超低溫制冷裝置的研究現狀和進展

郭耀君 謝 晶 朱世新 王金鋒 湯元睿

（1.上海海洋大學食品學院，上海 201306；2.上海水產品加工與貯藏工程技術研究中心，上海 201306）

超低溫是指在食品加工、工業生產過程所用到的－40～－80℃的溫度范圍［1］。這個溫度范圍廣泛應用于高檔水產品（如金槍魚）的速凍儲藏、藥品（如冬蟲夏草）的儲藏和生產、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試。另外，它還可以為材料的低溫下性能試驗提供所需要的冷環境，例如對乙烯液化裝置低溫管道的焊縫進行－46～－58℃下的低溫沖擊試驗等［2］。文章重點介紹了實現超低溫的制冷方式、超低溫制冷系統中環保制冷劑的應用、超低溫制冷用壓縮機研究進展、超低溫制冷系統的應用等方面的研究現狀，旨在為中國超低溫制冷裝置的發展提供依據。

1 實現超低溫的制冷方式

在實際運用中獲得超低溫所需的制冷方式主要有雙級壓縮制冷循環、復疊式制冷循環以及自復疊式制冷循環等系統。其中復疊式制冷是獲取該低溫段最主要的方法［3］。

1.1 雙級壓縮制冷循環系統

雙級壓縮制冷系統能夠有效減少單級壓縮制冷循環中由于壓比過大引起的不利因素，其制冷劑的壓縮過程由高、低壓兩級壓縮完成；根據節流級數分為一級節流和二級節流兩種，同時又根據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，對雙級壓縮制冷循環的研究主要集中在中間冷卻器的優化［4，5］。田華等［6］建立了帶中間冷卻器的 CO2雙級壓縮系統，通過實驗驗證了優化后的中間冷卻器可以實現最優壓縮機排氣壓力和最優中間壓力。針對當前超低溫冷藏庫的雙級壓縮制冷系統頻繁啟停的問題，楊永安等［7］提出一種將多臺壓縮冷凝機組并聯的一次節流中間完全冷卻雙級壓縮制冷系統，通過調節制冷劑流量來控制冷量，有效解決了雙級壓縮制冷系統頻繁啟停的問題并能達到節能效果。

1.2 兩級復疊式制冷循環系統

兩級復疊式制冷系統由兩個不同制冷劑工作的制冷系統組合而成，其中，高溫系統中的制冷劑蒸發用來冷凝低溫系統的制冷劑，高溫環路的蒸發器和低溫環路的冷凝器合成一個設備，稱為冷凝蒸發器［8］。

兩級復疊制冷系統低溫級潤滑油的回油效果直接影響到系統的性能和可靠性［9］。Chung等［10］對高溫級使用R22和低溫級使用R23的復疊制冷系統的啟動特性進行了試驗研究，探究低溫級的壓縮機吸氣壓力和排氣壓力以及蒸發器入口壓力對整個復疊制冷系統整體溫度變化的影響，結果表明，低溫級壓縮機的排氣壓力和吸氣壓力以及蒸發器入口壓力等都對復疊制冷系統所能取得的最低溫度影響較大。牛寶聯等［11］對復疊制冷系統高溫級環路和低溫級環路不同的啟動間隔進行了試驗，結果表明不同的時間間隔對復疊系統整體能耗影響不同：較長的時間間隔導致了高溫級環路浪費了大量能量；而適當的時間間隔既能達到高溫級環路耗能比較適中的效果，又能達到低溫級環路迅速降溫的目的；如果要實現較短的時間間隔，則需要保證低溫級排氣壓力在安全的范圍內，否則這種較短時間間隔啟動不可行。程有凱等［12］對雙級壓縮制冷系統和復疊制冷系統在蒸發溫度－60～－80℃范圍內進行了比較分析，分析指出，在－60～－80℃范圍內復疊式制冷系統在壓縮機效率、蒸發溫度上表現出了更大的優勢。因此，復疊制冷系統在低于－60℃蒸發溫度時具有更高的應用價值和發展前景。

1.3 自復疊式制冷循環系統

相對于復疊制冷系統，雙級壓縮制冷系統具有結構復雜和成本較高等特點，同時雙級壓縮系統因為使用同一制冷劑，往往會受到制冷劑凝固點、系統壓比、蒸發壓力過低等因素的限制，所以雙級壓縮制冷系統一般用于制取蒸發溫度－60℃以上的低溫區［13］。而復疊制冷系統由于采用兩套獨立的高低溫回路，冷量藕合要求高、高低溫環路啟動時間間隔控制難度大，另外低溫環路需要安裝油分離裝置解決壓縮機回油困難的問題［14］。雙級壓縮系統和復疊系統所用的壓縮機必須是多缸壓縮機或著是串聯多臺的壓縮機，因此以上兩種制冷系統不是小型超低溫制冷裝置的最佳選擇。

