張新玉,郭憲民,任立乾

(天津商業(yè)大學天津市制冷技術(shù)重點實驗室,天津 300134)

CO2為載冷劑的氨制冷系統(tǒng)及其應(yīng)用

張新玉,郭憲民*,任立乾

(天津商業(yè)大學天津市制冷技術(shù)重點實驗室,天津 300134)

介紹了以 CO2為載冷劑的氨制冷系統(tǒng)原理、國外開發(fā)生產(chǎn)的系列產(chǎn)品性能及工程應(yīng)用實例,分析了該系統(tǒng)在安全、節(jié)能方面的優(yōu)勢。該系統(tǒng)中氨制冷系統(tǒng)的氨充注量可大大減少,且氨被限制在機房范圍內(nèi),與冷間等人員密集的工作區(qū)域隔離,大大提高了系統(tǒng)的安全性;同時,該系統(tǒng)結(jié)合了氨制冷系統(tǒng)的高效和CO2載冷劑熱力及流動性能優(yōu)良、采用相變換熱等優(yōu)點,可使系統(tǒng)總的性能顯著提高。目前,國外公司己經(jīng)開發(fā)生產(chǎn)出以CO2為載冷劑的氨制冷系統(tǒng)的系列產(chǎn)品,并廣泛應(yīng)用于冷凍、冷藏及速凍行業(yè),其性能比NH3/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)有大幅提高。

氨;制冷系統(tǒng);CO2載冷劑;安全性

0 引言

近年來,臭氧層破壞和溫室效應(yīng)等環(huán)境問題越來越突出,這對制冷行業(yè)產(chǎn)生了很大的影響。目前, CFCs制冷劑己被禁用,HCFCs也在被逐步淘汰,因此采用新型環(huán)保制冷劑和制冷系統(tǒng)勢在必行。自然工質(zhì)有其不可替代的優(yōu)越性而被作為替代工質(zhì)的首選[1]。

自然工質(zhì)NH3的ODP和GWP均為0,是一種環(huán)保的工質(zhì),并且氨作為制冷工質(zhì)還具有良好的熱力學性能,其單位容積制冷量較傳統(tǒng)的氟利昂制冷劑大,0 ℃時達到4,360 kJ/m3,因此采用氨作為制冷劑可以減小換熱器尺寸和選擇較小尺寸的壓縮機,降低了系統(tǒng)能耗[2];氨的價格較低,容易檢漏。但是,氨本身具有毒性、可燃性,空氣中氨含量在0.5%～0.8%時就能導(dǎo)致中毒,在11%～14%時即可燃燒,含量達到16%～25%遇明火就會引起爆炸[3],因此直接使用在食品儲藏、保鮮及人員密集場所會帶來安全問題,其應(yīng)用受到一定的限制。

為了解決氨制冷系統(tǒng)中的這些問題,不僅要對系統(tǒng)安裝及設(shè)備的質(zhì)量和從業(yè)人員的職業(yè)素質(zhì)進行嚴格把關(guān),還要從系統(tǒng)的改進著手,從根本上解決安全問題。目前應(yīng)用比較多的是NH3/CO2的復(fù)疊式制冷系統(tǒng),但該系統(tǒng)在低溫側(cè)要使用CO2壓縮機,從而造成系統(tǒng)COP較低。以CO2為載冷劑的氨制冷系統(tǒng)中,CO2側(cè)可以選擇自然循環(huán)或者使用CO2循環(huán)泵進行強制循環(huán),不僅解決了氨作為制冷劑帶來的一些安全隱患問題,還降低了系統(tǒng)能耗[4]。

1 CO2載冷劑氨制冷系統(tǒng)

以CO2為載冷劑的氨雙級壓縮制冷系統(tǒng)如圖1所示。低壓氨蒸氣經(jīng)壓縮機壓縮,進入冷凝器冷卻,再通過節(jié)流閥節(jié)流降壓,最后進入蒸發(fā)冷凝器中和載冷劑CO2進行熱換熱,CO2在蒸發(fā)冷凝器中凝結(jié)為液體,然后以自然循環(huán)或者使用CO2循環(huán)泵進行強制循環(huán)進入冷風機中吸收外界熱量,最后以氣態(tài)形式再次進入到蒸發(fā)冷凝器中。與NH3/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)不同,以CO2為載冷劑的氨制冷系統(tǒng)中, CO2側(cè)沒有壓縮機,采用自然循環(huán)方式或者由循環(huán)泵提供動力。氨制冷系統(tǒng)和CO2循環(huán)系統(tǒng)通過蒸發(fā)冷凝器進行冷量輸送,蒸發(fā)冷凝器是氨制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器,同時也是CO2側(cè)的冷凝器,其換熱性能直接影響到氨側(cè)的蒸發(fā)溫度和CO2側(cè)的冷凝溫度,最終影響制冷系統(tǒng)的性能指標和經(jīng)濟指標。一般情況下,當蒸發(fā)溫度高于-25 ℃時該系統(tǒng)可采用氨單級壓縮[5]。系統(tǒng)中載冷劑——CO2為自然工質(zhì),具有不可燃、不助燃、無毒、價格低廉等特點。CO2的傳熱性能良好,因此可以使設(shè)備設(shè)計尺寸更小,降低系統(tǒng)耗能[6-7]。

