常見的冷庫系統(tǒng)根據(jù)其制冷劑不同可以分為氨制冷系統(tǒng)、復疊式制冷系統(tǒng)和氟利昂制冷系統(tǒng)。 本期我們就一起來看一看這3種冷庫制冷系統(tǒng)各自特點和發(fā)展趨勢。
（1）氨制冷系統(tǒng)是目前大型冷庫應用最廣泛的制冷系統(tǒng)。（4）蒸發(fā)壓力與冷凝壓力適中，標準大氣壓下蒸發(fā)溫度-33.3℃，在冷卻水溫30℃～35℃ 范圍內冷凝壓力為1.1～1.3 ＭＰａ，不超過1.5ＭＰａ。（5）單位體積制冷量是氟利昂類制冷劑的２倍，在制取同等的制冷量時，氨制冷壓縮機的體積最小，且氨制冷劑造價低廉容易制取。（6）安全等級為B2，有毒，空氣中氨濃度升高達到１６％～２５％時遇明火會發(fā)生爆炸。因此各國都出臺相應的政策與規(guī)范限定冷庫中氨制冷劑的充注量。我國規(guī)定對使用氨作制冷劑的冷庫制冷系統(tǒng)，氨的充注量不應超過４０噸；作為重大危險化學品源，氣體氨的臨界量為１０噸。氨制冷系統(tǒng)在低溫冷庫中一般采用兩級壓縮中間完全冷卻循環(huán)。圖１是雙級壓縮氨制冷系統(tǒng)原理圖，典型的氨冷庫設備繁多，除了制冷循環(huán)的主要部件外，還要增設多種輔助設備。氨是一種典型的無機物制冷劑，不溶于潤滑油，需要在壓縮機出口設置油分離器，還要在各個主要儲氨裝置設置放油管。為收集系統(tǒng)內的制冷劑需要時設置高壓儲液器、低壓液體循環(huán)桶以及排液桶。１．２ 氨制冷系統(tǒng)的優(yōu)化與改進 目前國內氨冷庫一般采用集中式設計，各個冷間共用一臺冷凝器，按照制冷量需求的不同由高壓液體調節(jié)站統(tǒng)一分配調節(jié)，多余的制冷劑液體儲存在高壓儲液桶內。冷庫的機房設置在庫房的外側，由機房到冷庫內長距離的輸送管道也會存有大量的制冷劑。集中式氨冷庫內存有大量的制冷劑，根據(jù)國際氨制冷學會提供的相關數(shù)據(jù)，一座6.5萬㎡的冷藏庫，約需充注３０噸的氨制冷劑，雖然沒有超過我國相關標準，但仍然會給企業(yè)和當?shù)卣畮硪欢▔毫ΑＴ诎敝评湎到y(tǒng)中降低氨的充注量，是提高系統(tǒng)安全性的有效方法。ＳＨＡＮＭＵＧＡＭＳＫＧ等提出了“一種用于工業(yè)制冷的分布式超低氨充注系統(tǒng)（ＵＬＣ）”，其原理如圖２所示。ＵＬＣ系統(tǒng)是一種模塊化的分布式制冷系統(tǒng)，它將開式驅動螺桿壓縮機和蒸發(fā)器風扇結合在一個集成模塊中，并且采用封閉耦合式單元以及自動化的電子制冷劑供液控制技術，有效縮短了制冷劑進入蒸發(fā)器的管程。與單級中央制冷系統(tǒng)相比較，ＵＬＣ系統(tǒng)能減少７％的能源消耗、３％的用水量以及９８％的氨充注量，單個分布式單元最壞的情況下氨泄漏量低于45kg，提高了氨冷庫的安全性與經(jīng)濟性。歐美國家也有在凍藏間采用直膨式供液方式。凍藏間庫房內冷負荷穩(wěn)定，溫度波動較小，因 此其可以采用直膨式供液。直膨式供液為單倍供液，相較于氨泵供液不需要設置低壓液體循環(huán)桶，可以減少７５％的氨充注量（以循環(huán)倍率β＝４計）。這種供液方式需要更精準的自動化控制系統(tǒng)。為減少系統(tǒng)氨充注量可以在蒸發(fā)器部分采用低充注量排管控制氨充注量，或者冷間采用冷風機代替頂、墻排管，這樣不僅可以降低氨充注量還可以降低凍品的干耗，提高凍結間的周轉率，同時可以不設高壓儲液桶。