冷凍冷藏技術(shù)及制冷設(shè)備的思考

于洪濤

（冰山技術(shù)服務(wù)（大連）有限公司，遼寧 大連 116630）

當(dāng)前，我國已經(jīng)成為世界第一大制冷生產(chǎn)大國和第一消費大國，但目前氣候的不斷變化及全球氣溫的不斷上升，更多的制冷需求、應(yīng)用可能會加劇環(huán)境問題，從1970 年以來，全球制冷行業(yè)面對臭氧層破壞，溫室氣體排放等環(huán)境問題不懈努力，達成了蒙特利爾協(xié)議及京東議定書等國家和地方層面的協(xié)議、法規(guī)。制冷行業(yè)正在尋求更好的制冷工質(zhì)替代，滿足低GWP、ODP 值的前提下，盡量提高制冷系統(tǒng)運行效率；優(yōu)化設(shè)計更好的制冷設(shè)備，達到節(jié)能減排，實現(xiàn)智能及網(wǎng)絡(luò)化控制。

1 制冷劑的選用

對于商業(yè)冷凍冷藏系統(tǒng)，制冷劑的選用至關(guān)重要，根據(jù)相關(guān)協(xié)議、法規(guī)，CFC、HCFC 類制冷劑已經(jīng)或者正在被淘汰使用[1]，選擇替代制冷劑，需綜合考慮以下各方面：

1.環(huán)保：低ODP 及GDWP 值。

2.安全：考慮可燃性，毒性等的大小，是否可以控制。

3.性能：效率必須盡量高。

目前較為常用的制冷劑為：氨（R717），二氧化碳（R744），合成制冷劑（R134a，R407C、R404A、R410A、R507 等）。

2 氨制冷系統(tǒng)特點

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]。氨作為一種天然的制冷劑，其ODP和GWP都為零。蒸發(fā)壓力與冷凝壓力都適中，標準大氣壓下其蒸發(fā)溫度為-33.3℃，與普通低溫冷庫凍結(jié)間蒸發(fā)溫度相當(dāng)，在冷卻水溫30℃～35℃范圍內(nèi)冷凝壓力為1.1～1.3MPa，最高不會超過1.5MPa。

氨的物理性質(zhì)與R22 近似，但其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，氨制冷壓縮機的體積最小，且氨制冷劑造價低廉容易制取。氨的缺點在于其安全等級為B2，有毒，空氣中氨濃度升高達到16%～25%時遇明火會發(fā)生爆炸。因此各國都出臺相應(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壓縮中間完全冷卻循環(huán)。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物制冷劑，不溶于潤滑油，需要在壓縮機出口設(shè)置油分離器，還要在各個主要儲氨裝置設(shè)置放油管。為收集系統(tǒng)內(nèi)的制冷劑需要時設(shè)置高壓儲液器、低壓液體循環(huán)桶以及排液桶。

3 氨制冷系統(tǒng)的優(yōu)化與改進

3.1 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，各個冷間共用一臺冷凝器，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存在高壓儲液桶內(nèi)。冷庫的機房設(shè)置在庫房的外側(cè)，由機房到冷庫內(nèi)長距離的輸送管道也會存有大量的制冷劑。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)會提供的相關(guān)數(shù)據(jù)，一座6.5 萬m2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)標準，但仍然會給企業(yè)和當(dāng)?shù)卣畮硪欢▔毫ΑＴ诎敝评湎到y(tǒng)中降低氨的充注量，是提高系統(tǒng)安全性的有效方法。SHANMUCAMSKG 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）”，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)動螺桿壓縮機和蒸發(fā)器風(fēng)扇結(jié)合在一個集成模塊中，并且采用封閉耦合式單元以及自動化的電子制冷劑供液控制技術(shù)，有效縮短了制冷劑進入蒸發(fā)器的管程[3]。同時ULC 系統(tǒng)冷凝部分選用熔合并聯(lián)板式換熱器而非管殼式冷凝器，氨制冷劑不會大量存在于冷凝器管道中。與單級中央制冷系統(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)濟性。

