郭耀君 謝 晶 朱世新 王金鋒 湯元睿

（1.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306；2.上海水產(chǎn)品加工與貯藏工程技術(shù)研究中心，上海 201306）

超低溫是指在食品加工、工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程所用到的－40～－80℃的溫度范圍［1］。這個(gè)溫度范圍廣泛應(yīng)用于高檔水產(chǎn)品（如金槍魚）的速凍儲(chǔ)藏、藥品（如冬蟲夏草）的儲(chǔ)藏和生產(chǎn)、特殊食品（如冰淇淋）的加工、低溫生物（如稀有物種種子）保存和電子元件在低溫下性能測(cè)試。另外，它還可以為材料的低溫下性能試驗(yàn)提供所需要的冷環(huán)境，例如對(duì)乙烯液化裝置低溫管道的焊縫進(jìn)行－46～－58℃下的低溫沖擊試驗(yàn)等［2］。文章重點(diǎn)介紹了實(shí)現(xiàn)超低溫的制冷方式、超低溫制冷系統(tǒng)中環(huán)保制冷劑的應(yīng)用、超低溫制冷用壓縮機(jī)研究進(jìn)展、超低溫制冷系統(tǒng)的應(yīng)用等方面的研究現(xiàn)狀，旨在為中國(guó)超低溫制冷裝置的發(fā)展提供依據(jù)。

1 實(shí)現(xiàn)超低溫的制冷方式

在實(shí)際運(yùn)用中獲得超低溫所需的制冷方式主要有雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)、復(fù)疊式制冷循環(huán)以及自復(fù)疊式制冷循環(huán)等系統(tǒng)。其中復(fù)疊式制冷是獲取該低溫段最主要的方法［3］。

1.1 雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)

雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)能夠有效減少單級(jí)壓縮制冷循環(huán)中由于壓比過(guò)大引起的不利因素，其制冷劑的壓縮過(guò)程由高、低壓兩級(jí)壓縮完成；根據(jù)節(jié)流級(jí)數(shù)分為一級(jí)節(jié)流和二級(jí)節(jié)流兩種，同時(shí)又根據(jù)制冷劑液體和蒸汽中間冷卻方式不同分為中間完全冷卻和中間不完全冷卻。不同的制冷劑可以達(dá)到不同的低溫，目前常用的R22、R507和R717可分別獲得－70，－70，－57℃［1］。

目前，對(duì)雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)的研究主要集中在中間冷卻器的優(yōu)化［4，5］。田華等［6］建立了帶中間冷卻器的 CO2雙級(jí)壓縮系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化后的中間冷卻器可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)壓縮機(jī)排氣壓力和最優(yōu)中間壓力。針對(duì)當(dāng)前超低溫冷藏庫(kù)的雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)頻繁啟停的問(wèn)題，楊永安等［7］提出一種將多臺(tái)壓縮冷凝機(jī)組并聯(lián)的一次節(jié)流中間完全冷卻雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)制冷劑流量來(lái)控制冷量，有效解決了雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)頻繁啟停的問(wèn)題并能達(dá)到節(jié)能效果。

1.2 兩級(jí)復(fù)疊式制冷循環(huán)系統(tǒng)

兩級(jí)復(fù)疊式制冷系統(tǒng)由兩個(gè)不同制冷劑工作的制冷系統(tǒng)組合而成，其中，高溫系統(tǒng)中的制冷劑蒸發(fā)用來(lái)冷凝低溫系統(tǒng)的制冷劑，高溫環(huán)路的蒸發(fā)器和低溫環(huán)路的冷凝器合成一個(gè)設(shè)備，稱為冷凝蒸發(fā)器［8］。

