斯特林型-80 ℃低溫冷庫研究

張安闊 吳 明 馮英瓏 余文輝 熊 超 謝 晶

(1 上海海洋大學食品學院 上海 201306;2 上海超立安科技有限責任公司 上海 200240)

根據冷藏溫度的不同可將冷庫分為高溫、中溫、低溫、超低溫4大類:高溫冷庫-2～8 ℃,中溫冷庫-23～-10 ℃,低溫冷庫-30～-23 ℃,超低溫庫-80～-30 ℃,一般意義上把-30 ℃以下的超常溫度的冷庫稱為超低溫冷庫[1-2]。

我國現有冷庫多數為果品蔬菜保鮮的高溫冷庫和普通水產、肉類保鮮的中溫冷庫;由于人民生活品質的日益提高以及人民對醫療健康等方面的關注,超低溫冷庫在金槍魚、沙丁魚、鱈魚等食品保鮮領域具有廣泛應用需求以及在疫苗、藥品、血液生物樣本等的存儲具有不可替代的優勢[3]。超低溫冷庫的作用是實現對庫內貨物的快速降溫并保持恒定低溫,實現低溫存儲。

以海產品為例,國際營養組織將金槍魚推薦為世界三大營養魚類之一,金槍魚應保存在約-55 ℃,更低的庫溫能夠避免細胞之間形成冰晶體,更好地保證食品的品質[4]。mRNA疫苗在常溫下的穩定性較弱、容易降解、半衰期短,需要超低溫的儲存條件來維持穩定性,避免疫苗里有效成分的降解,例如國外大范圍使用的輝瑞新冠mRNA疫苗可在-70 ℃保存6個月[5-6]。此外,血液也需要使用超低溫冷庫進行存儲,由于血液中包含血漿和各種不同功能的血細胞,在-60～0 ℃溫區,細胞內的水分以冰晶形式存在,容易對細胞和組織的微觀結構造成損害,一般不使用該溫度來保存組織和細胞,且在組織樣本內生物大分子受到細胞組織內多種因素的影響,穩定性可能明顯降低,所以通常生物樣本庫不使用-60～0 ℃作為儲存溫度。血站保存血液的溫度為-80～-70 ℃[7]。

目前,為了獲得-80 ℃的制冷溫度,采用的制冷方式仍以兩級復疊式制冷方式為主[8]。上海理工大學制冷研究所建設的-60 ℃小型裝配式實驗冷庫,庫體采用200 mm厚的聚氨酯成型庫板材料裝配而成,庫房內容積為27.5 m3,制冷系統采用R22的單機雙級壓縮和R23的單級壓縮組合的復疊式制冷循環,可實現-60～-40 ℃無級調節,庫溫穩定,溫度波動不超過±0.5 ℃[2,9]。目前對于超低溫冷庫制冷系統的研究包括復疊式制冷系統制冷劑替代技術發展、雙級壓縮制冷和復疊式制冷兩種制冷方式應用于超低溫冷庫的對比等,科研人員進行了相關的理論研究和實驗驗證。溫辰陽等[10]對R290/R170與R22/R23熱物理性質和換熱性能進行對比,并對相同工況下兩種復疊式制冷系統的選型及系統循環性能和安全性進行對比分析,理論分析確認了R290/R170替代R22/R23的可行性;孫建軍等[11]為模擬血液的超低溫保存環境(-80 ℃),搭建了R404A/R508B復疊式制冷系統的超低溫冷庫,進行了系統性能研究:改變庫內蒸發器入口的工質參數,研究系統降溫曲線,分析了降溫過程的高、低溫級壓縮機的壓比及低溫級壓縮機排氣溫度隨庫溫的變化情況;不同蒸發溫度(-87、-77、-67 ℃)下,系統壓縮機功耗、排氣溫度隨蒸發溫度等的變化情況。王方旭等[12]對超低溫冷庫應用環境下不同制冷系統進行對比分析,認為當蒸發溫度為-60～-30 ℃時,采用雙級壓縮制冷系統效率高于復疊式制冷系統,當所需制冷溫度為-80～-60 ℃時,相比于雙級壓縮制冷系統,復疊式制冷系統吸氣壓力更高、壓縮機效率更高、蒸發溫度更低,系統效率更高;郭耀軍等[13]對雙級壓縮制冷系統和復疊式制冷系統的經濟性進行了對比,發現蒸發溫度為-65 ℃時,雙級壓縮制冷系統和復疊式制冷系統的壓縮比和排氣溫度隨冷凝溫度的升高而升高,吸氣壓力和制冷劑質量流量隨冷凝溫度的升高無明顯變化,在相同的冷凝溫度下,復疊式制冷系統在上述性能方面優于雙級壓縮制冷系統;冷凝溫度為40 ℃時,雙級壓縮制冷系統和復疊式制冷系統的壓縮比和排氣溫度隨蒸發溫度的降低而升高,吸氣壓力隨蒸發溫度的降低而降低,制冷劑質量流量隨冷凝溫度的升高變化較小,在相同的蒸發溫度下,復疊式制冷系統在上述性能方面優于雙級壓縮制冷系統;分別采用兩種系統搭建某小型超低溫制冷實驗臺,對比壓縮機的初投資和運行費用,結果表明,采用復疊制冷系統可以降低能耗15.13%。

