨系两级系统COP高8.8%,比常规搭配制冷系统效率高10%,图5为R744/R717复叠式制冷系统与氨双机搭配系统制冷效率比较。

图5  R744/R717复叠式制冷系统与氨双机搭配系统效率比较

2.3  复叠式制冷系统应用于超低温冷库

超低温冷库(深冷库)的温度区间标准为-80 ℃~-45 ℃,可以存放速冻食品或者承担快速制冰任务,也可以速冻金枪鱼等名贵海鲜食品,更低的库温能避免肉类细胞之间形成冰晶体,更好的保证食品的品质。但是氨及CO2制冷剂达不到相应要求的蒸发温度。因此R744/R717复叠式制冷系统不能用于库温-50 ℃以下的超低温冷库。目前较为常见的应用超低温冷库的制冷系统多采用R22/R13复叠式制冷系统,其低温部分设计蒸发温度可以达到-80 ℃以下。为制取更低的库温,使用R14作为超低温制冷剂的三元复叠式制冷系统,可以达到-120 ℃以下的蒸发温度。氟利昂类制冷系统必然会增加环境负担。目前常用R170作为R13的替代品,其标准大气压下沸点温度为-88.9 ℃。但R170易燃通常只用于充液量较少的低温制冷设备中,或者和其他制冷剂组成低温混配制冷剂,不适合用于大、中型冷库设备。

表1  R744A与R744、R23热力性质比较

氟利昂制冷剂大多价格昂贵且具有较高的温室效应值,因此,也不适合大规模应用于冷库系统。N2O与CO2具有相同的分子质量,标准大气压下沸点温度为-88.5 ℃,其热力性质与R744、R23对比如表1所示。DI NICOLA G等提出一氧化二氮(R744A)与二氧化碳1:1混合制冷剂用于复叠式制冷系统被证明是可行的。KAUFFELD M等 通过相关试验验证了R744A与R744按照7:3的混合比例用于蒸发温度为-75 ℃的低温冷库是完全可行的。同时证明了N2O+CO2在-50 ℃以下的超低温冷库系统中能完全取代氟利昂制冷系统,并且具有更高的安全性与环保性。

3  氟利昂制冷系统

3.1  氟利昂制冷系统的特点

应用于大型商场或建设在人员较密集地区的中小型冷库一般采用氟利昂制冷系统。采用氟利昂系统冷库优势在于氟利昂类制冷剂无毒无刺激气味且机组的配置经过几十年发展非常完备,只需简单的接管即能投入运行。系统的设备简单且体积小,大幅度节省了建设空间,机组低噪声运行,在阀件密闭良好的情况下制冷剂不会泄漏。缺点在于氟利昂制冷剂一旦泄漏会对环境产生破坏,且缓慢泄漏时难以检测,同等设计下系统运行效率低于氨制冷系统。

3.2  几种R22的替代制冷剂及其性质

R22目前在氟利昂制冷系统中应用最为广泛的制冷剂,但其会对臭氧层产生一定的破坏,根据《蒙特利尔议定书》规定2030开始,发展中国家不再使用R22制冷剂。目前已经开发出一些R22的替代品,这些制冷剂的ODP为0,但却仍具有很高的GWP值。R407C与R404A是最常用的R22替代制冷剂,其中R404A是公认的广泛使用在低温冷库中取代R22的标准制冷剂。虽然这些制冷剂可以代替R22应用于氟利昂冷库而不对臭氧层产生破坏,但仍需注意不能在原有的R22制冷系统中采取直接“换血”式的制冷剂取代方式,因为各个制冷剂的物化性能存在差异,需要对制冷系统进行相应的改造。表2为3种制冷剂的热力性质表。

