關于不同制冷系統應用于冷庫的探討

郭 靖

（松下冷機系統（大連)有限公司，遼寧 大連 116600）

引言

氟利昂制冷系統有著較高的安全性和穩定性，雖然會對環境造成一定的破壞，但在我國小型冷庫中依然廣泛使用。氨制冷系統是我國大中型冷庫使用的制冷系統，目前，在自動化和智能化程度上低于發達國家，中型、大型冷庫的實際運行需要消耗較高的成本，不利于氨制冷系統的有效推廣。復疊式制冷系統可以對貨物進行超低溫快速冷凍，能有效滿足人們對冷凍食品新鮮度的要求。因此，在實際應用中，需結合冷庫的需求和不同制冷系統的特點選擇制冷系統。

1 氟利昂制冷系統

1.1 氟利昂制冷系統特點

氟利昂制冷系統適合應用于人員密集或大型商場中的中小型冷庫制冷，具有以下特點：一是氟利昂制冷劑無毒、無刺激性氣味，且機組配置簡單、技術相對成熟。二是氟利昂制冷系統中的設備體積較小，不僅可以降低占用面積，而且整體噪音小。三是氟利昂制冷系統也有一定的缺點，一旦氟利昂制冷器發生泄漏，就會對環境產生破壞，且因為氟利昂制冷劑是無刺激性氣味，很難被發現和及時檢測到。另外，在同等制冷需求下，氟利昂制冷系統的效率低于氨制冷系統的制冷效率[1]。

1.2 制冷劑替代和其性質

目前市場中使用氟利昂制冷系統時，在制冷劑的選擇上大多使用R22，對臭氧層的破壞較為明顯，為了更好地應用氟利昂制冷系統，目前已經針對R22制冷劑替代品進行了研究，在替代品中ODP的值為0，不過在GWP的數值上還較高。結合市場中氟利昂制冷劑的使用情況，R407C和R404A是使用最常見的制冷劑替代品。雖然這些制冷劑代替R22不會對臭氧層產生破壞，但在實際制冷劑的替代中，需要對不同制冷劑的化學性能、物理性能進行分析，只有在充分了解不同替代制冷劑的差異性后，才可以有效利用不同制冷劑替代品。3種制冷劑的熱力性質如表1所示。

表1 R22、R407C和R404A的熱力性質表

表1中，臭氧消耗潛能（Ozone Depletion Potential）簡稱ODP；全球變暖潛能（Global Warming Potential）簡稱GWP（根據GB/T 7778—2017，制冷劑安全性可分為8類，從安全到危險分別為A1、A2L、A2、A3、B1、B2L、B2和B3）。

2 氨制冷系統

2.1 氨制冷系統特點

在目前的冷庫制冷系統應用中，氨制冷系統的應用面最為廣泛，具有以下特點：一是氨作為天然的制冷劑，在GWP和ODP上都為零，蒸發壓力和冷凝壓力都處于正常范圍，且標準大氣壓下的蒸發溫度和普通低溫冷庫凍結間的蒸發溫度一致，同時冷凝壓力在冷卻水溫30～35℃中壓力為1～1.4 MPa，最高不會超過1.5 MPa。二是氨的物理性質決定了在單位體積制冷劑下是氟利昂制冷量的2倍，因此，同等制冷量需求下，氨制冷劑的使用量更小。三是氨制冷劑也有一定的缺點，其安全等級為B2，不僅有毒，而且空氣中氨濃度超過16%后，就有遇明火爆炸的風險[2]。

冷庫制冷過程中，在使用氨制冷系統時，會采用兩級壓縮中間完全冷卻循環，具體制冷系統原理如圖2所示。結合圖2可以看出，氨制冷系統的冷庫中設備較多，不僅有制冷循環設備，也要有一些輔助設備，例如油分離器、放油管、高壓儲液器和低壓液體循環桶等。

圖2 雙級壓縮氨制冷系統

2.2 氨制冷系統優化

為了保證氨制冷系統的運行安全性，需要降低系統中氨的注射量，我國針對氨制冷系統中的氨注射量有明確規定，總充注量不能超過40 t，且氣體氨作為重大危險化學物品，儲存量的臨界值為10 t。因此，可以使用工業制冷的分布式超低氨充注系統（ULC）來對氨的注射量進行控制，其系統原理如圖3所示。ULC系統是模塊化分布式制冷系統，能將蒸發器風扇和壓縮機結合在一塊，為減短制冷劑進入蒸發器的路程，使用封閉耦合式單元和自動化電子制冷劑供液控制技術實現對制冷劑的控制。另外，該系統的冷凝部分并非利用非管殼式冷凝器，而是使用融合并聯板式換熱器，因此，冷凝器管道中不會存有大量的氨制冷劑。該系統和傳統的單級中央制冷系統比較，ULC系統在能源消耗上可以降低8%，同時氨注射量可以減低97%、用水量可以降低4%，經過試驗，氨制冷系統中出現單個分布式單元損壞時，氨泄漏量最多不會超過50 kg，與傳統氨制冷系統相比較，安全性更好[3]。

圖3 分布式低氨充注系統

3 復疊式制冷系統

3.1 復疊式制冷系統特點

降低蒸發溫度才可以更好地降低冷庫的溫度，受制冷劑熱力性質的影響，在具有較低沸點溫度的同時，也有著較高的臨界點溫度，同時在低溫制冷循環中，低溫制冷劑的蒸發溫度雖然較低，不過水冷冷凝器卻無法滿足冷凝溫度的需求，為此需要利用復疊式制冷原理。具體而言，復疊式制冷循環可以分為高溫部分和低溫部分，且兩個循環部分使用一個蒸發冷凝器，如圖4所示。結合復疊式制冷系統低溫部分的蒸發溫度變化和高溫部分冷凝溫度變化看，低溫部分的蒸發溫度變化對系統COP的影響較大，在低溫級，壓縮機能耗受蒸發溫度的影響較大，需要復疊式制冷系統降低低溫級功耗，提高制冷效率。

圖4 復疊式制冷循環系統

3.2 在超低溫冷庫中應用

在超低溫冷庫中，溫度標準在-80～-45℃之間，這樣的超低溫可以快速制冰和快速冷凍食品。例如，可以對一些名貴海鮮產品進行有效速凍，且超低的溫度可以在保存肉類時避免肉類細胞之間形成冰晶體，保證肉質的鮮美口感。在超低溫冷庫中對蒸發溫度有限制，氨制冷劑和CO2制冷劑不能達到需求，因此，使用R22/R13復疊式制冷系統，在低溫部分的蒸發溫度能達到-80℃以下。受到氟利昂制冷劑對環境造成破壞的影響，常用R170制冷劑替代R13制冷劑，R170制冷劑具有易燃性，只能用于充液量較小的低溫制冷設備中，不適合大中型冷庫設備制冷，存在明顯的局限性。

4 結語

復疊式制冷系統雖然可以快速對產品進行冷凍，但當前市場中的超低溫制冷劑應用，主要還是使用氟利昂制冷劑。在限制使用氟利昂制冷劑的背景下，其制冷劑的替代品也不能滿足大中型冷庫需要。另外，氟利昂制冷劑還會對環境造成不可逆的破壞，在同等制冷需求下，所消耗的制冷劑要遠高于氨制冷系統，因此，在普通的低溫冷庫建設中，氨制冷系統具有較強的優勢。雖然目前氨制冷系統存在著一定的危險性，不過通過技術優化可以極大地降低氨制冷劑的注射量，從而提高冷庫運行的安全性，氨制冷系統將會是我國的冷鏈行業發展中的必經之路。