由此可知,在-80 ℃制冷溫區,目前國內關于復疊式制冷方式研究較多,但該制冷方式效率較低,制冷系統復雜,溫度均勻可靠性較差,為實現-80 ℃低溫存儲環境需要耗費較多的電功,如表1所示[13]。

表1 -80 ℃超低溫冷庫的參數

2021年9月15日,《蒙特利爾書基加利修正案》對我國生效,旨在加強氫氟烴類(HFCs)等非二氧化碳溫室氣體管控,將逐步淘汰氫氯氟烴(HCFC)和氫氟碳化合物(HFC),這對冷藏冷凍等相關行業帶來了技術上的升級要求[14-15]。雙級壓縮制冷系統在制冷溫度低于-60 ℃時效率低于復疊式制冷系統,而復疊式制冷系統在-80 ℃時其性能系數一般不超過0.3,相比于斯特林制冷技術的高效率相形見絀,斯特林制冷機的制冷系數可達到0.4以上,并且復疊式制冷技術面臨制冷劑更新替代的問題,無法得到長遠發展[16]。斯特林制冷機由于采用板彈簧支撐技術、間隙密封技術、工質為氦氣等,具有高可靠性、高效率、壽命長、綠色環保、寬溫區等優勢[17]。

針對-80 ℃低溫冷庫應用需求,設計了一個采用先進制冷技術的-80 ℃低溫冷庫,介紹了該冷庫的結構特點,基于VIP(vacuum insulation panel)絕熱技術的經驗,核算了箱體在該溫區的漏熱情況,根據熱負荷,選配課題組研制的滿足其性能要求的-80 ℃斯特林制冷機,并通過實驗驗證了制冷性能,滿足了低溫冷庫的設計需求,研究成果對于推動-80 ℃超低溫冷庫制冷技術的發展具有一定參考價值。

1 低溫斯特林-80 ℃冷庫設計

根據表1數據可知,天津大學采用復疊式制冷機搭建的-80 ℃的低溫冷庫效果最好。以此為基準,設計的低溫冷庫整體結構設計如圖1所示,冷庫為邊長2 m的正方體,冷庫腔體空間為8 m3。冷庫主要由箱體、斯特林制冷機、風機、熱管、冷庫門、控制器及溫度傳感器組成。斯特林制冷機布置于冷庫頂部后側(目前選配2臺,可根據冷庫熱負荷進行調整),采用直接風冷的散熱方式對制冷機熱端和機身散熱,兩臺斯特林制冷機冷頭對置布置,共用熱管系統。兩臺斯特林制冷機與控制器之間通過電連接,控制器與布置于冷庫內上部的溫度傳感器通過電連接,溫度傳感器將溫度信號傳送至控制器,控制器調節直線電機轉速,控制斯特林制冷機的制冷量。冷庫的啟停通過控制器進行控制。通過以上設計,低溫冷庫具有容積大、開啟方便、可靠性高、結構緊湊、壽命長、制冷量大、效率高等優點。