兩級(jí)復(fù)疊制冷系統(tǒng)低溫級(jí)潤(rùn)滑油的回油效果直接影響到系統(tǒng)的性能和可靠性［9］。Chung等［10］對(duì)高溫級(jí)使用R22和低溫級(jí)使用R23的復(fù)疊制冷系統(tǒng)的啟動(dòng)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，探究低溫級(jí)的壓縮機(jī)吸氣壓力和排氣壓力以及蒸發(fā)器入口壓力對(duì)整個(gè)復(fù)疊制冷系統(tǒng)整體溫度變化的影響，結(jié)果表明，低溫級(jí)壓縮機(jī)的排氣壓力和吸氣壓力以及蒸發(fā)器入口壓力等都對(duì)復(fù)疊制冷系統(tǒng)所能取得的最低溫度影響較大。牛寶聯(lián)等［11］對(duì)復(fù)疊制冷系統(tǒng)高溫級(jí)環(huán)路和低溫級(jí)環(huán)路不同的啟動(dòng)間隔進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明不同的時(shí)間間隔對(duì)復(fù)疊系統(tǒng)整體能耗影響不同：較長(zhǎng)的時(shí)間間隔導(dǎo)致了高溫級(jí)環(huán)路浪費(fèi)了大量能量；而適當(dāng)?shù)臅r(shí)間間隔既能達(dá)到高溫級(jí)環(huán)路耗能比較適中的效果，又能達(dá)到低溫級(jí)環(huán)路迅速降溫的目的；如果要實(shí)現(xiàn)較短的時(shí)間間隔，則需要保證低溫級(jí)排氣壓力在安全的范圍內(nèi)，否則這種較短時(shí)間間隔啟動(dòng)不可行。程有凱等［12］對(duì)雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)和復(fù)疊制冷系統(tǒng)在蒸發(fā)溫度－60～－80℃范圍內(nèi)進(jìn)行了比較分析，分析指出，在－60～－80℃范圍內(nèi)復(fù)疊式制冷系統(tǒng)在壓縮機(jī)效率、蒸發(fā)溫度上表現(xiàn)出了更大的優(yōu)勢(shì)。因此，復(fù)疊制冷系統(tǒng)在低于－60℃蒸發(fā)溫度時(shí)具有更高的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。

1.3 自復(fù)疊式制冷循環(huán)系統(tǒng)

相對(duì)于復(fù)疊制冷系統(tǒng)，雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜和成本較高等特點(diǎn)，同時(shí)雙級(jí)壓縮系統(tǒng)因?yàn)槭褂猛恢评鋭鶗?huì)受到制冷劑凝固點(diǎn)、系統(tǒng)壓比、蒸發(fā)壓力過(guò)低等因素的限制，所以雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)一般用于制取蒸發(fā)溫度－60℃以上的低溫區(qū)［13］。而復(fù)疊制冷系統(tǒng)由于采用兩套獨(dú)立的高低溫回路，冷量藕合要求高、高低溫環(huán)路啟動(dòng)時(shí)間間隔控制難度大，另外低溫環(huán)路需要安裝油分離裝置解決壓縮機(jī)回油困難的問(wèn)題［14］。雙級(jí)壓縮系統(tǒng)和復(fù)疊系統(tǒng)所用的壓縮機(jī)必須是多缸壓縮機(jī)或著是串聯(lián)多臺(tái)的壓縮機(jī)，因此以上兩種制冷系統(tǒng)不是小型超低溫制冷裝置的最佳選擇。

而采用一臺(tái)壓縮機(jī)進(jìn)行一次壓縮的自復(fù)疊制冷系統(tǒng)是獲得－40～－80℃低溫區(qū)的另一種重要方式［15］，通過(guò)分凝或者分餾裝置將非共沸制冷劑自然分離、多級(jí)復(fù)疊的方法，實(shí)現(xiàn)制取低溫的目的。這種方式極大地簡(jiǎn)化了制冷系統(tǒng)，還達(dá)到了減小制冷裝置體積的效果，十分適用于小型制冷裝置［16］。

