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(fù)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(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。
1 、氨制冷系統(tǒng)
1.1氨制冷系統(tǒng)特點(diǎn)
(1)氨制冷系統(tǒng)是目前大型冷庫應(yīng)用最廣泛的制冷系統(tǒng)。
(2)天然的制冷劑，其ODP 和GWP都為零。
(3)物理性質(zhì)與R22近似。
(4)蒸發(fā)壓力與冷凝壓力適中，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下蒸發(fā)溫度-33.3℃，在冷卻水溫30℃～35℃ 范圍內(nèi)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(shí)，氨制冷壓縮機(jī)的體積最小，且氨制冷劑造價(jià)低廉容易制取。
(6)安全等級(jí)為B2，有毒，空氣中氨濃度升高達(dá)到16%～25%時(shí)遇明火會(huì)發(fā)生爆炸。
因此各國都出臺(tái)相應(yīng)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(duì)使用氨作制冷劑的冷庫制冷系統(tǒng)，氨的充注量不應(yīng)超過40噸;作為重大危險(xiǎn)化學(xué)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(jí)壓縮中間完全冷卻循環(huán)。圖1是雙級(jí)壓縮氨制冷系統(tǒng)原理圖，典型的氨冷庫設(shè)備繁多，除了制冷循環(huán)的主要部件外，還要增設(shè)多種輔助設(shè)備。
氨是一種典型的無機(jī)物制冷劑，不溶于潤滑油，需要在壓縮機(jī)出口設(shè)置油分離器，還要在各個(gè)主要儲(chǔ)氨裝置設(shè)置放油管。為收集系統(tǒng)內(nèi)的制冷劑需要時(shí)設(shè)置高壓儲(chǔ)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(jìn)
1.2.1 減少系統(tǒng)內(nèi)氨的充注量
目前國內(nèi)氨冷庫一般采用集中式設(shè)計(jì)，各個(gè)冷間共用一臺(tái)冷凝器，按照制冷量需求的不同由高壓液體調(diào)節(jié)站統(tǒng)一分配調(diào)節(jié)，多余的制冷劑液體儲(chǔ)存在高壓儲(chǔ)液桶內(nèi)。冷庫的機(jī)房設(shè)置在庫房的外側(cè)，由機(jī)房到冷庫內(nèi)長距離的輸送管道也會(huì)存有大量的制冷劑。
集中式氨冷庫內(nèi)存有大量的制冷劑，根據(jù)國際氨制冷學(xué)會(huì)提供的相關(guān)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但仍然會(huì)給企業(yè)和當(dāng)?shù)卣畮硪欢▔毫?。在氨制冷系統(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(qū)動(dòng)螺桿壓縮機(jī)和蒸發(fā)器風(fēng)扇結(jié)合在一個(gè)集成模塊中，并且采用封閉耦合式單元以及自動(dòng)化的電子制冷劑供液控制技術(shù)，有效縮短了制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器的管程。與單級(jí)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(gè)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(jì)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(nèi)冷負(fù)荷穩(wěn)定，溫度波動(dòng)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(shè)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(jì))。
這種供液方式需要更精準(zhǔn)的自動(dòng)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(fēng)機(jī)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(jié)間的周轉(zhuǎn)率，同時(shí)可以不設(shè)高壓儲(chǔ)液桶。
1.2.2 提高氨制冷循環(huán)的效率
低溫冷庫冷凍間庫內(nèi)貨物在凍結(jié)前后溫差大，庫內(nèi)溫度波動(dòng)較大。因此，在氨冷庫的凍結(jié)間蒸發(fā)器宜采用泵供液的方式，氨泵供液的循環(huán)倍率一般取5～6。多倍供液加泵供液的模式可以提高蒸發(fā)器內(nèi)的傳熱系數(shù)且不會(huì)出現(xiàn)氨制冷劑氣
體的過熱，同時(shí)由于泵供液高流速?zèng)_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(nèi)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(guān)鍵因素之一。研究表明，對(duì)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。
2、 復(fù)疊式制冷系統(tǒng)
2.1 復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的特點(diǎn)
冷庫中為了達(dá)到更低的庫溫，需要達(dá)到更低的蒸發(fā)溫度。制冷劑的熱力性質(zhì)決定了其不可能
在具有較低的沸點(diǎn)溫度的同時(shí)兼有較高的臨界點(diǎn)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(fù)疊式制冷循環(huán)分為高溫部分和低溫部分，兩個(gè)獨(dú)立的循環(huán)共用一個(gè)蒸發(fā)冷凝器，在其中高溫級(jí)制冷劑
蒸發(fā)冷卻低溫級(jí)制冷劑。在蒸發(fā)冷凝器內(nèi)高溫級(jí)與低溫級(jí)的溫差應(yīng)盡量取較小值(5
℃)以提高制冷循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于復(fù)疊式制冷系統(tǒng)低溫部分的蒸發(fā)溫度變化對(duì)系統(tǒng)COP的影響比高溫部分冷凝溫度變化對(duì)其影響大。低溫級(jí)壓縮機(jī)能耗受蒸發(fā)溫度的影響很大，如何降低低溫級(jí)功耗是提升復(fù)疊式制冷效率的關(guān)鍵。
