NH3/CO2制冷系統的研究

葛長偉,姜韶明,于志強

(煙臺冰輪股份有限公司,山東煙臺 264000)

NH3/CO2制冷系統的研究

葛長偉*,姜韶明,于志強

(煙臺冰輪股份有限公司,山東煙臺 264000)

介紹了CO2作為冷媒的主要特點及其制冷系統形式,論述了NH3/CO2制冷技術的研究內容和試驗結論,提出了NH3/CO2制冷系統的最佳適用范圍。通過大量的系統試驗數據和分析表明,NH3/CO2制冷系統有著極高的運行效率和安全、環保效應。CO2因其環保和節能的特點在不久的將來將成為最有前景的制冷劑之一。

NH3/CO2制冷技術;系統試驗;安全;運行效率

0 引言

CO2用作制冷劑己有130多年的歷史,自鹵代烴類制冷劑(氟利昂)出現后,CO2在制冷系統中的應用逐漸被制冷特性優良、壓力適中的鹵代烴取代。

隨著對環境保護和能源節約的重視,人們重新將目光投向了對環境友好的制冷劑,CO2作為其中之一,具有天然環保、價格低廉、不可燃、相變釋放冷量大和單位容積制冷量高等突出特點,是全球制冷行業普遍關注的優質新型制冷劑。在-35 ℃ ～ -50 ℃溫度的范圍內,NH3/CO2復疊制冷系統己經在歐洲、美國取得了很好的應用[1]。

1 CO2的特性

1)良好的安全性:無毒、不可燃。

2)良好的環保性:ODP為0,GWP為1。

3)具有非常優良的輸運和傳熱性質。

4)單位容積制冷量大:制取同等冷量的前提下可以顯著地減小壓縮機、換熱器、管道及閥門的尺寸[2]。

5)成本低廉:CO2為工業副產品,價格僅為鹵代烴類制冷劑的1/10～1/5,且無回收問題。

6)屬于低溫高壓制冷劑,臨界溫度31.3 ℃,運行壓力高于鹵代烴類制冷劑,長期停機需要設置膨脹容器或維持機組;CO2的三相點為-56.56 ℃,三相點的壓力0.518 MPa,也就是說CO2作為制冷劑只能應用于蒸發溫度在-56 ℃以上的溫度區間。

表1為CO2(制冷劑名稱為R744)與常用制冷劑的比較。

表1 CO2與常用制冷劑的比較

2 NH3/CO2制冷系統

NH3/CO2制冷系統有兩種基本形式:NH3/CO2復疊制冷系統和NH3/CO2載冷劑制冷系統。

2.1 NH3/CO2復疊制冷系統

CO2作為主制冷劑應用于亞臨界系統,和其他獨立的中溫回路構成復疊式制冷循環,中溫回路一般采用R717,也可以采用R404a和R507a等其他環保制冷劑,中溫回路制冷劑的蒸發用于主回路CO2的冷凝,通過一個冷凝蒸發器將中低溫回路密切地聯系在一起,保證CO2處在亞臨界區內循環。圖1為NH3/CO2復疊制冷系統原理簡圖。

2.1.1 NH3/CO2復疊制冷系統的特點

NH3/CO2復疊制冷系統的優點有:1)在-35℃以下的制冷需求中效率高;2)減少了高溫級循環的制冷劑充注量,是常規系統的 1/10;3)管路尺寸極小;4)當需要兩個制冷溫區時,是很好的解決方案。

NH3/CO2復疊制冷系統的缺點有:1)工作壓力相對較高,特別是在熱氣除霜的情況下[3];2)需要對低溫系統停止運行時的壓力進行有效控制[4]; 3)需要維護兩種制冷劑的制冷系統。