Young等［17］通過(guò)一個(gè)可控調(diào)節(jié)閥將壓縮機(jī)出氣口與氣液分離器的底部相連，對(duì)自復(fù)疊制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)調(diào)節(jié)閥的連接使高溫高壓制冷劑進(jìn)入氣液分離器，根據(jù)調(diào)節(jié)閥的不同開度達(dá)到制冷劑變?nèi)萘空{(diào)節(jié)的效果，以此實(shí)現(xiàn)自復(fù)疊制冷系統(tǒng)在較低壓比的工況下仍能獲得較大的制冷量。陳光明等［18］搭建了一套低溫恒溫槽系統(tǒng)并成功地引入了精餾型自復(fù)疊制冷循環(huán)，進(jìn)一步拓寬了自復(fù)疊制冷循環(huán)的應(yīng)用范圍。芮勝軍等［19］針對(duì)自復(fù)疊制冷系統(tǒng)在剛開機(jī)時(shí)排氣壓力和排氣溫度過(guò)高的問(wèn)題，提出了一種壓力調(diào)節(jié)和控制方法，通過(guò)旁通支路調(diào)節(jié)方式達(dá)到了系統(tǒng)工質(zhì)在開機(jī)初期快速冷卻的效果。

2 超低溫制冷系統(tǒng)中環(huán)保制冷劑的應(yīng)用

制冷劑替代技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)著制冷技術(shù)的進(jìn)步。以前超低溫制冷系統(tǒng)經(jīng)常使用的制冷劑是R22、R13和R501、R502、R503系列，其中以R22、R13和 R502使用最廣泛［20］。根據(jù)《蒙特利爾協(xié)議》，制冷劑的消耗臭氧潛能值（ozone depression potential，ODP）和全球變暖潛能值（global warming potential，GWP）是兩項(xiàng)重要的考核指標(biāo)，基于此R13和R502于2010年完全淘汰；R22也是要被淘汰的工質(zhì)，因此尋找新的環(huán)保替代工質(zhì)是超低溫制冷技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。

2.1 自然工質(zhì)的應(yīng)用

自然工質(zhì)大體上可分為兩類：① 天然的碳?xì)漕愇镔|(zhì)，如丙烷、丁烷等；② 各種天然無(wú)機(jī)物，如 CO2、NH3等［21］。

其中CO2、NH3最具競(jìng)爭(zhēng)力。NH3/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的出現(xiàn)，解決了兩種工質(zhì)獨(dú)立作為超低溫制冷系統(tǒng)制冷劑的缺點(diǎn)。Pettersen等［22］研究表明，與NH3雙級(jí)壓縮系統(tǒng)相比，高溫級(jí)采用NH3和低溫級(jí)采用CO2的復(fù)疊壓縮系統(tǒng)可獲得－45～－70℃的低溫區(qū)。瑞士雀巢公司在法國(guó)的Beauviai冷庫(kù)于20世紀(jì)90年代中期就已經(jīng)開始采用NH3/CO2復(fù)疊式系統(tǒng)［23］。從2008年開始到2013年1月，美國(guó)市場(chǎng)上安裝了超過(guò)25套NH3/CO2復(fù)疊式超低溫制冷裝置［24］。

以R290為代表的碳?xì)浠衔锸悄壳皣?guó)際上比較看好的長(zhǎng)期替代R22的碳?xì)漕惢衔?，R290與R22的物性相似，二者主要性能比較見表1。

馬一太等［25］對(duì)以R290/CO2與 R22/R13為制冷劑的復(fù)疊式制冷循環(huán)進(jìn)行了熱力學(xué)分析，分析指出，R290/CO2復(fù)疊式制冷循環(huán)的性能系數(shù)（coefficient of performance，COP）比R22/R13的低，提出在CO2低溫環(huán)路安裝膨脹機(jī)代替熱力膨脹閥，從而提高R290/CO2系統(tǒng)的COP。