1箱體(含VIP);2斯特林制冷機;3風機;4熱管;5冷庫門;6控制器;7溫度傳感器。

為簡化低溫冷庫的制冷系統,降低冷庫的整體制造成本,針對性地設計了一套制冷機冷頭冷量輸出裝置,冷頭對置結構主要由冷頭、導冷銅套、絕熱材料、熱管組成,兩臺制冷機冷頭對置布置,冷頭處安裝導冷銅套,熱管纏繞導冷銅套外部,并在冷頭、導冷銅套熱管的外部布置絕熱材料,降低熱損。通過上述設計,能夠有效降低制冷系統的復雜程度。

兩臺斯特林制冷機采用氦氣作為工作介質,制冷機冷頭對置布置,共用一套熱管系統,熱管采用銅材料制成。熱管由冷庫頂部引入,熱管中采用制冷劑R170進行制冷量的傳輸,熱管在冷庫腔體內采用“W”形狀的布置方式,對稱布置于冷庫內部的左、后、右側,如圖1中的4所示。通過上述設計,能夠使制冷劑在熱管中循環流動,在一定程度上能夠保證冷庫內部冷量分布的均勻性。熱管由冷庫上部引入,制冷劑在熱管內部自上而下循環流動。

2 低溫斯特林-80 ℃冷庫熱損計算

設計的低溫冷庫為-80 ℃,冷庫腔體與外界環境之間的溫度梯度大,易造成冷庫冷量的損失。為降低冷量損失,提高低溫冷庫的整體性能,冷庫箱體的絕熱層設計尤為關鍵。VIP具有良好的絕熱性能,導熱系數通常為0.003～0.004 W/(m·℃),甚至更低[18],但VIP對外部的機械壓力和沖擊力承受能力較差,不能單獨作為箱體絕熱材料使用。聚氨酯絕熱材料具有一定的結構強度,與塑料及金屬的黏合力強,且滲入能力強,能夠將需要填充的空間填滿。而VIP通常制成板狀,不具備填充能力,因此將VIP與聚氨酯絕熱材料構成復合絕熱層,該復合絕熱層具有導熱系數低、結構強度強的優點[19]。

圖2所示為VIP與聚氨酯絕熱材料構成的復合絕熱層結構。通過聚氨酯絕熱材料發泡技術將VIP全部覆蓋,填滿需要填充的空間,并將復合絕熱層的所有構件黏結在一起。在該復合絕熱層中,VIP主要起絕熱作用,聚氨酯材料主要起保護和支撐作用,真空絕熱技術能夠有效抑制氣體導熱和對流換熱,使總傳熱量大幅減少[20]。

VIP布置于低溫冷庫內箱體與外箱體之間。將多孔介質材料真空密封于保護薄膜內制成VIP,在相同的保溫效果下,其厚度相較于主流材料可以降低50%以上,是目前最先進的保溫材料之一[21]。在冷庫內-80 ℃、環境溫度25 ℃情況下,結合VIP絕熱技術經驗,通過理論計算得到冷庫的漏熱損失,此為冷庫在維持穩定溫度工作時,理論上斯特林制冷機所需提供的最小制冷量。計算方法如下[22]:

冷庫正常運行時,庫內溫度為-80 ℃,冷庫外溫度為環境溫度,較大的溫度差異,造成大量的冷量損失。假設冷庫腔體內、外空氣溫度和露點溫度分別為t2、t1和td(℃),庫體內、外表面溫度分別為tw2和tw1(℃),腔體內、外表面與空氣間的傳熱系數分別為h2和h1[W/(m2·℃)],隔熱材料的導熱系數為λtotal[W/(m2·℃)]。根據熱平衡條件可得:

(1)

式中:L為絕熱層厚度,mm,保溫層厚度應大于該絕熱層厚度。

具體邊界條件設置如表2所示。

表2 冷庫邊界條件

低溫冷庫的熱量損失主要包括冷庫庫體的傳熱損失、庫門開關時的熱量損失、儲物發熱損失和其他傳熱損失等。冷庫腔體的傳熱損失主要由庫體表面的傳熱損失,庫門漏熱損失和庫門門吸封條的漏熱損失等三部分組成[23]。

傳熱面積A按照外圍尺寸進行計算,冷庫邊長為2 m,A包括上下兩底面以及四側面的面積:

A=2×2×2+2×2×4=24m2

(2)

傳熱溫差Δt按照設計工況進行計算,環境溫度為25 ℃,冷庫內溫度設計為-80 ℃,則溫差為:

Δt=環境溫度-冷庫內溫度

=25-(-80)=105 ℃

(3)