圖1 NH3/CO2復疊制冷系統原理簡圖

2.1.2 CO2復疊系統中間壓力選擇

CO2復疊系統的最優中間壓力取決于很多參數(例如:高溫制冷劑的種類,制冷負荷的類型等等)。

1)具有中溫區制冷負荷的系統

a) 衡量中間負荷和復疊效率。

b) 中間壓力應當盡可能的高,以降低高溫級的負載。

c) 中間壓力的大小,由系統中中溫制冷溫度以及系統的壓力決定。

d) 中間負荷的大小。

2)沒有中溫區制冷負荷的系統

a) 中間溫度由系統效率決定。

b) 考慮系統的承壓能力。

圖2為NH3/CO2復疊制冷系統中間壓力選擇圖。

圖2 NH3/CO2復疊制冷系統中間壓力選擇圖

2.1.3 CO2復疊系統的效率比較

NH3/CO2復疊制冷系統在蒸發溫度為-45 ℃工況下,COP比NH3雙級制冷系統(理論計算的最佳配搭)COP高8.8%。比實際常規配搭高10%以上。

圖3為NH3/CO2復疊制冷系統與氨雙機配搭系統效率比較。圖4為NH3/CO2復疊制冷系統與常規制冷系統效率比較。

圖3 NH3/CO2復疊制冷系統與氨雙機配搭系統效率比較

圖4 NH3/CO2復疊制冷系統與常規制冷系統效率比較

圖5 NH3/CO2載冷劑制冷系統原理簡圖

2.1.4 CO2制冷系統的設計參數(不采用熱氣融霜)

設計參數如下所述。系統設計壓力(飽和吸氣溫度)設定為4 MPa(5 ℃);安全閥壓力設定為3.6 MPa (-10%MWP);系統應急處理壓力設定為3.4 MPa (-1 ℃);排氣壓力設定為3 MPa(-5 ℃)。

2.2 NH3/CO2載冷劑制冷系統

CO2作為載冷劑用于主制冷循環的二次回路,與常規的載冷劑系統最大的區別在于CO2是相變載冷,CO2通過自身的物態變化完成冷量的輸送過程,因此其在傳遞同等冷量的前提下,所需要的循環量很小,遠小于常規的載冷劑系統;而且CO2作為載冷劑不存在系統管路腐蝕的問題,解決了傳統載冷劑系統在運行可靠性方面的最大隱患。

和NH3/CO2復疊制冷系統相比,NH3/CO2載冷劑系統更緊湊、充氨量更少,系統運行更加安全、初次投資省;當CO2蒸發溫度低于-30 ℃時,其運行費用略高于 NH3/CO2復疊制冷系統。但當 CO2蒸發溫度高于-30 ℃時,從運行效率和一次投資費用兩方面而言均宜采用CO2載冷劑系統。

圖5為CO2載冷劑制冷系統原理簡圖。

2.2.1 CO2載冷劑的壓焓圖

圖6為CO2載冷劑壓烙圖。

2.2.2 CO2做載冷劑和其他載冷劑比較

表2為CO2做載冷劑和其他載冷劑比較,由表2可知CO2做載冷劑有以下特點:1)黏度低;2)換熱COP高;3)比熱大;4)流量小。

圖6 CO2載冷劑壓焓圖

表2 CO2做載冷劑和其他載冷劑比較表

3 NH3/CO2制冷系統技術研究

3.1 CO2螺桿制冷壓縮機性能試驗

試驗項目:1)CO2壓縮機組運行試驗;2)主輔側試驗,主側采用吸氣管制冷劑氣體流量計法,輔側采用干式制冷劑量熱器法進行測量,主輔側制冷量偏差小于5%;3)采用氣環法就同一冷凝溫度不同蒸發溫度(或同一蒸發溫度不同冷凝溫度),對CO2壓縮機總回油口更改前后的性能進行測試。

試驗結論如下:

1) CO2壓縮機的等嫡效率較差,尤其是在低溫工況或大壓差工況,實測值和等嫡效率取值相差甚遠;

2) 從理論上分析,CO2吸氣過熱度不宜過大[5],實際試驗也是如此。CO2吸氣過熱度的增加會導致質量流量的降低、制冷量減少、軸功率略微降低和壓縮機組COP呈下降趨勢;

3) 常規46#礦物油可以滿足CO2螺桿壓縮機的使用需求,油分離器也具備較好的分油效果;

4) 由于 CO2排氣溫度較低,所需的油冷負荷也較小;

5) 在相同較高的CO2冷凝溫度下,CO2壓縮機的制冷量隨著蒸發溫度的降低急劇減小,軸功率卻隨著蒸發溫度的降低而明顯增加,表現出與常規制冷相反的規律。

3.2 NH3/CO2復疊系統性能試驗

試驗項目:復疊工況參照GB/T 5773-2004要求,采用其中的方法 C(干式制冷劑量熱器法)和方法D1(吸氣管制冷劑氣體流量計法)同時測量,試驗不同NH3排氣壓力飽和溫度/不同CO2吸氣壓力飽和溫度下的復疊機組制冷量、軸功率及能效比。

試驗結論如下:

1) NH3/CO2復疊按試驗系統配置可以滿足-50 ℃～-30 ℃不同工況的需求,即使在高溫工況下CO2排氣壓力也未超過0 ℃對應的飽和壓力,系統可以在較為安全的范圍內運行;

2) NH3/CO2復疊系統在有專業人員操作及精密儀器測量的前提下可以試驗至-55 ℃低溫,此時距CO2工質臨界點僅1.57 ℃;實際工程中不推薦使用至該溫度;

3) NH3/CO2復疊工況測得的實際中間溫度,與設計階段計算的最佳中間溫度平均差值約 3.6 ℃,其間有部分影響因素是實測值的吸氣過熱度與理論計算時的吸氣過熱度取值不同;

