CO2為載冷劑的氨制冷系統及其應用

張新玉,郭憲民,任立乾

(天津商業大學天津市制冷技術重點實驗室,天津 300134)

CO2為載冷劑的氨制冷系統及其應用

張新玉,郭憲民*,任立乾

(天津商業大學天津市制冷技術重點實驗室,天津 300134)

介紹了以 CO2為載冷劑的氨制冷系統原理、國外開發生產的系列產品性能及工程應用實例,分析了該系統在安全、節能方面的優勢。該系統中氨制冷系統的氨充注量可大大減少,且氨被限制在機房范圍內,與冷間等人員密集的工作區域隔離,大大提高了系統的安全性;同時,該系統結合了氨制冷系統的高效和CO2載冷劑熱力及流動性能優良、采用相變換熱等優點,可使系統總的性能顯著提高。目前,國外公司己經開發生產出以CO2為載冷劑的氨制冷系統的系列產品,并廣泛應用于冷凍、冷藏及速凍行業,其性能比NH3/CO2復疊式制冷系統有大幅提高。

氨;制冷系統;CO2載冷劑;安全性

0 引言

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

自然工質NH3的ODP和GWP均為0,是一種環保的工質,并且氨作為制冷工質還具有良好的熱力學性能,其單位容積制冷量較傳統的氟利昂制冷劑大,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,其應用受到一定的限制。

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

1 CO2載冷劑氨制冷系統

以CO2為載冷劑的氨雙級壓縮制冷系統如圖1所示。低壓氨蒸氣經壓縮機壓縮,進入冷凝器冷卻,再通過節流閥節流降壓,最后進入蒸發冷凝器中和載冷劑CO2進行熱換熱,CO2在蒸發冷凝器中凝結為液體,然后以自然循環或者使用CO2循環泵進行強制循環進入冷風機中吸收外界熱量,最后以氣態形式再次進入到蒸發冷凝器中。與NH3/CO2復疊式制冷系統不同,以CO2為載冷劑的氨制冷系統中, CO2側沒有壓縮機,采用自然循環方式或者由循環泵提供動力。氨制冷系統和CO2循環系統通過蒸發冷凝器進行冷量輸送,蒸發冷凝器是氨制冷系統的蒸發器,同時也是CO2側的冷凝器,其換熱性能直接影響到氨側的蒸發溫度和CO2側的冷凝溫度,最終影響制冷系統的性能指標和經濟指標。一般情況下,當蒸發溫度高于-25 ℃時該系統可采用氨單級壓縮[5]。系統中載冷劑——CO2為自然工質,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,因此可以使設備設計尺寸更小,降低系統耗能[6-7]。

CO2作為載冷劑的氨制冷系統中,氨的充注量相比較于傳統的氨制冷系統大幅度減少,最高可減少90%,從源頭上降低了系統的危險性;并且氨制冷系統可以設置在遠離公共場所和經常需要人員出入的場所;CO2無毒、不可燃、沒有氣味,并且相對分子質量比空氣大,還可以直接送入超市制冷設備對食品進行凍結和冷藏,進一步解決了安全問題。CO2在冷風機中的蒸發是相變換熱,因此在提供相同冷量情況下,載冷劑的質量流量減少,從而使系統管道直徑和換熱器面積減小,使系統布置可以更加緊湊,不僅降低材料使用量還節省了空間。CO2側不需用壓縮機,實現了無油運行,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具有很好的發展前景,不僅使用了對環境友好的自然工質,系統還更加節能。由于低溫級采用自然工質CO2,拓寬了該系統的使用范圍。

圖1 CO2載冷劑氨雙級壓縮制冷系統示意圖

2 CO2載冷劑氨制冷系統的應用

由于以CO2作為載冷劑的氨制冷系統具有氨充注量小、系統COP高等優點,且可實現氨與人員密集區域的分離,從而大大提高了氨系統的安全性,因此得到了越來越廣泛的應用。近年來,歐洲的一些國家己經開發出商用的CO2做載冷劑的氨制冷系統,主要應用在大型的商場和工業制冷領域中[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]。日本也有不少產品相繼問世,并且己經廣泛應用在冷凍冷藏行業中。

2.1 整體式CO2載冷劑氨制冷機組及其性能

為了提高系統的安全性和性能,日本某公司開發了半封閉式單機雙級螺桿壓縮機,并己應用于冷凍冷藏系統。該壓縮機結構如圖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構更加緊湊,能有效防止氨制冷劑的泄漏;轉子采用氨制冷劑專用新型齒形設計,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,日本該公司開發生產了以CO2為載冷劑的氨制冷整體式機組系列產品。其產品主要包括使用半封閉式單機雙級壓縮機的CO2載冷氨制冷系統和使用單級開啟式壓縮機的CO2載冷氨制冷系統,分別應用于冷凍(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品的性能參數。