Christensen等［26］對(duì)超市用R290/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)（－40～－60℃）進(jìn)行能耗和經(jīng)濟(jì)性分析后發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的R404A系統(tǒng)相比，采用R290/CO2復(fù)疊系統(tǒng)初投資增加20%，隨著研究的深入和技術(shù)的逐漸成熟，初投資的增加降為10%左右，而與原來(lái)的R404A制冷系統(tǒng)相比，系統(tǒng)整體能耗可減少5%。

表1 R22和R290主要性能比較Table 1 Main performance comparison between R22and R290

表1 R22和R290主要性能比較Table 1 Main performance comparison between R22and R290

ODP是全球變暖潛能值，是描述物質(zhì)對(duì)平流層臭氧破壞能力的一種量值；GWP是全球變暖潛能值，用來(lái)表示和比較消耗臭氧層物質(zhì)對(duì)全球氣候變暖影響力的大小的一種量值。

制冷劑 化學(xué)分子式 標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)/℃ 凝固點(diǎn)/℃ 臨界壓力/MPa ODP GWP不燃R290 C3H8 －42.07 －187.7 4.254 0 0 2.2%～9.5%（V/V）燃燒范圍R22 CHClF2 －40.78 －160 4.974 0.045 1 900

以CO2、氨、R290為代表自然工質(zhì)將是解決環(huán)境問(wèn)題的最終方案。雖然當(dāng)前歐美一些超市已經(jīng)安裝了R717/CO2、R290/CO2等超低溫復(fù)疊制冷系統(tǒng)，但是此類制冷劑在設(shè)備運(yùn)行壓力、可燃性、刺激性等方面的問(wèn)題，限制了其在全球范圍內(nèi)的推廣。所以降低天然工質(zhì)運(yùn)行設(shè)備成本、尋找與之相匹配的阻燃劑以及減小爆炸極限是擴(kuò)大天然工質(zhì)替代范圍的一條有效出路。

2.2 HFC工質(zhì)的應(yīng)用

目前，常用于雙級(jí)或者復(fù)疊制冷系統(tǒng)的HFC類環(huán)保替代制冷劑主要有 R134a、R404A、R507、R116、R508B和 R23。6種制冷劑的物性對(duì)照見表2。

表2 6種制冷劑物性對(duì)照Table 2 Comparison of physical property of six kinds of refrigerant

R23、R116與R13的沸點(diǎn)都在－80℃左右，彼此很接近，是HFC物質(zhì)中替代R13的制冷劑最有可能的選擇。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，R23具有破壞壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)部件和分解潤(rùn)滑油等問(wèn)題，長(zhǎng)期使用還可導(dǎo)致電機(jī)線圈短路［27］。此外R23、R116和R508B的GWP值很高，故只能作為過(guò)渡性制冷劑使用。

對(duì)于R23、R508B的試驗(yàn)研究主要集中在其作為復(fù)疊系統(tǒng)低溫環(huán)路制冷劑的循環(huán)性能上。Agnew等［28］在復(fù)疊制冷系統(tǒng)中以制冷劑R717/R508B替代R12/R13并進(jìn)行了模擬運(yùn)行，模擬結(jié)果表明在－45～－60℃的超低溫范圍內(nèi)，R717/R508B具有更好的循環(huán)性能。Keumnam等［29］研究了在復(fù)疊制冷系統(tǒng)低溫環(huán)路使用R23作為R13替代物的循環(huán)性能。Robert等［30］研究了在蒸發(fā)溫度為－50～－70℃，制冷劑為R134a/R508B的復(fù)疊制冷系統(tǒng)在蒸發(fā)器中的質(zhì)量流量為50～70g/min。

隨著對(duì)R134a制冷劑應(yīng)用推廣，有不少學(xué)者將其應(yīng)用到了低溫系統(tǒng)；其中Kilicarslan［31］通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證R134a制冷劑可以應(yīng)用在多種復(fù)疊壓縮制冷系統(tǒng)中并作為高溫環(huán)路制冷劑。Murat等［32］通過(guò)對(duì)以R134a作為制冷劑的單級(jí)制冷系統(tǒng)和以R134a/R508B的復(fù)疊制冷系統(tǒng)進(jìn)行了比較，分析指出復(fù)疊制冷系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更低的蒸發(fā)溫度（－50～－75℃）和更高的單位容積效率。