4) 當CO2蒸發溫度高于-35 ℃時,同等冷量的前提下,NH3/CO2復疊制冷系統的運行費用和初次投資費用都高于NH3/CO2載冷劑制冷系統,此時宜采用NH3/CO2載冷劑制冷系統。

3.3 CO2泵供液制冷系統試驗

試驗項目:1)相同熱源條件、不同循環倍率對復疊系統的性能影響;2)蒸發器換熱系數;3)熱交換器換熱系數;4)不同工況、不同循環倍率時CO2系統各流道阻力及CO2屏蔽泵使用狀況。

試驗結論如下:

1) 試驗過程中發現,循環倍率從1倍變化到2倍左右過程中,蒸發器的換熱效果增勢較為明顯, 2倍以上繼續增大循環倍率,蒸發器的換熱效果增勢減弱;

2) 外購的常規 CO2制冷劑含水量較多,工程中需設置一臺專門用于充注的干燥器,或者購買純度更高的食品用CO2作為制冷劑;

3) CO2液體動力粘度較小,經過換熱器及管路產生的壓力降很小。CO2氣體或氣液兩相流存在較大的阻力損失,所以蒸發/吸氣管路的阻力降對系統性能的影響更大;

4) 對于壓縮機而言,吸氣過熱度的增加會增大烙差,同時也會增大比容,降低質量流量,測試證明CO2的過熱并不能使壓縮機的能效比得到提升,建議工程實際中取消熱交換器;

5) 對于CO2空氣換熱器來說,2倍以上的循環倍率起到的作用只是單純強化CO2側的換熱,主要熱阻還在空氣側,所以高循環倍率意義不大。

3.4 NH3/CO2載冷劑系統性能試驗

試驗項目:1)測試CO2做載冷劑循環時不同工況下冷凝蒸發器和貯液器之間的壓差;2)測試CO2做載冷劑循環時不同工況下冷凝蒸發器的傳熱系數K,并與復疊循環時的傳熱系數進行比較;3)測試CO2做載冷劑循環時冷凝蒸發器帶液冷凝的系統運行情況;4)測試CO2泵正常運行時最大允許吸入管路壓差。

試驗結論如下:

1) 和同樣配置條件下的復疊工況相比,CO2載冷劑系統中的冷凝蒸發器的傳熱系數約為復疊系統的1/2;

2) 為保證CO2泵的正常運行,CO2泵的進口管路的壓力降對應的溫度降不允許超過0.8 ℃;

3) 冷凝蒸發器的進氣側為兩相流時,其傳熱系數略小于進氣側為飽和氣體時的傳熱系數,但偏差都在5%以內;

4) 在投資性價比合理的條件下,CO2載冷劑系統的運行壓力的限定在蒸發溫度5 ℃,所以CO2載冷劑系統設計壓力不支持高于5 ℃運行。在-30 ℃以下, CO2載冷劑系統的效率低于 NH3/CO2復疊制冷系統性能,且性能降低幅度遠大于復疊系統投資增加幅度,所以在-30 ℃以下,不建議使用CO2載冷劑系統。

4 煙臺冰輪NH3/CO2制冷工程案例

4.1 煙臺豐潤工程

煙臺市豐潤食品有限公司是以蘋果、芋頭等食品的冷凍加工一體的公司。公司建筑面積8,742 m2,包括一幢4層的辦公樓和一幢單層高局部3層高的廠房和1個1,000 t的冷庫。

公司廠房于2009年02月工程開始,工程2009年10月底結束。

煙臺市豐潤食品有限公司的主要用冷設備為一臺流態化單體速凍裝置,庫內溫度≤-30 ℃,公稱凍結能力1,500 kg/h(以青刀豆計算),需冷量220 kW。采用一套 NH3/CO2復疊制冷系統作為冷源低溫級,主機選用一臺 LG12R二氧化碳專用螺桿壓縮機、設計工況-40 ℃/+35 ℃,名義制冷量240 kW。供液方式為泵強制循環的多倍率供液系統,冷卻方式為直接冷卻。

系統調試運行后,在加工間內只需要操作單凍機的開停按鈕,整套系統即可實現全自動運行,節能效果10%以上,得到了客戶的認同和好評。

圖7和圖8為機組照片。

圖7 輔機機組

圖8 壓縮機組

4.2 威海久業工程

工程建設單位為威海久業倉儲物流有限公司。

該項目包含兩套NH3/CO2復疊制冷系統:一套-45 ℃系統、一套-35 ℃系統。-45 ℃系統為兩臺0.5 t/h的沖擊式板帶單凍機、一臺1 t/h的網帶單凍機提供冷源,總的需求冷量405 kW;-35 ℃系統為一臺1 t/h的二次凍結裝置和一間20 t低溫緩沖間提供冷源,總需求冷量 133 kW。供液方式均為泵強制循環的多倍率供液系統,冷卻方式為直接冷卻。