而采用一臺壓縮機進行一次壓縮的自復疊制冷系統是獲得－40～－80℃低溫區的另一種重要方式［15］，通過分凝或者分餾裝置將非共沸制冷劑自然分離、多級復疊的方法，實現制取低溫的目的。這種方式極大地簡化了制冷系統，還達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］通過一個可控調節閥將壓縮機出氣口與氣液分離器的底部相連，對自復疊制冷系統結構進行了改進，通過調節閥的連接使高溫高壓制冷劑進入氣液分離器，根據調節閥的不同開度達到制冷劑變容量調節的效果，以此實現自復疊制冷系統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并成功地引入了精餾型自復疊制冷循環，進一步拓寬了自復疊制冷循環的應用范圍。芮勝軍等［19］針對自復疊制冷系統在剛開機時排氣壓力和排氣溫度過高的問題，提出了一種壓力調節和控制方法，通過旁通支路調節方式達到了系統工質在開機初期快速冷卻的效果。

2 超低溫制冷系統中環保制冷劑的應用

制冷劑替代技術的發展推動著制冷技術的進步。以前超低溫制冷系統經常使用的制冷劑是R22、R13和R501、R502、R503系列，其中以R22、R13和 R502使用最廣泛［20］。根據《蒙特利爾協議》，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）是兩項重要的考核指標，基于此R13和R502于2010年完全淘汰；R22也是要被淘汰的工質，因此尋找新的環保替代工質是超低溫制冷技術發展的趨勢。

2.1 自然工質的應用

自然工質大體上可分為兩類：① 天然的碳氫類物質，如丙烷、丁烷等；② 各種天然無機物，如 CO2、NH3等［21］。

其中CO2、NH3最具競爭力。NH3/CO2復疊式制冷系統的出現，解決了兩種工質獨立作為超低溫制冷系統制冷劑的缺點。Pettersen等［22］研究表明，與NH3雙級壓縮系統相比，高溫級采用NH3和低溫級采用CO2的復疊壓縮系統可獲得－45～－70℃的低溫區。瑞士雀巢公司在法國的Beauviai冷庫于20世紀90年代中期就已經開始采用NH3/CO2復疊式系統［23］。從2008年開始到2013年1月，美國市場上安裝了超過25套NH3/CO2復疊式超低溫制冷裝置［24］。

以R290為代表的碳氫化合物是目前國際上比較看好的長期替代R22的碳氫類化合物，R290與R22的物性相似，二者主要性能比較見表1。

馬一太等［25］對以R290/CO2與 R22/R13為制冷劑的復疊式制冷循環進行了熱力學分析，分析指出，R290/CO2復疊式制冷循環的性能系數（coefficient of performance，COP）比R22/R13的低，提出在CO2低溫環路安裝膨脹機代替熱力膨脹閥，從而提高R290/CO2系統的COP。

Christensen等［26］對超市用R290/CO2復疊式制冷系統（－40～－60℃）進行能耗和經濟性分析后發現，與傳統的R404A系統相比，采用R290/CO2復疊系統初投資增加20%，隨著研究的深入和技術的逐漸成熟，初投資的增加降為10%左右，而與原來的R404A制冷系統相比，系統整體能耗可減少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，是描述物質對平流層臭氧破壞能力的一種量值；GWP是全球變暖潛能值，用來表示和比較消耗臭氧層物質對全球氣候變暖影響力的大小的一種量值。

制冷劑 化學分子式 標準沸點/℃ 凝固點/℃ 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為代表自然工質將是解決環境問題的最終方案。雖然當前歐美一些超市已經安裝了R717/CO2、R290/CO2等超低溫復疊制冷系統，但是此類制冷劑在設備運行壓力、可燃性、刺激性等方面的問題，限制了其在全球范圍內的推廣。所以降低天然工質運行設備成本、尋找與之相匹配的阻燃劑以及減小爆炸極限是擴大天然工質替代范圍的一條有效出路。

2.2 HFC工質的應用

目前，常用于雙級或者復疊制冷系統的HFC類環保替代制冷劑主要有 R134a、R404A、R507、R116、R508B和 R23。6種制冷劑的物性對照見表2。

表2 6種制冷劑物性對照Table 2 Comparison of physical property of six kinds of refrigerant

R23、R116與R13的沸點都在－80℃左右，彼此很接近，是HFC物質中替代R13的制冷劑最有可能的選擇。在實際應用中發現，R23具有破壞壓縮機運動部件和分解潤滑油等問題，長期使用還可導致電機線圈短路［27］。此外R23、R116和R508B的GWP值很高，故只能作為過渡性制冷劑使用。