3.2 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)且不會出現(xiàn)氨制冷劑氣體的過熱，同時由于泵供液高流速沖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。為了進一步增大過冷度，提高氨制冷系統(tǒng)制冷效率，某學(xué)者提出氨制冷跨蒸發(fā)系統(tǒng)循環(huán)應(yīng)用于氨冷庫系統(tǒng)。提出對于存在多級蒸發(fā)系統(tǒng)的氨冷庫，除第一級蒸發(fā)系統(tǒng)直接由冷凝器供液以外，其他蒸發(fā)系統(tǒng)均由與它相近的上一級蒸發(fā)系統(tǒng)進行供液，系統(tǒng)運行更加節(jié)能高效。

4 二氧化碳制冷系統(tǒng)的特點

4.1 工質(zhì)特性

CO2為環(huán)保制冷劑，ODP=0、GWP=1，對環(huán)境無破壞作用。CO2安全無毒、不可燃，并具有良好的熱穩(wěn)定性，即使在高溫下也不會分解出有害的氣體。CO2單位容積制冷量高，具有良好的流動和傳熱特性，可顯著減小壓縮機、換熱器和管路尺寸，不存在制冷工質(zhì)淘汰更換問題。CO2缺點是系統(tǒng)壓力較高，對設(shè)備制造及系統(tǒng)安裝要求較高，另外普適性較差，適合低溫工況。

4.2 系統(tǒng)特點

1.根據(jù)使用功能不同，使用不同的制冷形式，簡化系統(tǒng)，保證系統(tǒng)安全、環(huán)保、可靠。

2.末端采用CO2制冷劑，保證人員及食品的安全。

3.充分利用CO2低溫換熱特性，提高整個制冷系統(tǒng)的效率。

4.CO2制冷劑系統(tǒng)部分系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置水分過濾器，則保證系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生內(nèi)腐，保證系統(tǒng)安全運行。

5.低溫段CO2系統(tǒng)的安全與保護：只要有高溫段壓縮機的運行，就可保證CO2低溫段系統(tǒng)內(nèi)的壓力維持在正常范圍內(nèi)，這是系統(tǒng)正常的安全壓力保證措施；高溫段壓縮機短暫停機期間，CO2氣液分離器壓力由低溫庫環(huán)境維持，不會超出設(shè)計壓力；當(dāng)?shù)蜏囟蜟O2系統(tǒng)長時間停機時，系統(tǒng)內(nèi)壓力升高至設(shè)定壓力值后，開啟高溫段壓縮機組，用以維持低溫段系統(tǒng)內(nèi)的壓力或?qū)⒌蜏囟蜟O2制冷劑排放掉；CO2系統(tǒng)停機維持機：系統(tǒng)壓力超高的最后保護裝置是系統(tǒng)所配置的安全閥，在超過設(shè)定壓力后開啟，這是極端情況下的應(yīng)對措施。

5 氨系統(tǒng)與二氧化碳系統(tǒng)經(jīng)濟性比較

5.1 制冷效率比較

在-40～-10℃/35℃工況，R744/R717 復(fù)疊系統(tǒng)壓縮機部分的制冷系數(shù)與其它系統(tǒng)比較（純理論分析，實際使用時趨勢基本一致，但有偏差）如表1 所示。