CO2作為載冷劑的氨制冷系統(tǒng)中,氨的充注量相比較于傳統(tǒng)的氨制冷系統(tǒng)大幅度減少,最高可減少90%,從源頭上降低了系統(tǒng)的危險性;并且氨制冷系統(tǒng)可以設(shè)置在遠離公共場所和經(jīng)常需要人員出入的場所;CO2無毒、不可燃、沒有氣味,并且相對分子質(zhì)量比空氣大,還可以直接送入超市制冷設(shè)備對食品進行凍結(jié)和冷藏,進一步解決了安全問題。CO2在冷風機中的蒸發(fā)是相變換熱,因此在提供相同冷量情況下,載冷劑的質(zhì)量流量減少,從而使系統(tǒng)管道直徑和換熱器面積減小,使系統(tǒng)布置可以更加緊湊,不僅降低材料使用量還節(jié)省了空間。CO2側(cè)不需用壓縮機,實現(xiàn)了無油運行,徹底消除了潤滑油對傳熱性能的影響。同時,CO2載冷劑利用了相變潛熱,與其他非相變載冷劑相比,CO2循環(huán)泵的功率大幅度降低。

綜上所述,以CO2作為載冷劑的氨制冷系統(tǒng)具有很好的發(fā)展前景,不僅使用了對環(huán)境友好的自然工質(zhì),系統(tǒng)還更加節(jié)能。由于低溫級采用自然工質(zhì)CO2,拓寬了該系統(tǒng)的使用范圍。

圖1 CO2載冷劑氨雙級壓縮制冷系統(tǒng)示意圖

2 CO2載冷劑氨制冷系統(tǒng)的應(yīng)用

由于以CO2作為載冷劑的氨制冷系統(tǒng)具有氨充注量小、系統(tǒng)COP高等優(yōu)點,且可實現(xiàn)氨與人員密集區(qū)域的分離,從而大大提高了氨系統(tǒng)的安全性,因此得到了越來越廣泛的應(yīng)用。近年來,歐洲的一些國家己經(jīng)開發(fā)出商用的CO2做載冷劑的氨制冷系統(tǒng),主要應(yīng)用在大型的商場和工業(yè)制冷領(lǐng)域中[8]。自2006年以來,美國己建了50多個CO2作載冷劑的NH3/CO2裝置。費城冷庫是美國第二個采用NH3/CO2裝置的大型冷庫,可貯存30,000個標準托盤,約4萬噸物品[5]。日本也有不少產(chǎn)品相繼問世,并且己經(jīng)廣泛應(yīng)用在冷凍冷藏行業(yè)中。

2.1 整體式CO2載冷劑氨制冷機組及其性能

為了提高系統(tǒng)的安全性和性能,日本某公司開發(fā)了半封閉式單機雙級螺桿壓縮機,并己應(yīng)用于冷凍冷藏系統(tǒng)。該壓縮機結(jié)構(gòu)如圖2所示,采用高效永磁(IPM)電機,其繞組為鋁漆包線,可有效防止氨對電機的腐蝕,提高安全性并使其整體結(jié)構(gòu)更加緊湊,能有效防止氨制冷劑的泄漏;轉(zhuǎn)子采用氨制冷劑專用新型齒形設(shè)計,其性能得到顯著提高。

圖2 半封閉式單機雙級螺桿氨壓縮機

使用上述半封閉式NH3壓縮機,日本該公司開發(fā)生產(chǎn)了以CO2為載冷劑的氨制冷整體式機組系列產(chǎn)品。其產(chǎn)品主要包括使用半封閉式單機雙級壓縮機的CO2載冷氨制冷系統(tǒng)和使用單級開啟式壓縮機的CO2載冷氨制冷系統(tǒng),分別應(yīng)用于冷凍(速凍)庫和冷藏庫。使用單級壓縮機的機組的額定工況為CO2冷凝溫度為-15 ℃,用于 C級冷藏庫(庫溫-20 ℃～5 ℃);使用雙級壓縮機的機組的額定工況為CO2冷凝溫度為-30 ℃,用于F級冷藏庫(庫溫-40 ℃～-20 ℃)和速凍庫(庫溫-40 ℃～-30 ℃)。根據(jù)冷凝方式的不同,上述機組可分為水冷機組和一體式機組,其中一體式機組采用蒸發(fā)冷卻方式;水冷機組的額定冷凝溫度為 40 ℃,一體式機組的額定冷凝溫度為35 ℃。表1列出了使用單級壓縮機和半封閉式單機雙級壓縮機的以CO2作載冷劑的氨制冷機組產(chǎn)品的性能參數(shù)。