對于R23、R508B的試驗研究主要集中在其作為復疊系統低溫環路制冷劑的循環性能上。Agnew等［28］在復疊制冷系統中以制冷劑R717/R508B替代R12/R13并進行了模擬運行，模擬結果表明在－45～－60℃的超低溫范圍內，R717/R508B具有更好的循環性能。Keumnam等［29］研究了在復疊制冷系統低溫環路使用R23作為R13替代物的循環性能。Robert等［30］研究了在蒸發溫度為－50～－70℃，制冷劑為R134a/R508B的復疊制冷系統在蒸發器中的質量流量為50～70g/min。

隨著對R134a制冷劑應用推廣，有不少學者將其應用到了低溫系統；其中Kilicarslan［31］通過理論計算和實驗驗證R134a制冷劑可以應用在多種復疊壓縮制冷系統中并作為高溫環路制冷劑。Murat等［32］通過對以R134a作為制冷劑的單級制冷系統和以R134a/R508B的復疊制冷系統進行了比較，分析指出復疊制冷系統可以實現更低的蒸發溫度（－50～－75℃）和更高的單位容積效率。

R404A和R507在超低溫系統中是R502的中長期替代品［33］。孫艷秀等［34］對 R404A、R507和 R22在雙級壓縮制冷系統中的運行性能進行模擬，模擬結果表明：R404A和R507的各項性能比較接近，另外雙級壓縮系統采用R404A和R507達到的低溫范圍是－45～－75℃，比R22更廣。王維等［35］完成了一套采用工質 R404A/R23替代R22/R13的復疊制式系統試驗機組的設計。試驗結果表明，在－45～－60℃內，使用替代工質R404A/R23的系統較原系統的制冷量略有降低，但其它系統運行參數均優于R22/R13系統，系統的可靠性大大提高。文獻［36］、［37］通過對R507和R502試驗研究，發現在相同的低溫工況（蒸發溫度－40℃）下，兩者的COP相當，但R507的單位容積制冷量略高于R502。

HFC類工質的ODP為0，但其溫室效應高于天然工質，低于CFC類工質，仍屬于京都協議所規定的溫室氣體；但是根據測算，其排量在全球溫室氣體排放中所占比重很小。當前HFC類工質替代最大問題是超低溫系統潤滑和壓縮機匹配的問題，若能解決好這些問題，選擇HFC類工質作為超低溫制冷系統中長期替代制冷劑還是不錯的選擇。

3 超低溫制冷用壓縮機研究進展

3.1 壓縮機變頻技術

在實際運行過程中，壓縮機能耗幾乎占了電機輸入功率的1/3［38］，應作為節能考慮的主要切入點。壓縮機變頻技術在超低溫制冷系統中的應用已取得了一些進展［39］。

楊昭等［40］通過實例分析得出，變頻壓縮機雖然初投資較大，但良好的節能效果使得其在超低溫制冷系統運行過程中具有較高的投資回報率，應用前景廣泛。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和螺桿式壓縮機的COP值以及配置的相應功率之后發現，在較大制冷量時選用螺桿式壓縮機具有明顯的節能效果。王衍智等［42］研究了超低溫裝置中常用的幾種形式制冷機組的原理和產品性能對比，在對單機雙級變頻螺桿機組的實測數據分析后發現，在－40～－65℃速凍裝置中，單機雙級變頻螺桿機組表現出了效率高、降溫快的優勢，和市場中的同類產品相比具有突出的節能效果。蔡宗蓮等［43］針對超低溫復疊制冷系統設計了一種復疊式螺桿壓縮機組的自動控制裝置，通過變頻器和滑閥分別控制高、低溫螺桿壓縮機實現了制冷量調節，兩種能量調節方式的有機組合完成了對整個制冷系統的制冷量調節，使整個制冷壓縮機組能夠在多種工況條件下達到節約能源、降低成本的良好效果。

由于節能減排的需要，螺桿制冷壓縮機的節能改進將會受到越來越多的關注。其中，變頻螺桿制冷壓縮機由于其優越性能具有良好的發展前景。然而目前大型變頻器的成本是變頻螺桿制冷壓縮機的成本的2倍左右，變頻器的高價格限制了變頻螺桿制冷壓縮機的發展?？梢姡档妥冾l器成本將成為今后變頻螺桿制冷壓縮機研發的主要方向。