VIP的厚度d1=28 mm,導熱系數λ1=0.004 W/(m·℃);聚氨酯發泡材料的厚度d2=50 mm,導熱系數λ2=0.02 W/(m·℃),則

(4)

若冷庫庫體的總傳熱系數K取0.095 W/(m2·℃)(該取值較為保守),則低溫冷庫壁面的漏熱損失為:

Q1=AKΔt=24×0.095×105=239.4W

(5)

冷庫內外門可設計成耐低溫塑料材料,兩層門可按照多層保溫結構處理,漏熱量Q2約為8 W。門吸封條為硅膠材料[24],氣密性好,可減小冷量損失,熱量會通過密封條滲透至冷庫腔體內部,該部分的熱量沒有明確的計算公式和計算方法,一般采用經驗值進行估算,其大小取Q1和Q2總和的15%[22],即:

Q3=(Q1+Q2)×15%=37.11W

(6)

因此,低溫冷庫總的傳熱損失主要為上述三種熱負荷之和,即:

Qtotal=Q1+Q2+Q3=284.51W

(7)

3 低溫冷庫用斯特林制冷機選配

斯特林制冷機在-80 ℃以下溫區具有較好的制冷效率,相關制冷方式的實現尤為關鍵。理想斯特林制冷循環在相同制冷溫度與熱端溫度下具有與逆卡諾循環相同的制冷效率,且高于復疊式制冷系統所采用的朗肯循環,從理論層面而言,自由活塞斯特林制冷機用于低溫冰箱具有一定的優勢。理想斯特林制冷循環在一定條件下,能夠具有與逆卡諾循環相等的效率。但在實際制冷循環中,難以達到理想斯特林制冷循環所需的條件,例如:制冷機中,壓縮活塞和推移活塞運動遵循往復式簡諧運動規律,而非跳躍式間斷運動;制冷機內回熱器、換熱器中空體積的存在導致熱力循環過程復雜;氣缸與換熱器等零件的制作材料具有一定熱阻,無法真正實現等溫壓縮及等溫膨脹過程;制冷機運行過程,流體與固體、固體與固體摩擦等產生了一系列損失。

為了更好地冷卻-80 ℃低溫冷庫,選配了課題組研制的自由活塞式斯特林制冷機,結構如圖3所示。斯特林制冷機主要由冷頭、冷端換熱器、回熱器、熱端換熱器、推移活塞、熱端散熱器、壓縮活塞、直線電機、板彈簧、減振裝置等部件組成。為實現制冷機整體的緊湊化設計,自由活塞斯特林制冷機采用推移活塞連桿貫穿壓縮活塞的方式將推移活塞、壓縮活塞布置于同一氣缸,實現壓縮腔、膨脹腔的同軸。

1冷頭;2膨脹腔;3冷端換熱器;4回熱器;5推移活塞;6熱端換熱器;7熱端散熱器;8壓縮腔;9壓縮活塞;10直線電機;11壓縮板彈簧;12推移板彈簧;13減振裝置。

使用同軸結構,氣體經壓縮后產生的氣動力能夠直接驅動推移活塞,避免了冷指側直線電機的引入,有效防止了制冷機體積、質量的進一步增加。壓縮活塞、推移活塞均采用單側板彈簧支撐。由于活塞質量大,且重心距離板彈簧連接處較遠,因為重力,易使活塞相對于氣缸的同軸度產生偏離,導致徑向接觸,因此,同時采用板彈簧和氣體軸承技術,能夠更好的保證活塞和氣缸的同軸度,壓縮機得以長壽命運行。同樣由于同軸結構,壓縮機振動能夠徑直傳遞至冷頭,干擾制冷機可靠運行。為了抑制制冷機振動,通常需在其一端配置減振裝置,減振裝置一般可采用內置或外置方式,內置方式較為美觀、運輸方便,但不易調節;外置方式利于調節板簧數量及剛度,有助于原理樣機的研究,但易受到運輸過程中外部因素的影響,如碰撞、生銹等。

圖4所示為自由活塞斯特林制冷機測試實驗臺。斯特林制冷機冷頭上分布Pt100鉑電阻(監測溫度)和陶瓷加熱片(靜平衡法監測冷量),制冷機冷頭(冷端)內置于保溫罩內,采用翅片加風冷散熱方式,對熱端換熱器及機體進行散熱;六位半歐姆表測試Pt100鉑電阻阻值,通過換算得出對應冷端制冷溫度;直流電源加熱陶瓷加熱片,調控制冷量大小;交流電源驅動制冷機內電機,控制系統功率、頻率等運行參數。