從表1可以看到,以CO2為載冷劑的氨制冷機組針對不同蒸發(fā)溫度工況己經(jīng)形成了系列產(chǎn)品,高溫機組(CO2冷凝溫度為-15 ℃)制冷量為48 kW～125 kW,系統(tǒng)COP為2.56～2.87;低溫機組(CO2冷凝溫度為-30 ℃)制冷量為40 kW～231 kW,系統(tǒng)COP為 1.71～2.02;另外,開發(fā)了專門用于速凍的機組,其COP可達到2.0左右。特別是低溫機組,相對于NH3/CO2復(fù)疊式制冷,其系統(tǒng)性能得到了提高,并且循環(huán)泵的耗功很低,在某些制冷量較小的應(yīng)用場合,甚至可以不使用循環(huán)泵。同時,一體式機組將氨制冷系統(tǒng)、冷凝蒸發(fā)器及CO2循環(huán)泵、儲液器等組裝成一個整體,安裝過程中只需將CO2冷風機與機組連接即可,水冷機組則需連接冷卻水系統(tǒng),安裝非常方便,其外形如圖3所示。圖4為該水冷式機組應(yīng)用于日本某冷庫的現(xiàn)場照片。

表1 CO2載冷氨制冷系統(tǒng)性能參數(shù)

圖3 CO2載冷一體式氨制冷機組外形

圖4 CO2載冷水冷式氨制冷機組照片

2.2 整體式CO2載冷劑氨制冷機組的應(yīng)用

日本某公司的上述產(chǎn)品己經(jīng)大量應(yīng)用于實際工程中,以下為幾個應(yīng)用實例。

圖5所示為一體式CO2自然循環(huán)氨制冷系統(tǒng),由于系統(tǒng)冷量較小,CO2載冷劑側(cè)采用自然循環(huán)即能滿足要求。由于CO2循環(huán)系統(tǒng)不設(shè)置循環(huán)泵,使得系統(tǒng)得以簡化,提高了系統(tǒng)可靠性。

圖5 一體式CO2自然循環(huán)氨制冷系統(tǒng)

圖6為一體式CO2強制循環(huán)氨制冷機組應(yīng)用于制冰系統(tǒng)示意圖。系統(tǒng)中使用了CO2循環(huán)泵進行強制循環(huán),可以大大增加CO2循環(huán)量,適用于制冷量較大的系統(tǒng)。一體式機組采用蒸發(fā)式冷凝器,可安裝在屋頂?shù)葓龊?安裝過程中只需將制冰槽盤管與機組連接即可,安裝非常方便。

圖6 一體式CO2強制循環(huán)氨制冰系統(tǒng)

圖7所示為水冷式CO2強制循環(huán)氨速凍系統(tǒng)示意圖。氨制冷系統(tǒng)采用水冷方式,氨制冷系統(tǒng)、冷凝蒸發(fā)器、CO2循環(huán)泵和儲液器等被組裝成一個整體,可安裝在機房或屋頂,安裝過程中只需將CO2冷風機及冷卻塔水系統(tǒng)與機組連接即可。

圖7 水冷式CO2強制循環(huán)氨速凍系統(tǒng)

2.3 CO2載冷劑循環(huán)安全防護與冷風機除霜方式

以CO2為載冷劑的氨制冷系統(tǒng)一般應(yīng)用于制冷溫度為-50 ℃～0 ℃的場合,CO2循環(huán)側(cè)壓力較高,特別是在除霜時壓力可達4.0 MPa ～5.0 MPa;受環(huán)境溫度的影響,在系統(tǒng)停機時其壓力可能更高。由于 CO2循環(huán)側(cè)一般置于冷庫和冷間等人員密集區(qū)域,因此其壓力安全防護尤為重要。首先,在系統(tǒng)設(shè)計和安裝過程中要充分考慮壓力容器和管道的承壓能力,確保壓力安全;其次,在系統(tǒng)中設(shè)置可靠的安全閥等壓力安全防護裝置,以便在壓力超出安全工作壓力時及時泄壓,確保系統(tǒng)安全;第三,有資料[4,8]介紹,該系統(tǒng)需安裝輔助制冷裝置,以便在系統(tǒng)停機時維持儲液罐內(nèi)液體 CO2處于低溫狀態(tài)。這個方案的缺點是大大增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性,因此實際應(yīng)用中很少采用。一般的做法是,在停機過程中放空或回收部分CO2載冷劑,以保證CO2循環(huán)側(cè)壓力處于安全范圍內(nèi)。