2.2 CO2 作為低溫制冷劑的復(fù)疊式制冷系統(tǒng)
用于食品冷凍的低溫冷庫設(shè)計(jì)蒸發(fā)溫度通常在-50℃～-30℃，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下沸點(diǎn)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(duì)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(huì)產(chǎn)生負(fù)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(jí)為A1級(jí)，無色無味，化學(xué)性能穩(wěn)定。R744具有較高的汽化潛熱，在0
℃時(shí)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(diǎn)，具有較低的蒸發(fā)溫度的同時(shí)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(yīng)用于跨臨界制冷循環(huán)與復(fù)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(fù)疊式制冷循環(huán)越來越多的被應(yīng)用于工業(yè)和商業(yè)制冷中。R744/R717復(fù)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(jié)時(shí)間，降低了食品干耗;同時(shí)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(fù)疊式制冷系統(tǒng)應(yīng)用于超低溫冷庫
超低溫冷庫(深冷庫)的溫度區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)為-80℃
～-45℃，可以存放速凍食品或者承擔(dān)快速制冰任務(wù)，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(xì)胞之間形成冰晶體，更好的保證食品的品質(zhì)。但是氨及CO2制冷劑達(dá)不到相應(yīng)要求的蒸發(fā)溫度。因此R744/R717復(fù)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(yīng)用超低溫冷庫的制冷系統(tǒng)多采用R22/R13復(fù)疊式制冷系統(tǒng)，其低溫部分設(shè)計(jì)蒸發(fā)溫度可以達(dá)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(fù)疊式制冷系統(tǒng)，可以達(dá)到-120℃以下的蒸發(fā)溫度。氟利昂類制冷系統(tǒng)必然會(huì)增加環(huán)境負(fù)擔(dān)。目前常用R170作為R13的替代品，其標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下沸點(diǎn)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(shè)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(shè)備。
溫能避免肉類細(xì)胞之間形成冰晶體，更好的保證食品的品質(zhì)。但是氨及CO2制冷劑達(dá)不到相應(yīng)要求的蒸發(fā)溫度。因此R744/R717復(fù)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(yīng)用超低溫冷庫的制冷系統(tǒng)多采用R22/R13復(fù)疊式制冷系統(tǒng)，其低溫部分設(shè)計(jì)蒸發(fā)溫度可以達(dá)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(fù)疊式制冷系統(tǒng)，可以達(dá)到-120℃以下的蒸發(fā)溫度。氟利昂類制冷系統(tǒng)必然會(huì)增加環(huán)境負(fù)擔(dān)。目前常用R170作為R13的替代品，其標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下沸點(diǎn)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(shè)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(shè)備。
3、 氟利昂制冷系統(tǒng)
3.1 氟利昂制冷系統(tǒng)的特點(diǎn)
應(yīng)用于大型商場(chǎng)或建設(shè)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(shì)在于氟利昂類制冷劑無毒無刺激氣味且機(jī)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(yùn)行。系統(tǒng)的設(shè)備簡單且體積小，大幅度節(jié)省了建設(shè)空間，機(jī)
組低噪聲運(yùn)行，在閥件密閉良好的情況下制冷劑不會(huì)泄漏。
缺點(diǎn)在于氟利昂制冷劑一旦泄漏會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生破壞，且緩慢泄漏時(shí)難以檢測(cè)，同等設(shè)計(jì)下系統(tǒng)運(yùn)行 效率低于氨制冷系統(tǒng)。
3.2 幾種R22的替代制冷劑及其性質(zhì)
R22目前在氟利昂制冷系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的制冷劑，但其會(huì)對(duì)臭氧層產(chǎn)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(rèn)的廣泛使用在低溫冷庫中取代R22的標(biāo)準(zhǔn)制冷劑。
雖然這些制冷劑可以代替R22應(yīng)用于氟利昂冷庫而不對(duì)臭氧層產(chǎn)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?yàn)楦鱾€(gè)制冷劑的物
化性能存在差異，需要對(duì)制冷系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的改造。表2為3種制冷劑的熱力性質(zhì)表。
通過研究發(fā)現(xiàn)對(duì)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(duì)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。