冷凍冷藏技術及制冷設備的思考

于洪濤

（冰山技術服務（大連）有限公司，遼寧 大連 116630）

當前，我國已經成為世界第一大制冷生產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、應用可能會加劇環境問題，從1970 年以來，全球制冷行業面對臭氧層破壞，溫室氣體排放等環境問題不懈努力，達成了蒙特利爾協議及京東議定書等國家和地方層面的協議、法規。制冷行業正在尋求更好的制冷工質替代，滿足低GWP、ODP 值的前提下，盡量提高制冷系統運行效率；優化設計更好的制冷設備，達到節能減排，實現智能及網絡化控制。

1 制冷劑的選用

對于商業冷凍冷藏系統，制冷劑的選用至關重要，根據相關協議、法規，CFC、HCFC 類制冷劑已經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 氨制冷系統特點

氨制冷系統是目前大型冷庫應用最廣泛的制冷系統[2]。氨作為一種天然的制冷劑，其ODP和GWP都為零。蒸發壓力與冷凝壓力都適中，標準大氣壓下其蒸發溫度為-33.3℃，與普通低溫冷庫凍結間蒸發溫度相當，在冷卻水溫30℃～35℃范圍內冷凝壓力為1.1～1.3MPa，最高不會超過1.5MPa。

氨的物理性質與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%時遇明火會發生爆炸。因此各國都出臺相應的政策與規范限定冷庫中氨制冷劑的充注量。我國規定對使用氨作制冷劑的冷庫制冷系統，氨的充注量不應超過40噸；作為重大危險化學品源，氣體氨的臨界量為10 噸。氨制冷系統在低溫冷庫中一般采用兩級壓縮中間完全冷卻循環。典型的氨冷庫設備繁多，除了制冷循環的主要部件外，還要增設多種輔助設備。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置油分離器，還要在各個主要儲氨裝置設置放油管。為收集系統內的制冷劑需要時設置高壓儲液器、低壓液體循環桶以及排液桶。

3 氨制冷系統的優化與改進

3.1 減少系統內氨的充注量

目前國內氨冷庫一般采用集中式設計，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節站統一分配調節，多余的制冷劑液體儲存在高壓儲液桶內。冷庫的機房設置在庫房的外側，由機房到冷庫內長距離的輸送管道也會存有大量的制冷劑。集中式氨冷庫內存有大量的制冷劑，根據國際氨制冷學會提供的相關數據，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標準，但仍然會給企業和當地政府帶來一定壓力。在氨制冷系統中降低氨的充注量，是提高系統安全性的有效方法。SHANMUCAMSKG 等提出了“一種用于工業制冷的分布式超低氨充注系統（ULC）”，ULC 系統是一種模塊化的分布式制冷系統，它將開式驅動螺桿壓縮機和蒸發器風扇結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，有效縮短了制冷劑進入蒸發器的管程[3]。同時ULC 系統冷凝部分選用熔合并聯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相比較，ULC 系統能減少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濟性。

3.2 提高氨制冷循環的效率

低溫冷庫冷凍間庫內貨物在凍結前后溫差大，庫內溫度波動較大。因此，在氨冷庫的凍結間蒸發器宜采用泵供液的方式，氨泵供液的循環倍率一般取5～6。多倍供液加泵供液的模式可以提高蒸發器內的傳熱系數且不會出現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溫度下潤滑油積存在蒸發器管道內影響換熱效果。

如何獲取更大的過冷度是提高制冷循環COP 的關鍵因素之一。研究表明，對于氨制冷系統，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，提高氨制冷系統制冷效率，某學者提出氨制冷跨蒸發系統循環應用于氨冷庫系統。提出對于存在多級蒸發系統的氨冷庫，除第一級蒸發系統直接由冷凝器供液以外，其他蒸發系統均由與它相近的上一級蒸發系統進行供液，系統運行更加節能高效。

4 二氧化碳制冷系統的特點

4.1 工質特性

CO2為環保制冷劑，ODP=0、GWP=1，對環境無破壞作用。CO2安全無毒、不可燃，并具有良好的熱穩定性，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，不存在制冷工質淘汰更換問題。CO2缺點是系統壓力較高，對設備制造及系統安裝要求較高，另外普適性較差，適合低溫工況。

4.2 系統特點

1.根據使用功能不同，使用不同的制冷形式，簡化系統，保證系統安全、環保、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，提高整個制冷系統的效率。

4.CO2制冷劑系統部分系統內設置水分過濾器，則保證系統內部發生內腐，保證系統安全運行。

5.低溫段CO2系統的安全與保護：只要有高溫段壓縮機的運行，就可保證CO2低溫段系統內的壓力維持在正常范圍內，這是系統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境維持，不會超出設計壓力；當低溫段CO2系統長時間停機時，系統內壓力升高至設定壓力值后，開啟高溫段壓縮機組，用以維持低溫段系統內的壓力或將低溫段CO2制冷劑排放掉；CO2系統停機維持機：系統壓力超高的最后保護裝置是系統所配置的安全閥，在超過設定壓力后開啟，這是極端情況下的應對措施。

5 氨系統與二氧化碳系統經濟性比較

5.1 制冷效率比較

在-40～-10℃/35℃工況，R744/R717 復疊系統壓縮機部分的制冷系數與其它系統比較（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 系統低壓管道一般是R717 系統重量的90%。

5.R744 系統低壓管道保溫材料用量一般是R717 系統的2/3。

6.R744 系統低壓管道保溫外保護層材料用量一般是R717 系統的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用手動閥門，R744 系統與R717 系統造價基本持平。

6 智能技術與冷凍冷藏技術的融合探索

6.1 開源的智能模型庫

目前，智能系統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用于眾多領域，如醫學成像、視頻及圖像還原等；模式識別是一種基于概率統計等方法的識別、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用。語音識別與智能交互是實現用戶與產品對話的一種方式，其中語音識別是目前研究的前沿，通過語音識別，對用戶語音的發聲頻率、響度、內容等進行自動判斷，從而使得設備能夠分辨出用戶類別及意圖，完成特定功能。

制冷設備與智能系統的融合亦可從智能系統的基礎研究開始，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，從而決定設備是否開啟或關閉，通過模式識別判斷設備目前的運行情況，是否產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，智能的制冷設備離不開先進的控制系統，控制系統能夠精確可靠地控制制冷或制熱是判斷制冷設備性能優劣的重要標準。

目前，許多的智能算法、模型在工程領域得到了具體應用，但這些智能模型并未形成統一的標準，仍處于離散狀態，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者共享的智能模型庫，基于共享模型庫使得設計師可快速地設計和實現智能系統。對制冷設備的研發來說，可從集成智能模型到應用智能方面加速智能制冷設備的研發。

6.2 智能高性能處理器研發

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

目前，國際上常見的處理器研發、生產或制造廠商包括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，因此較為適應智能化時代對數據快速運算的需求，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計、智能化算法設計、高效的數據與存儲處理程序等，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備，從而可將智能化應用從具體硬件或設備中釋放出來，同時可在不同的設備間運行，克服了硬件兼容性問題，因此能夠更好地適應人們對互聯互通、相互交融的需求。

7 結語

總之，空調制冷系統已廣泛應用于人們的日常生活和工業生產中，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及常用的制冷系統和方法，并對制冷設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想，從而加速對智能制冷設備的研發。