表 2  R407C、R404A及R22热力性质表

FANNOU JLC等通过研究发现对于较低的制冷剂流量,R410A在直接膨胀式蒸发器比R22表现出更好的性能,从观察到的压降和用前者记录的过热可以得出,R407C是直接膨胀蒸发器中取代R22的最佳流体。但是对于高制冷剂流量为了尽量减少压降,R410A将是采用直膨式供液方式的冷库更好的选择。

4  结束语

在普通的低温冷库建设中,氨制冷系统,无疑是最合适的制冷系统。虽然氨制冷系统存在危险性,但是相较于氟利昂系统会对环境造成不可逆的破坏,其安全性是可控的。采用分布式制冷系统代替集中式制冷系统或CO2/NH3复叠式制冷系统可以在氨冷库中极大降低氨制冷剂充注量,提高氨冷库的安全性。复叠式制冷系统可以使冷库达到更低的温度,但目前超低温制冷剂仍然是以氟利昂为主,欧盟已经开始出台相关法规限制使用高温室效应的氟利昂制冷剂,寻找更加环保且适合大规模应用的超低温制冷方案将仍是未来的发展方向。

近几年,氨制冷系统的危险性被过分放大,使行业外普遍对氨制冷系统产生误解。有些地方及企业以牺牲环境和效益为代价,仍在大规模建设氟利昂冷库,甚至存在将已有氨冷库改为氟利昂冷库,这种做法显然并不合适。综合国外冷链行业发展来看,不断发展和完善氨制冷系统,提高氨制冷系统在生产、生活中的安全性仍然是我国冷链行业的必经之路。



本文选自《制冷与空调》2021年11月刊11-15+19页;作者:孙炳岩  张文科  姚海清  罗南春  崔玉萍;未经许可,不得转载


精彩内容推荐

排行榜

一周 | 一月

精彩专题更多

  • 中国制冷能效项目

  • 2022年1—2月冷链相关政策汇总

  • 一起向未来,制冷空调行业助力“绿色冬奥”

  • 第三届“一带一路”可持续制冷与空调国际研讨会分论坛

  • 制冷空调行业部分上市公司2021年半年报盘点

  • 第十五届中国制冷空调行业大学生科技竞赛

  • 制冷空调行业部分上市公司2020年年报盘点

  • 《制冷与空调》杂志所刊登的部分标准解读文章一览

  • 2020年全国制冷空调行业年会系列会议

  • 第三届进博会制冷空调行业企业展示

  • 制冷空调行业部分上市公司2020年三季度报盘点

  • 制冷空调行业部分上市公司2020年半年报盘点

  • 2020年全国行业职业技能竞赛——全国智能楼宇及空调系统职业技能竞赛

  • 制冷空调行业部分上市公司2019年年报盘点

  • 制冷空调行业部分上市公司2019年半年报一览

  • 第十三届中国制冷空调行业大学生科技竞赛

  • 制冷空调行业部分上市公司2018年年报盘点

  • 臭氧气候技术路演及工业圆桌会议

  • 保护臭氧层与温室气体减排

  • 改革开放40年制冷空调企业展示

  • 制冷空调行业部分上市公司2018年三季度报集锦

  • 制冷空调行业部分上市公司2018年中报集锦

  • 2018年中国技能大赛——全国机械行业职业技能竞赛制冷工(制冷与空调)赛项

  • 第十二届中国制冷空调行业大学生科技竞赛

  • 20号令变身94号令,关于质疑投诉的要点

  • 详解《中华人民共和国标准化法》

  • 制冷空调行业部分上市公司2017年三季报集锦

  • 全国各地政府采购评审专家劳务报酬标准汇总

  • 第十一届中国制冷空调行业大学生科技竞赛

  • 2017“2+26”城市“煤改清洁能源”补贴政策一览

  • 您需要知道的几个要点

  • 2017北京“煤改清洁能源”招标陆续启动

  • 关注热泵采暖

  • 中央空调政府采购二三事儿

  • 冷冻冷藏

  • 汽车空调

Top 担保网平台-网投担保-全网最权威的担保网【官网】