-45 ℃系統選用兩臺 LG12R二氧化碳專用螺桿壓縮機,設計工況-45 ℃/35 ℃,名義制冷量2× 207=414 kW;-35 ℃系統選用一臺LG12R二氧化碳專用螺桿壓縮機,設計工況-35 ℃/35 ℃,名義制冷量275 kW。-45 ℃和-35 ℃系統共用一套CO2高壓系統,冷凝蒸發器選用一臺 LZH140,名義換熱面積 140 m2、貯液器選用一臺 ZY2.0,公稱容積2.0 m3。-45 ℃低壓端選用一臺WQFB1200臥式桶泵機組、-35 ℃低壓端選用一臺WQFB900臥式桶泵機組。

系統調試運行后,得到了環保部、中國制冷空調工業協會、中國制冷學會、國內貿易工程設計研究院及國內同行的廣泛認可,并被授予了“NH3/CO2環保制冷劑替代技術示范項目”稱號。

圖9、圖10和圖11為機組照片。

圖9 桶泵機組

圖10 壓縮機組

圖11 輔機機組

4.3 大連獐子島工程

煙臺冰輪承建的樟子島集團股份有限公司貝類及海參冷凍加工中心項目,是目前國內最大全部采用環保工質的制冷系統,集成了NH3/CO2復疊制冷系統、NH3/CO2載冷制冷系統、R404A多機頭并聯活塞壓縮機組、R404A雙板換冷水機組、R404A熱回收機組及掛冰衣冷水機組等,目前整套系統己通過了嚴格的調試及運行試驗,交付客戶使用。

該項目包含了一套-45 ℃的NH3/CO2復疊制冷系統,為三臺單凍機提供冷源;一套-42 ℃的NH3/CO2復疊制冷系統,為兩間凍結庫提供冷源;一套-30 ℃的NH3/CO2載冷劑系統,為三間低溫冷藏庫提供冷源。

整套系統投入運行后以其安全、環保、節能的優異性能得到了環保部和國內同行的一致認可,設計完全符合國家倡導的“安全制冷、綠色制冷、低碳制冷”的先進理念。同時該項目也是國內首套被授予“NH3/CO2環保制冷劑替代技術示范項目”稱號的制冷項目。作為目前國內規模最大、系統技術最先進的CO2制冷在水產品加工行業的應用示范項目,該項目的交付使用標志著中國CO2制冷技術和制冷設備己經逐步成熟和完善,開始進入規模化應用階段。

圖12～圖15為機組照片。

圖12 載冷劑機組

圖13 機房一角

圖14 CO2單凍機

圖15 輔機機組

5 前景展望

到目前為止,NH3/CO2制冷技術己經取得了突破性進展,隨著人們環保意識的增強,以及對環境有破壞作用的制冷劑的逐步淘汰,和更多具有示范和推廣作用的NH3/CO2制冷系統的建設,NH3/CO2必將成為最具發展前途的制冷系統之一。

[1] 金嘉瑋, 葉尉南, 楊一凡. CO2/NH3復疊式制冷系統在美國大型冷庫的應用實例[J]. 冷藏技術, 2007(2): 1-9.

[2] 吳業正, 韓寶琦. 制冷原理及設備[M]. 第2版. 西安:西安交通大學出版社, 1997.

[3] 于志強, 劉昌豐. NH3/CO2復疊制冷系統的控制方案及分析[J]. 制冷與空調, 2012, 6(3): 128-131.

[4] 劉春梅, 王超, 孫欣, 等. NH3/CO2復疊制冷系統在單凍機的應用[J]. 冷藏技術, 2010(3): 17-21.

[5] 查世彤, 馬一太, 王景剛, 等. NH3/CO2低溫復疊式制冷循環的熱力學分析與比較[J]. 制冷學報, 2002(2): 15-19.

Research on NH3/CO2Refrigeration System

GE Chang-wei*, JIANG Shao-ming, YU Zhi-qiang
(Yantai Moon Co., Ltd., Yantai, Shandong 264000, China)

In this paper, the main character of CO2being a cooling medium and its refrigeration system were introduced, the NH3/CO2refrigeration technology and experimental results were then discussed, and the suitable temperature range for using the NH3/CO2refrigeration technology was also presented. Through many data results and analysis, it showed that NH3/CO2refrigeration system has a very high running efficiency, and safety and environment effects. CO2will be one of the most promising refrigerants in the near future because of its environment and energy saving effect.

NH3/CO2refrigeration technology; System experiment; Safety; Running efficiency

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.03.201

*葛長偉(1984-),男,工程師,學士。研究方向:復疊制冷系統及產品研發。聯系地址:山東省煙臺市冰輪路1號,郵編: 264000。E-mail:099676@yantaibinglun.com。