1冷頭及保溫罩;2散熱翅片;3制冷機外殼;4六位半歐姆表;5直流電源;6交流電源。

圖5所示為自由活塞斯特林制冷機的降溫曲線。斯特林制冷機冷頭呈圓形,尺寸較大,熱負載大,需要的降溫時間較長。當制冷機輸入功率分別維持在200 W恒定值運行,冷端溫度在20 min后,降溫速度明顯變慢,在50 min后基本達到平衡點,最低制冷溫度可分別維持在約-160 ℃。因此,斯特林制冷機具有較強的降溫能力,可以根據不同冷庫的溫度需求,選配斯特林制冷機。

圖5 斯特林制冷機的降溫曲線

圖6所示為斯特林制冷機制冷性能圖。由圖6可知,隨著制冷量的增加,輸入電功率也需對應增加,斯特林制冷機對應輸入電功增至500 W,制冷溫度為-86 ℃測量的制冷量為180 W,對應 COP為0.36;因此,選用的2臺斯特林制冷機在-86 ℃溫區的制冷量為360 W,需要斯特林制冷機耗電功率約為1 kW,可以滿足所設計的-80 ℃低溫冷庫的熱負荷284.51 W。斯特林制冷機冷頭溫度-86 ℃與冷庫內部溫度-80 ℃的溫差為6 ℃,為傳熱溫差,可根據實際情況進行調整。考慮到低溫冷庫內部還有血漿、器官等生物樣本的胴體負荷,所設計的-80 ℃低溫冷庫也可采用多臺斯特林制冷機的聯供方案。

斯特林低溫技術先進,制冷工質為氦氣,綠色環保,可實現-80 ℃及以下低溫區快速制冷,具有高效率、高可靠、長壽命等優點[25]。因此,為響應國家“碳達峰、碳中和”的重大戰略布局,對標文獻中采用復疊式制冷機搭建容量為7.8 m3的-80 ℃高效率低溫冷庫,設計的斯特林型-80 ℃低溫冷庫,每天耗電量進行對標研究,結果如表3所示。可知,冷庫為實現-80 ℃低溫,采用斯特林制冷機是一種技術革命,高效可靠,容積為8 m3冷庫每天耗電量低至24 kW·h,即使考慮冷庫內血漿、器官等生物樣本的胴體負荷,其耗電量也較為理想,是未來-80 ℃低溫冷庫的發展方向。

表3 -80 ℃超低溫冷庫的耗電量對比

4 結論

低溫技術將有效地構建生物醫藥冷庫或箱體,低溫存儲如疫苗、血漿、細胞、骨髓、組織、核酸等生物樣本。-80 ℃斯特林型低溫冷庫近些年發展迅速,但其制冷技術局限于傳統的復疊式(兩級復疊或自復疊)制冷。針對我國該領域低溫技術亟待提升的研究現狀,本團隊設計了一座-80 ℃ 斯特林型低溫冷庫,開展了斯特林制冷機和低溫冷庫的理論分析和實驗研究,得到如下結論:

1)研制并實驗測試了一臺高性能-80 ℃斯特林制冷機,該制冷機降溫迅速,在200 W輸入功空載條件下10 min內可降溫至-80 ℃,在500 W輸入功條件下可提供制冷溫度-80 ℃下180 W的制冷量,對應COP為0.36,降溫快且具有較高的制冷效率,可以充分滿足低溫冷庫制冷溫度和庫體漏熱損失要求。

2)研究了VIP和聚氨酯發泡層組成復合絕熱層結構以及低溫冷庫庫體的漏熱損失計算方法,計算該箱體在-80 ℃的工況下理論漏熱損失為284.51 W,具有良好的保溫性能。

3)提出了低溫斯特林-80 ℃冷庫設計方案,充分考慮負荷的閾值,采用兩臺斯特林制冷機聯和供冷的方案,對于冷庫上側,冷頭冷量通過熱管內工質的氣液轉換,將冷量傳遞至冷庫箱體周圍,實現冷量高效傳輸和分布均勻性。