NH3/CO2制冷系统的研究

葛长伟,姜韶明,于志强

(烟台冰轮股份有限公司,山东烟台 264000)

NH3/CO2制冷系统的研究

葛长伟*,姜韶明,于志强

(烟台冰轮股份有限公司,山东烟台 264000)

介绍了CO2作为冷媒的主要特点及其制冷系统形式,论述了NH3/CO2制冷技术的研究内容和试验结论,提出了NH3/CO2制冷系统的最佳适用范围。通过大量的系统试验数据和分析表明,NH3/CO2制冷系统有着极高的运行效率和安全、环保效应。CO2因其环保和节能的特点在不久的将来将成为最有前景的制冷剂之一。

NH3/CO2制冷技术;系统试验;安全;运行效率

0 引言

CO2用作制冷剂己有130多年的历史,自卤代烃类制冷剂(氟利昂)出现后,CO2在制冷系统中的应用逐渐被制冷特性优良、压力适中的卤代烃取代。

随着对环境保护和能源节约的重视,人们重新将目光投向了对环境友好的制冷剂,CO2作为其中之一,具有天然环保、价格低廉、不可燃、相变释放冷量大和单位容积制冷量高等突出特点,是全球制冷行业普遍关注的优质新型制冷剂。在-35 ℃ ～ -50 ℃温度的范围内,NH3/CO2复叠制冷系统己经在欧洲、美国取得了很好的应用[1]。

1 CO2的特性

1)良好的安全性:无毒、不可燃。

2)良好的环保性:ODP为0,GWP为1。

3)具有非常优良的输运和传热性质。

4)单位容积制冷量大:制取同等冷量的前提下可以显著地减小压缩机、换热器、管道及阀门的尺寸[2]。

5)成本低廉:CO2为工业副产品,价格仅为卤代烃类制冷剂的1/10～1/5,且无回收问题。

6)属于低温高压制冷剂,临界温度31.3 ℃,运行压力高于卤代烃类制冷剂,长期停机需要设置膨胀容器或维持机组;CO2的三相点为-56.56 ℃,三相点的压力0.518 MPa,也就是说CO2作为制冷剂只能应用于蒸发温度在-56 ℃以上的温度区间。

表1为CO2(制冷剂名称为R744)与常用制冷剂的比较。

表1 CO2与常用制冷剂的比较

2 NH3/CO2制冷系统

NH3/CO2制冷系统有两种基本形式:NH3/CO2复叠制冷系统和NH3/CO2载冷剂制冷系统。

2.1 NH3/CO2复叠制冷系统

CO2作为主制冷剂应用于亚临界系统,和其他独立的中温回路构成复叠式制冷循环,中温回路一般采用R717,也可以采用R404a和R507a等其他环保制冷剂,中温回路制冷剂的蒸发用于主回路CO2的冷凝,通过一个冷凝蒸发器将中低温回路密切地联系在一起,保证CO2处在亚临界区内循环。图1为NH3/CO2复叠制冷系统原理简图。

2.1.1 NH3/CO2复叠制冷系统的特点

NH3/CO2复叠制冷系统的优点有:1)在-35℃以下的制冷需求中效率高;2)减少了高温级循环的制冷剂充注量,是常规系统的 1/10;3)管路尺寸极小;4)当需要两个制冷温区时,是很好的解决方案。

NH3/CO2复叠制冷系统的缺点有:1)工作压力相对较高,特别是在热气除霜的情况下[3];2)需要对低温系统停止运行时的压力进行有效控制[4]; 3)需要维护两种制冷剂的制冷系统。