3.2 CO2壓縮機研究

CO2壓縮機是CO2復疊式超低溫制冷系統的核心部件。CO2壓縮機具有運行壓力高、壓差大、運動部件間隙難以控制、潤滑較困難等不足［44］。因此CO2壓縮機的研究開發一直是CO2制冷技術應用推廣的難點。目前國內外CO2壓縮機的研究進展見表3。

表3 國內外CO2壓縮機的研究及應用Table 3 Research and application of domestic CO2compressors

因此，不管是基于加快中國在CO2壓縮機方面的研究速度，還是出于對環境保護的考慮，中國都必須加大CO2壓縮機的研制開發力度，并建立和完善與之配套的性能測試系統，為CO2壓縮機樣機和成品的性能改善進一步提供試驗依據，最終加速CO2制冷技術在中國的發展和成熟。

4 超低溫制冷系統的應用

超低溫制冷系統在食品加工保藏方面的應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間通過最大結晶區，并形成均勻分布的細小冰晶，對細胞組織損傷較小，從而保存時間較長。其最大優點就是使食品在解凍后基本能保持原有的色、香、味，同時使食品營養最大限度地保存下來，可以達到錯開季節，提升食品價值，創造更高經濟效益的超低溫［51］。

4.1 水產品的冷凍冷藏

超低溫最典型的應用就是金槍魚的冷凍冷藏鏈的開發。金槍魚是大洋性水產品中的珍品，其魚肉因血紅素含量高而呈鮮紅色，且具有高蛋白、低脂肪等優點，同時富含維生素、不飽和脂肪酸（EPA和DHA）以及牛磺酸，其中EPA為金槍魚所特有的營養物。因此基于對金槍魚肉品質的保障，金槍魚貯藏必須保證－55～－65℃的超低溫環境［52］。而超低溫制冷裝置是金槍魚漁業發展的關鍵，目前金槍魚遠洋漁業作業船所用低溫凍藏制冷系統一般采用活塞式單機雙級壓縮制冷系統，采用R22作制冷劑［53］。楊利艷等［54］指出雙級復疊速凍系統（－75℃）與單級壓縮制冷系統（－18℃）相比，更能延長凡納濱對蝦的儲藏時間并保證其新鮮品質。

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發展的瓶頸問題，而溫度是影響淀粉凝沉的主要因素。Kelekci等［55］通過帶有自復疊制冷系統的小型低溫冷凍裝置進行試驗，發現－60℃下淀粉基本不發生凝沉現象，結論認為小麥粉餅在－60℃貯藏能長期保持面餅的品質。超低溫制冷系統在淀粉及淀粉類食品低溫貯藏方面應用將會有很大的發展前景。

4.3 其他方面的應用

Bassols等［56］研究指出兩級復疊式制冷系統在咖啡深加工過程中可提供－55℃低溫冷凍環境。此外，超低溫制冷系統還可以應用在科學試驗和工業生產中。鋼筋、混凝土結構正被越來越多地應用于超低溫環境領域，實驗室通常利用復疊式制冷系統創造的－50～－80℃低溫環境對鋼筋與混凝土粘結性能開展研究［57］。在化工生產過程中，從產生的燃料氣中回收液化石油氣則需要－50℃的制冷溫度，現有的天然氣液化領域普遍采用－40℃的低溫將丙烷預冷。

5 展望

近年來中國超低溫制冷裝置的研究已經取得了一定進展，但由于起步較晚，以日本和歐美為主的發達國家又進行技術封鎖，導致中國超低溫制冷壓縮機制造技術、新型環保制冷劑替代技術等核心技術落后于發達國家，為實現超低溫制冷裝置的核心技術國產化，未來的超低溫制冷裝置發展可從以下三方面加強研究：

（1）加強對自然工質（CO2、R290等）的復疊系統傳熱過程的模型化研究，對自然工質復疊系統的動態控制進行可視化的研究，根據其實際運行的數據特點，尋找合適、準確的控制方法。

（2）對替代工質的安全性、熱穩定性、與系統潤滑油的互溶性等性質完成從模擬到實驗驗證的過程，以及新的制冷設備的結構、設計方案、耐壓性、密封性等展開研究，并完善制定替代工質實施標準。

（3）變頻螺桿壓縮機的優化：提高核心零部件設計與加工精度，減少轉子壓縮腔運動部件間隙的泄漏，提高轉子齒面加工精度，降低轉子振動的噪聲，深入變頻器結構研究，降低變頻器的應用成本；盡快出臺CO2壓縮機性能試驗方法的相應行業規范及各種工況的國家執行標準。

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