低溫冷庫冷凍間庫內貨物在凍結前后溫差大，庫內溫度波動較大。因此，在氨冷庫的凍結間蒸發(fā)器宜采用泵供液的方式，氨泵供液的循環(huán)倍率一般?。怠?。多倍供液加泵供液的模式可以提高蒸發(fā)器內的傳熱系數(shù)且不會出現(xiàn)氨制冷劑氣 體的過熱，同時由于泵供液高流速沖刷可以防止在較低的蒸發(fā)溫度下潤滑油積存在蒸發(fā)器管道內影響換熱效果。如何獲取更大的過冷度是提高制冷循環(huán)cop的關鍵因素之一。研究表明，對于氨制冷系統(tǒng)，單位制冷量隨過冷度的增加變化最大，過冷度每增加1℃，氨制冷量約增加4.9ｋＪ／ｋｇ。冷庫中為了達到更低的庫溫，需要達到更低的蒸發(fā)溫度。制冷劑的熱力性質決定了其不可能 在具有較低的沸點溫度的同時兼有較高的臨界點溫度。在低溫制冷循環(huán)中，低溫制冷劑雖具有較低的蒸發(fā)溫度，但水冷冷凝器無法滿足其冷凝溫度。為解決上述問題，復疊式制冷循環(huán)分為高溫部分和低溫部分，兩個獨立的循環(huán)共用一個蒸發(fā)冷凝器，在其中高溫級制冷劑 蒸發(fā)冷卻低溫級制冷劑。在蒸發(fā)冷凝器內高溫級與低溫級的溫差應盡量取較小值（５ ℃）以提高制冷循環(huán)的經(jīng)濟性。對于復疊式制冷系統(tǒng)低溫部分的蒸發(fā)溫度變化對系統(tǒng)ＣＯＰ的影響比高溫部分冷凝溫度變化對其影響大。低溫級壓縮機能耗受蒸發(fā)溫度的影響很大，如何降低低溫級功耗是提升復疊式制冷效率的關鍵。
２．２ ＣＯ２ 作為低溫制冷劑的復疊式制冷系統(tǒng)用于食品冷凍的低溫冷庫設計蒸發(fā)溫度通常在-50℃～-30℃，標準大氣壓下沸點溫度為-56.6℃，可以制取最低溫度為-50℃以上的低溫。在-34 ℃蒸發(fā)溫度下ＣＯ２ 的絕對壓力相較于氨和Ｒ１３４ａ具有較高的飽和壓力，相同低溫工況下不會產生負壓。R744的ＯＤＰ和ＤＷＰ分別為為０和１，是天然的環(huán)境友好型制冷劑。其安全等級為Ａ１級，無色無味，化學性能穩(wěn)定。Ｒ７４４具有較高的汽化潛熱，在０ ℃時其單位容積制冷量約為22.6ＭＪ／ｍ３，是傳統(tǒng)制冷劑的５～８倍。ＣＯ２符合一般制冷劑的特點，具有較低的蒸發(fā)溫度的同時其臨界溫度也較低，超過臨界溫度無法液化，因此ＣＯ２作為制冷劑主要應用于跨臨界制冷循環(huán)與復疊式制冷循環(huán)。ＣＯ２跨臨界制冷循環(huán)容易受到地區(qū)環(huán)境溫度的制約，而以ＣＯ２作為低 溫制冷循環(huán)的復疊式制冷循環(huán)越來越多的被應用于工業(yè)和商業(yè)制冷中。Ｒ７４４／Ｒ７１７復疊式制冷系統(tǒng)在蒸發(fā)冷凝器中以氨作為高溫制冷劑來冷凝低溫的ＣＯ２制冷循環(huán)。以ＣＯ２作為低溫制冷循環(huán)相較于氨冷庫能得到更低的庫溫，減少凍結時間，降低了食品干耗；同時相較于氨制冷系統(tǒng)僅需要充入其１／８的氨量，大幅度提高了系統(tǒng)的安全性。２．３ 復疊式制冷系統(tǒng)應用于超低溫冷庫 超低溫冷庫（深冷庫）的溫度區(qū)間標準為－８０℃ ～－４５℃，可以存放速凍食品或者承擔快速制冰任務，也可以速凍金槍魚等名貴海鮮食品，更低的庫溫能避免肉類細胞之間形成冰晶體，更好的保證食品的品質。但是氨及ＣＯ２制冷劑達不到相應要求的蒸發(fā)溫度。