以CO2為載冷劑的氨制冷系統(tǒng)的冷風機在CO2循環(huán)側(cè),其除霜方式與傳統(tǒng)氨制冷系統(tǒng)或氟利昂制冷系統(tǒng)基本相同但又有所區(qū)別,常用的除霜方式為電除霜或(鹽)水除霜,這與傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)是相同的,但要注意的是在除霜過程中CO2壓力較高,需要做好防護措施以確保壓力安全。除此之外,黃志華[8]介紹了一種采用CO2熱氣進行除霜的方法。該系統(tǒng)需要安裝額外的除霜CO2壓縮機向冷風機提供熱氣,而該壓縮機僅在除霜過程中運行。這種除霜方式系統(tǒng)復(fù)雜,更重要的是,CO2循環(huán)側(cè)自身是無油運行的,如果采用了除霜壓縮機,其潤滑油勢必要進入冷風機及CO2載冷劑系統(tǒng),那么必須配置相應(yīng)的回油措施,以確保順利回油。由于存在這些問題,這種除霜方式并未在實際中得到應(yīng)用。

3 結(jié)論

CO2為載冷劑的氨制冷系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用之所以得到高度關(guān)注和快速的發(fā)展,是因為其有獨特的優(yōu)勢:1)以CO2作載冷劑的氨制冷系統(tǒng)的使用可以大大減少系統(tǒng)中氨的充注量,有效地減少了安全事故的發(fā)生;2)以CO2作載冷劑的氨制冷系統(tǒng)中,氨的應(yīng)用被限制在機房范圍內(nèi),與冷間等人員密集的工作區(qū)域隔離,大大提高了氨制冷系統(tǒng)的安全性;3)CO2無毒、無味、不可燃,可以直接進入工作區(qū)域,其缺點是工作壓力較高,但由于采用相變換熱,其管道尺寸較小,換熱器結(jié)構(gòu)比較緊湊,節(jié)約材料并減少了占用空間;4)以CO2作載冷劑的氨制冷系統(tǒng)結(jié)合了氨制冷系統(tǒng)的高效以及CO2優(yōu)良的熱力及流動性能,可使系統(tǒng)總的性能顯著提高。

以CO2作載冷劑的氨制冷系統(tǒng)在安全和性能等方面的獨特優(yōu)勢,將是今后替代現(xiàn)有冷庫氨制冷系統(tǒng)的優(yōu)選方案之一。目前,我國對該系統(tǒng)的研究較少,特別是對半封閉式氨制冷壓縮機的研究幾乎空白,因此我們必須加大對其研究力度,并在現(xiàn)有條件下在實際工程中推廣應(yīng)用,逐步完善系統(tǒng)設(shè)計,打破國外的技術(shù)壟斷。

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Ammonia Refrigeration System with CO2Secondary Loop and lts Application

ZHANG Xin-yu, GUO Xian-min*, REN Li-qian
(Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology, Tianjin University of Commerce, Tianjin 300134, China)

The principle and the examples of engineering application of the ammonia refrigeration system with CO2secondary loop are introduced, and the performance of the serialization products of this system which are produced by a foreign corporation is summarized. The amount of ammonia charge in the refrigeration system with CO2secondary loop can be reduced greatly, and the ammonia refrigerant is confined in the refrigeration device room, so is separated from the cold storage room or the cold processing shop, which can greatly improve the safety of the ammonia system. Moreover, the performance of the ammonia refrigeration system with CO2secondary loop is improved significantly due to the combination of the high performance of the ammonia refrigeration system and the good thermal and flow characteristics of the volatile CO2secondary refrigerant. At present, the serialization products of the ammonia refrigeration system with CO2secondary loop have been developed and applied widely in the cold storage and fast freezing. The COP of the ammonia two-stage refrigeration system with CO2secondary loop is greater significantly than that of the traditional NH3/CO2cascade refrigeration system.

Ammonia; Refrigeration system; CO2secondary refrigerant; Safety

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.03.202

*郭憲民(1962-),男,教授,博士。研究方向:制冷系統(tǒng)節(jié)能及優(yōu)化。聯(lián)系地址:天津市北辰區(qū)津霸公路東口天津商業(yè)大學制冷與空調(diào)工程系,郵編:300134。聯(lián)系電話:022-26669660。E-mail:xmguo@tjcu.edu.cn。