R404A和R507在超低溫系統(tǒng)中是R502的中長(zhǎng)期替代品［33］。孫艷秀等［34］對(duì) R404A、R507和 R22在雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)中的運(yùn)行性能進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果表明：R404A和R507的各項(xiàng)性能比較接近，另外雙級(jí)壓縮系統(tǒng)采用R404A和R507達(dá)到的低溫范圍是－45～－75℃，比R22更廣。王維等［35］完成了一套采用工質(zhì) R404A/R23替代R22/R13的復(fù)疊制式系統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)組的設(shè)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在－45～－60℃內(nèi)，使用替代工質(zhì)R404A/R23的系統(tǒng)較原系統(tǒng)的制冷量略有降低，但其它系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)均優(yōu)于R22/R13系統(tǒng)，系統(tǒng)的可靠性大大提高。文獻(xiàn)［36］、［37］通過(guò)對(duì)R507和R502試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在相同的低溫工況（蒸發(fā)溫度－40℃）下，兩者的COP相當(dāng)，但R507的單位容積制冷量略高于R502。

HFC類工質(zhì)的ODP為0，但其溫室效應(yīng)高于天然工質(zhì)，低于CFC類工質(zhì)，仍屬于京都協(xié)議所規(guī)定的溫室氣體；但是根據(jù)測(cè)算，其排量在全球溫室氣體排放中所占比重很小。當(dāng)前HFC類工質(zhì)替代最大問(wèn)題是超低溫系統(tǒng)潤(rùn)滑和壓縮機(jī)匹配的問(wèn)題，若能解決好這些問(wèn)題，選擇HFC類工質(zhì)作為超低溫制冷系統(tǒng)中長(zhǎng)期替代制冷劑還是不錯(cuò)的選擇。

3 超低溫制冷用壓縮機(jī)研究進(jìn)展

3.1 壓縮機(jī)變頻技術(shù)

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，壓縮機(jī)能耗幾乎占了電機(jī)輸入功率的1/3［38］，應(yīng)作為節(jié)能考慮的主要切入點(diǎn)。壓縮機(jī)變頻技術(shù)在超低溫制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用已取得了一些進(jìn)展［39］。

楊昭等［40］通過(guò)實(shí)例分析得出，變頻壓縮機(jī)雖然初投資較大，但良好的節(jié)能效果使得其在超低溫制冷系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中具有較高的投資回報(bào)率，應(yīng)用前景廣泛。楊光等［41］在較大冷量范圍的－40～－55℃工況下，分析比較了活塞式壓縮機(jī)和螺桿式壓縮機(jī)的COP值以及配置的相應(yīng)功率之后發(fā)現(xiàn)，在較大制冷量時(shí)選用螺桿式壓縮機(jī)具有明顯的節(jié)能效果。王衍智等［42］研究了超低溫裝置中常用的幾種形式制冷機(jī)組的原理和產(chǎn)品性能對(duì)比，在對(duì)單機(jī)雙級(jí)變頻螺桿機(jī)組的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)，在－40～－65℃速凍裝置中，單機(jī)雙級(jí)變頻螺桿機(jī)組表現(xiàn)出了效率高、降溫快的優(yōu)勢(shì)，和市場(chǎng)中的同類產(chǎn)品相比具有突出的節(jié)能效果。蔡宗蓮等［43］針對(duì)超低溫復(fù)疊制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種復(fù)疊式螺桿壓縮機(jī)組的自動(dòng)控制裝置，通過(guò)變頻器和滑閥分別控制高、低溫螺桿壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)了制冷量調(diào)節(jié)，兩種能量調(diào)節(jié)方式的有機(jī)組合完成了對(duì)整個(gè)制冷系統(tǒng)的制冷量調(diào)節(jié)，使整個(gè)制冷壓縮機(jī)組能夠在多種工況條件下達(dá)到節(jié)約能源、降低成本的良好效果。