因此Ｒ７４４／Ｒ７１７復疊式制冷系統(tǒng)不能用于庫溫－５０ ℃以下的超低溫冷庫。目前較為常見的應用超低溫冷庫的制冷系統(tǒng)多采用Ｒ２２／Ｒ１３復疊式制冷系統(tǒng)，其低溫部分設計蒸發(fā)溫度可以達到-80℃以下。為制取更低的庫溫，使用Ｒ１４作為超低溫制冷劑的三元復疊式制冷系統(tǒng)，可以達到-120℃以下的蒸發(fā)溫度。氟利昂類制冷系統(tǒng)必然會增加環(huán)境負擔。目前常用Ｒ１７０作為Ｒ１３的替代品，其標準大氣壓下沸點溫度為-88.9 ℃。但 Ｒ１７０易燃通常只用于充液量較少的低溫制冷設備中，或者和其他制冷劑組成低溫混配制冷劑，不適合用于大、中型冷庫設備。溫能避免肉類細胞之間形成冰晶體，更好的保證食品的品質。但是氨及ＣＯ２制冷劑達不到相應要求的蒸發(fā)溫度。因此Ｒ７４４／Ｒ７１７復疊式制冷系統(tǒng)不能用于庫溫-50℃以下的超低溫冷庫。目前較為常見的應用超低溫冷庫的制冷系統(tǒng)多采用Ｒ２２／Ｒ１３復疊式制冷系統(tǒng)，其低溫部分設計蒸發(fā)溫度可以達到-80℃以下。為制取更低的庫溫，使用Ｒ１４作為超低溫制冷劑的三元復疊式制冷系統(tǒng)，可以達到-120℃以下的蒸發(fā)溫度。氟利昂類制冷系統(tǒng)必然會增加環(huán)境負擔。目前常用Ｒ１７０作為Ｒ１３的替代品，其標準大氣壓下沸點溫度為-88.9℃。但Ｒ170易燃通常只用于充液量較少的低溫制冷設備中，或者和其他制冷劑組成低溫混配制冷劑，不適合用于大、中型冷庫設備。應用于大型商場或建設在人員較密集地區(qū)的中小型冷庫一般采用氟利昂制冷系統(tǒng)。采用氟利 昂系統(tǒng)冷庫優(yōu)勢在于氟利昂類制冷劑無毒無刺激氣味且機組的配置經(jīng)過幾十年發(fā)展非常完 備，只需簡單的接管即能投入運行。系統(tǒng)的設備簡單且體積小，大幅度節(jié)省了建設空間，機 組低噪聲運行，在閥件密閉良好的情況下制冷劑不會泄漏。缺點在于氟利昂制冷劑一旦泄漏會對環(huán)境產生破壞，且緩慢泄漏時難以檢測，同等設計下系統(tǒng)運行 效率低于氨制冷系統(tǒng)。Ｒ２２目前在氟利昂制冷系統(tǒng)中應用最為廣泛的制冷劑，但其會對臭氧層產生一定的破壞，根據(jù)《蒙特利爾議定書》規(guī)定２０３０開始，發(fā)展中國家不再使用Ｒ２２制冷劑。目前已經(jīng)開發(fā)出一些Ｒ２２的替代品，這些制冷劑的ＯＤＰ為０，但卻仍具有很高的 ＧＷＰ值。Ｒ４０７Ｃ與 Ｒ４０４Ａ是最常用的Ｒ２２替代制冷劑，其中Ｒ４０４Ａ是公認的廣泛使用在低溫冷庫中取代Ｒ２２的標準制冷劑。雖然這些制冷劑可以代替Ｒ２２應用于氟利昂冷庫而不對臭氧層產生破壞，但仍需注意不 能在原有的Ｒ２２制冷系統(tǒng)中采取直接“換血”式的制冷劑取代方式，因為各個制冷劑的物 化性能存在差異，需要對制冷系統(tǒng)進行相應的改造。表２為３種制冷劑的熱力性質表。通過研究發(fā)現(xiàn)對于較低的制冷劑流量，Ｒ４１０Ａ在直接膨脹式蒸發(fā)器比Ｒ２２表現(xiàn)出更好的性能，從觀察到的壓降和用前者記錄的過熱可以得出，Ｒ４０７Ｃ是直接膨脹蒸發(fā)器中取代Ｒ２２的最佳流體。但是對于高制冷劑流量為了盡量減少壓降，Ｒ４１０Ａ將是采用直膨式供液方式的冷庫更好的選擇。
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