表1

5.2 建設(shè)投資比較

1.同直徑管道，R744 管是R717 管重量的2～ 2.5 倍。

2.同制冷效果低壓氣體管道，R744 管是R717 管重量的50%。

3.同制冷效果低壓液體管道，R744 管是R717 管重量的2.5 倍。

4.R744 系統(tǒng)低壓管道一般是R717 系統(tǒng)重量的90%。

5.R744 系統(tǒng)低壓管道保溫材料用量一般是R717 系統(tǒng)的2/3。

6.R744 系統(tǒng)低壓管道保溫外保護層材料用量一般是R717 系統(tǒng)的80%。

7.相同直徑的管道，R744 自動閥門造價一般與R717 相同，手動閥門一般不超過2 倍。

8.制冷效果相同的低壓管道系統(tǒng)用手動閥門，R744 系統(tǒng)與R717 系統(tǒng)造價基本持平。

6 智能技術(shù)與冷凍冷藏技術(shù)的融合探索

6.1 開源的智能模型庫

目前，智能系統(tǒng)研究主要包括如圖像處理、模式識別、語音識別、智能交互、先進控制等。其中圖像處理已廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，如醫(yī)學(xué)成像、視頻及圖像還原等；模式識別是一種基于概率統(tǒng)計等方法的識別、聚類方法，該類方法中包含了諸如貝葉斯概率統(tǒng)計、線性及非線性聚類等，在智能家居、智能汽車、智能移動終端中均有應(yīng)用。語音識別與智能交互是實現(xiàn)用戶與產(chǎn)品對話的一種方式，其中語音識別是目前研究的前沿，通過語音識別，對用戶語音的發(fā)聲頻率、響度、內(nèi)容等進行自動判斷，從而使得設(shè)備能夠分辨出用戶類別及意圖，完成特定功能。

制冷設(shè)備與智能系統(tǒng)的融合亦可從智能系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究開始，如可通過圖像處理判斷人的相貌，從而判斷出是否為主人或家屬，從而決定設(shè)備是否開啟或關(guān)閉，通過模式識別判斷設(shè)備目前的運行情況，是否產(chǎn)生了故障及故障的類別是什么，通過交互終端告訴用戶。通過語音識別功能判斷用戶的語音指令是什么，并通過語音交互完成用戶需求的動作。同時，智能的制冷設(shè)備離不開先進的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)能夠精確可靠地控制制冷或制熱是判斷制冷設(shè)備性能優(yōu)劣的重要標準。

目前，許多的智能算法、模型在工程領(lǐng)域得到了具體應(yīng)用，但這些智能模型并未形成統(tǒng)一的標準，仍處于離散狀態(tài)，因此有必要將目前較成熟的智能模型集成為一個可供開發(fā)者共享的智能模型庫，基于共享模型庫使得設(shè)計師可快速地設(shè)計和實現(xiàn)智能系統(tǒng)。對制冷設(shè)備的研發(fā)來說，可從集成智能模型到應(yīng)用智能方面加速智能制冷設(shè)備的研發(fā)。

6.2 智能高性能處理器研發(fā)

智能高性能處理器是智能產(chǎn)品的處理核心，是將智能化產(chǎn)品有機整合的關(guān)鍵部件，因此高性能處理器的研發(fā)以及將其應(yīng)用到制冷設(shè)備中，是生產(chǎn)制造制冷設(shè)備的重要過程[4]。

目前，國際上常見的處理器研發(fā)、生產(chǎn)或制造廠商包括Intel 公司、Atmel 公司、ARM 公司、AMD 公司、ST 公司、華為公司等，其主要流行的處理器芯片包括Intel 公司的酷睿芯片系列處理器、AMD 公司的銳龍系列芯片處理器、華為公司的海思麒麟移動端芯片處理器等。

硬件突破主要包括硬件電路的集成，硬件電路單板化并集成為SOC，智能化算法的硬件集成等，通過硬件突破的方式使得智能化單元被設(shè)計為基本電路，通過電路的電連接器、邏輯連接等組成智能化算法，使得智能單元的運算得到更大速度的釋放，因此較為適應(yīng)智能化時代對數(shù)據(jù)快速運算的需求，更能夠滿足未來社會對運算速度的要求。

軟件突破主要包括高效運算代碼的設(shè)計、智能化算法設(shè)計、高效的數(shù)據(jù)與存儲處理程序等，通過軟件突破的方式使得智能化運算不再依賴于具體的硬件設(shè)備，從而可將智能化應(yīng)用從具體硬件或設(shè)備中釋放出來，同時可在不同的設(shè)備間運行，克服了硬件兼容性問題，因此能夠更好地適應(yīng)人們對互聯(lián)互通、相互交融的需求。

7 結(jié)語

總之，空調(diào)制冷系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于人們的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中，但在實際安裝過程中若稍有疏忽，就會引起一系列的安全問題。本文介紹了冷凍冷藏技術(shù)及常用的制冷系統(tǒng)和方法，并對制冷設(shè)備智能化進行了可行性探索，提出可從高性能微處理器和智能模型庫兩個方面進行。提出處理器本身智能化可從硬件突破和軟件突破，并提出共享智能模型庫設(shè)想，從而加速對智能制冷設(shè)備的研發(fā)。