由于節(jié)能減排的需要，螺桿制冷壓縮機(jī)的節(jié)能改進(jìn)將會(huì)受到越來(lái)越多的關(guān)注。其中，變頻螺桿制冷壓縮機(jī)由于其優(yōu)越性能具有良好的發(fā)展前景。然而目前大型變頻器的成本是變頻螺桿制冷壓縮機(jī)的成本的2倍左右，變頻器的高價(jià)格限制了變頻螺桿制冷壓縮機(jī)的發(fā)展。可見，降低變頻器成本將成為今后變頻螺桿制冷壓縮機(jī)研發(fā)的主要方向。

3.2 CO2壓縮機(jī)研究

CO2壓縮機(jī)是CO2復(fù)疊式超低溫制冷系統(tǒng)的核心部件。CO2壓縮機(jī)具有運(yùn)行壓力高、壓差大、運(yùn)動(dòng)部件間隙難以控制、潤(rùn)滑較困難等不足［44］。因此CO2壓縮機(jī)的研究開發(fā)一直是CO2制冷技術(shù)應(yīng)用推廣的難點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外CO2壓縮機(jī)的研究進(jìn)展見表3。

表3 國(guó)內(nèi)外CO2壓縮機(jī)的研究及應(yīng)用Table 3 Research and application of domestic CO2compressors

因此，不管是基于加快中國(guó)在CO2壓縮機(jī)方面的研究速度，還是出于對(duì)環(huán)境保護(hù)的考慮，中國(guó)都必須加大CO2壓縮機(jī)的研制開發(fā)力度，并建立和完善與之配套的性能測(cè)試系統(tǒng)，為CO2壓縮機(jī)樣機(jī)和成品的性能改善進(jìn)一步提供試驗(yàn)依據(jù)，最終加速CO2制冷技術(shù)在中國(guó)的發(fā)展和成熟。

4 超低溫制冷系統(tǒng)的應(yīng)用

超低溫制冷系統(tǒng)在食品加工保藏方面的應(yīng)用主要在速凍加工上。速凍就是迅速冷凍使食物以最短的時(shí)間通過(guò)最大結(jié)晶區(qū)，并形成均勻分布的細(xì)小冰晶，對(duì)細(xì)胞組織損傷較小，從而保存時(shí)間較長(zhǎng)。其最大優(yōu)點(diǎn)就是使食品在解凍后基本能保持原有的色、香、味，同時(shí)使食品營(yíng)養(yǎng)最大限度地保存下來(lái)，可以達(dá)到錯(cuò)開季節(jié)，提升食品價(jià)值，創(chuàng)造更高經(jīng)濟(jì)效益的超低溫［51］。

4.1 水產(chǎn)品的冷凍冷藏

超低溫最典型的應(yīng)用就是金槍魚的冷凍冷藏鏈的開發(fā)。金槍魚是大洋性水產(chǎn)品中的珍品，其魚肉因血紅素含量高而呈鮮紅色，且具有高蛋白、低脂肪等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)富含維生素、不飽和脂肪酸（EPA和DHA）以及?；撬幔渲蠩PA為金槍魚所特有的營(yíng)養(yǎng)物。因此基于對(duì)金槍魚肉品質(zhì)的保障，金槍魚貯藏必須保證－55～－65℃的超低溫環(huán)境［52］。而超低溫制冷裝置是金槍魚漁業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，目前金槍魚遠(yuǎn)洋漁業(yè)作業(yè)船所用低溫凍藏制冷系統(tǒng)一般采用活塞式單機(jī)雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)，采用R22作制冷劑［53］。楊利艷等［54］指出雙級(jí)復(fù)疊速凍系統(tǒng)（－75℃）與單級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)（－18℃）相比，更能延長(zhǎng)凡納濱對(duì)蝦的儲(chǔ)藏時(shí)間并保證其新鮮品質(zhì)。