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溫度工況己經形成了系列產品,高溫機組(CO2冷凝溫度為-15 ℃)制冷量為48 kW～125 kW,系統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COP為 1.71～2.02;另外,開發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復疊式制冷,其系統性能得到了提高,并且循環泵的耗功很低,在某些制冷量較小的應用場合,甚至可以不使用循環泵。同時,一體式機組將氨制冷系統、冷凝蒸發器及CO2循環泵、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,安裝非常方便,其外形如圖3所示。圖4為該水冷式機組應用于日本某冷庫的現場照片。

表1 CO2載冷氨制冷系統性能參數

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用

日本某公司的上述產品己經大量應用于實際工程中,以下為幾個應用實例。

圖5所示為一體式CO2自然循環氨制冷系統,由于系統冷量較小,CO2載冷劑側采用自然循環即能滿足要求。由于CO2循環系統不設置循環泵,使得系統得以簡化,提高了系統可靠性。

圖5 一體式CO2自然循環氨制冷系統

圖6為一體式CO2強制循環氨制冷機組應用于制冰系統示意圖。系統中使用了CO2循環泵進行強制循環,可以大大增加CO2循環量,適用于制冷量較大的系統。一體式機組采用蒸發式冷凝器,可安裝在屋頂等場合,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強制循環氨制冰系統

圖7所示為水冷式CO2強制循環氨速凍系統示意圖。氨制冷系統采用水冷方式,氨制冷系統、冷凝蒸發器、CO2循環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與機組連接即可。

圖7 水冷式CO2強制循環氨速凍系統

2.3 CO2載冷劑循環安全防護與冷風機除霜方式

以CO2為載冷劑的氨制冷系統一般應用于制冷溫度為-50 ℃～0 ℃的場合,CO2循環側壓力較高,特別是在除霜時壓力可達4.0 MPa ～5.0 MPa;受環境溫度的影響,在系統停機時其壓力可能更高。由于 CO2循環側一般置于冷庫和冷間等人員密集區域,因此其壓力安全防護尤為重要。首先,在系統設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,在系統中設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,確保系統安全;第三,有資料[4,8]介紹,該系統需安裝輔助制冷裝置,以便在系統停機時維持儲液罐內液體 CO2處于低溫狀態。這個方案的缺點是大大增加了系統的成本和復雜性,因此實際應用中很少采用。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循環側壓力處于安全范圍內。

以CO2為載冷劑的氨制冷系統的冷風機在CO2循環側,其除霜方式與傳統氨制冷系統或氟利昂制冷系統基本相同但又有所區別,常用的除霜方式為電除霜或(鹽)水除霜,這與傳統制冷系統是相同的,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。這種除霜方式系統復雜,更重要的是,CO2循環側自身是無油運行的,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,那么必須配置相應的回油措施,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用。

3 結論

CO2為載冷劑的氨制冷系統的研發和應用之所以得到高度關注和快速的發展,是因為其有獨特的優勢:1)以CO2作載冷劑的氨制冷系統的使用可以大大減少系統中氨的充注量,有效地減少了安全事故的發生;2)以CO2作載冷劑的氨制冷系統中,氨的應用被限制在機房范圍內,與冷間等人員密集的工作區域隔離,大大提高了氨制冷系統的安全性;3)CO2無毒、無味、不可燃,可以直接進入工作區域,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,換熱器結構比較緊湊,節約材料并減少了占用空間;4)以CO2作載冷劑的氨制冷系統結合了氨制冷系統的高效以及CO2優良的熱力及流動性能,可使系統總的性能顯著提高。

以CO2作載冷劑的氨制冷系統在安全和性能等方面的獨特優勢,將是今后替代現有冷庫氨制冷系統的優選方案之一。目前,我國對該系統的研究較少,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,并在現有條件下在實際工程中推廣應用,逐步完善系統設計,打破國外的技術壟斷。

[1] 楊一凡. 氨制冷技術的應用現狀及發展趨勢[J]. 制冷學報, 2007, 28(4): 12-18.

[2] 陳雷. 冷庫氨制冷系統節能降耗的途徑[J]. 中國高新技術企業, 2012, (30): 86-88.

[3] 程新茂. 冷庫氨制冷系統安全問題的探討[J]. 冷藏技術, 2013, (1): 39-42.

[4] 盧允莊, 王岱, 李郁, 等. CO2低溫冷凍冷藏系統的節能分析[J]. 制冷與空調, 2012, 12(5): 23-27.

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[6] 李林, 申江, 孫歡. 關于二氧化碳作為低溫載冷劑的探討[J]. 制冷與空調, 2008, 8(4): 24-27.

[7] WANG K, EISELE M, HWANG Y, et al. Review of secondary loop refrigeration systems[J]. International Journal of Refrigeration, 2010(33): 212-234.

[8] 黃志華. CO2作為載冷劑的制冷系統: 系統及分析[J].制冷與空調, 2012, 12(5): 32-38.

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:制冷系統節能及優化。聯系地址:天津市北辰區津霸公路東口天津商業大學制冷與空調工程系,郵編:300134。聯系電話:022-26669660。E-mail:xmguo@tjcu.edu.cn。