4.2 淀粉及淀粉類食品的低溫冷藏

淀粉凝沉是制約淀粉類食品行業(yè)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題，而溫度是影響淀粉凝沉的主要因素。Kelekci等［55］通過(guò)帶有自復(fù)疊制冷系統(tǒng)的小型低溫冷凍裝置進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)－60℃下淀粉基本不發(fā)生凝沉現(xiàn)象，結(jié)論認(rèn)為小麥粉餅在－60℃貯藏能長(zhǎng)期保持面餅的品質(zhì)。超低溫制冷系統(tǒng)在淀粉及淀粉類食品低溫貯藏方面應(yīng)用將會(huì)有很大的發(fā)展前景。

4.3 其他方面的應(yīng)用

Bassols等［56］研究指出兩級(jí)復(fù)疊式制冷系統(tǒng)在咖啡深加工過(guò)程中可提供－55℃低溫冷凍環(huán)境。此外，超低溫制冷系統(tǒng)還可以應(yīng)用在科學(xué)試驗(yàn)和工業(yè)生產(chǎn)中。鋼筋、混凝土結(jié)構(gòu)正被越來(lái)越多地應(yīng)用于超低溫環(huán)境領(lǐng)域，實(shí)驗(yàn)室通常利用復(fù)疊式制冷系統(tǒng)創(chuàng)造的－50～－80℃低溫環(huán)境對(duì)鋼筋與混凝土粘結(jié)性能開展研究［57］。在化工生產(chǎn)過(guò)程中，從產(chǎn)生的燃料氣中回收液化石油氣則需要－50℃的制冷溫度，現(xiàn)有的天然氣液化領(lǐng)域普遍采用－40℃的低溫將丙烷預(yù)冷。

5 展望

近年來(lái)中國(guó)超低溫制冷裝置的研究已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，但由于起步較晚，以日本和歐美為主的發(fā)達(dá)國(guó)家又進(jìn)行技術(shù)封鎖，導(dǎo)致中國(guó)超低溫制冷壓縮機(jī)制造技術(shù)、新型環(huán)保制冷劑替代技術(shù)等核心技術(shù)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，為實(shí)現(xiàn)超低溫制冷裝置的核心技術(shù)國(guó)產(chǎn)化，未來(lái)的超低溫制冷裝置發(fā)展可從以下三方面加強(qiáng)研究：

（1）加強(qiáng)對(duì)自然工質(zhì)（CO2、R290等）的復(fù)疊系統(tǒng)傳熱過(guò)程的模型化研究，對(duì)自然工質(zhì)復(fù)疊系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制進(jìn)行可視化的研究，根據(jù)其實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，尋找合適、準(zhǔn)確的控制方法。

（2）對(duì)替代工質(zhì)的安全性、熱穩(wěn)定性、與系統(tǒng)潤(rùn)滑油的互溶性等性質(zhì)完成從模擬到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的過(guò)程，以及新的制冷設(shè)備的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)方案、耐壓性、密封性等展開研究，并完善制定替代工質(zhì)實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)。

（3）變頻螺桿壓縮機(jī)的優(yōu)化：提高核心零部件設(shè)計(jì)與加工精度，減少轉(zhuǎn)子壓縮腔運(yùn)動(dòng)部件間隙的泄漏，提高轉(zhuǎn)子齒面加工精度，降低轉(zhuǎn)子振動(dòng)的噪聲，深入變頻器結(jié)構(gòu)研究，降低變頻器的應(yīng)用成本；盡快出臺(tái)CO2壓縮機(jī)性能試驗(yàn)方法的相應(yīng)行業(yè)規(guī)范及各種工況的國(guó)家執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。

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