图1 NH3/CO2复叠制冷系统原理简图

2.1.2 CO2复叠系统中间压力选择

CO2复叠系统的最优中间压力取决于很多参数(例如:高温制冷剂的种类,制冷负荷的类型等等)。

1)具有中温区制冷负荷的系统

a) 衡量中间负荷和复叠效率。

b) 中间压力应当尽可能的高,以降低高温级的负载。

c) 中间压力的大小,由系统中中温制冷温度以及系统的压力决定。

d) 中间负荷的大小。

2)没有中温区制冷负荷的系统

a) 中间温度由系统效率决定。

b) 考虑系统的承压能力。

图2为NH3/CO2复叠制冷系统中间压力选择图。

图2 NH3/CO2复叠制冷系统中间压力选择图

2.1.3 CO2复叠系统的效率比较

NH3/CO2复叠制冷系统在蒸发温度为-45 ℃工况下,COP比NH3双级制冷系统(理论计算的最佳配搭)COP高8.8%。比实际常规配搭高10%以上。

图3为NH3/CO2复叠制冷系统与氨双机配搭系统效率比较。图4为NH3/CO2复叠制冷系统与常规制冷系统效率比较。

图3 NH3/CO2复叠制冷系统与氨双机配搭系统效率比较

图4 NH3/CO2复叠制冷系统与常规制冷系统效率比较

图5 NH3/CO2载冷剂制冷系统原理简图

2.1.4 CO2制冷系统的设计参数(不采用热气融霜)

设计参数如下所述。系统设计压力(饱和吸气温度)设定为4 MPa(5 ℃);安全阀压力设定为3.6 MPa (-10%MWP);系统应急处理压力设定为3.4 MPa (-1 ℃);排气压力设定为3 MPa(-5 ℃)。

2.2 NH3/CO2载冷剂制冷系统

CO2作为载冷剂用于主制冷循环的二次回路,与常规的载冷剂系统最大的区别在于CO2是相变载冷,CO2通过自身的物态变化完成冷量的输送过程,因此其在传递同等冷量的前提下,所需要的循环量很小,远小于常规的载冷剂系统;而且CO2作为载冷剂不存在系统管路腐蚀的问题,解决了传统载冷剂系统在运行可靠性方面的最大隐患。

和NH3/CO2复叠制冷系统相比,NH3/CO2载冷剂系统更紧凑、充氨量更少,系统运行更加安全、初次投资省;当CO2蒸发温度低于-30 ℃时,其运行费用略高于 NH3/CO2复叠制冷系统。但当 CO2蒸发温度高于-30 ℃时,从运行效率和一次投资费用两方面而言均宜采用CO2载冷剂系统。

图5为CO2载冷剂制冷系统原理简图。

2.2.1 CO2载冷剂的压焓图

图6为CO2载冷剂压烙图。

2.2.2 CO2做载冷剂和其他载冷剂比较

表2为CO2做载冷剂和其他载冷剂比较,由表2可知CO2做载冷剂有以下特点:1)黏度低;2)换热COP高;3)比热大;4)流量小。

图6 CO2载冷剂压焓图

表2 CO2做载冷剂和其他载冷剂比较表

3 NH3/CO2制冷系统技术研究

3.1 CO2螺杆制冷压缩机性能试验

试验项目:1)CO2压缩机组运行试验;2)主辅侧试验,主侧采用吸气管制冷剂气体流量计法,辅侧采用干式制冷剂量热器法进行测量,主辅侧制冷量偏差小于5%;3)采用气环法就同一冷凝温度不同蒸发温度(或同一蒸发温度不同冷凝温度),对CO2压缩机总回油口更改前后的性能进行测试。

试验结论如下:

1) CO2压缩机的等嫡效率较差,尤其是在低温工况或大压差工况,实测值和等嫡效率取值相差甚远;

2) 从理论上分析,CO2吸气过热度不宜过大[5],实际试验也是如此。CO2吸气过热度的增加会导致质量流量的降低、制冷量减少、轴功率略微降低和压缩机组COP呈下降趋势;

3) 常规46#矿物油可以满足CO2螺杆压缩机的使用需求,油分离器也具备较好的分油效果;

4) 由于 CO2排气温度较低,所需的油冷负荷也较小;

5) 在相同较高的CO2冷凝温度下,CO2压缩机的制冷量随着蒸发温度的降低急剧减小,轴功率却随着蒸发温度的降低而明显增加,表现出与常规制冷相反的规律。

3.2 NH3/CO2复叠系统性能试验

试验项目:复叠工况参照GB/T 5773-2004要求,采用其中的方法 C(干式制冷剂量热器法)和方法D1(吸气管制冷剂气体流量计法)同时测量,试验不同NH3排气压力饱和温度/不同CO2吸气压力饱和温度下的复叠机组制冷量、轴功率及能效比。

试验结论如下:

1) NH3/CO2复叠按试验系统配置可以满足-50 ℃～-30 ℃不同工况的需求,即使在高温工况下CO2排气压力也未超过0 ℃对应的饱和压力,系统可以在较为安全的范围内运行;

2) NH3/CO2复叠系统在有专业人员操作及精密仪器测量的前提下可以试验至-55 ℃低温,此时距CO2工质临界点仅1.57 ℃;实际工程中不推荐使用至该温度;

3) NH3/CO2复叠工况测得的实际中间温度,与设计阶段计算的最佳中间温度平均差值约 3.6 ℃,其间有部分影响因素是实测值的吸气过热度与理论计算时的吸气过热度取值不同;

4) 当CO2蒸发温度高于-35 ℃时,同等冷量的前提下,NH3/CO2复叠制冷系统的运行费用和初次投资费用都高于NH3/CO2载冷剂制冷系统,此时宜采用NH3/CO2载冷剂制冷系统。

3.3 CO2泵供液制冷系统试验

试验项目:1)相同热源条件、不同循环倍率对复叠系统的性能影响;2)蒸发器换热系数;3)热交换器换热系数;4)不同工况、不同循环倍率时CO2系统各流道阻力及CO2屏蔽泵使用状况。

试验结论如下:

1) 试验过程中发现,循环倍率从1倍变化到2倍左右过程中,蒸发器的换热效果增势较为明显, 2倍以上继续增大循环倍率,蒸发器的换热效果增势减弱;

2) 外购的常规 CO2制冷剂含水量较多,工程中需设置一台专门用于充注的干燥器,或者购买纯度更高的食品用CO2作为制冷剂;

3) CO2液体动力粘度较小,经过换热器及管路产生的压力降很小。CO2气体或气液两相流存在较大的阻力损失,所以蒸发/吸气管路的阻力降对系统性能的影响更大;

4) 对于压缩机而言,吸气过热度的增加会增大烙差,同时也会增大比容,降低质量流量,测试证明CO2的过热并不能使压缩机的能效比得到提升,建议工程实际中取消热交换器;

5) 对于CO2空气换热器来说,2倍以上的循环倍率起到的作用只是单纯强化CO2侧的换热,主要热阻还在空气侧,所以高循环倍率意义不大。

3.4 NH3/CO2载冷剂系统性能试验

试验项目:1)测试CO2做载冷剂循环时不同工况下冷凝蒸发器和贮液器之间的压差;2)测试CO2做载冷剂循环时不同工况下冷凝蒸发器的传热系数K,并与复叠循环时的传热系数进行比较;3)测试CO2做载冷剂循环时冷凝蒸发器带液冷凝的系统运行情况;4)测试CO2泵正常运行时最大允许吸入管路压差。

试验结论如下:

1) 和同样配置条件下的复叠工况相比,CO2载冷剂系统中的冷凝蒸发器的传热系数约为复叠系统的1/2;

2) 为保证CO2泵的正常运行,CO2泵的进口管路的压力降对应的温度降不允许超过0.8 ℃;

3) 冷凝蒸发器的进气侧为两相流时,其传热系数略小于进气侧为饱和气体时的传热系数,但偏差都在5%以内;

4) 在投资性价比合理的条件下,CO2载冷剂系统的运行压力的限定在蒸发温度5 ℃,所以CO2载冷剂系统设计压力不支持高于5 ℃运行。在-30 ℃以下, CO2载冷剂系统的效率低于 NH3/CO2复叠制冷系统性能,且性能降低幅度远大于复叠系统投资增加幅度,所以在-30 ℃以下,不建议使用CO2载冷剂系统。

4 烟台冰轮NH3/CO2制冷工程案例

4.1 烟台丰润工程

烟台市丰润食品有限公司是以苹果、芋头等食品的冷冻加工一体的公司。公司建筑面积8,742 m2,包括一幢4层的办公楼和一幢单层高局部3层高的厂房和1个1,000 t的冷库。

公司厂房于2009年02月工程开始,工程2009年10月底结束。

烟台市丰润食品有限公司的主要用冷设备为一台流态化单体速冻装置,库内温度≤-30 ℃,公称冻结能力1,500 kg/h(以青刀豆计算),需冷量220 kW。采用一套 NH3/CO2复叠制冷系统作为冷源低温级,主机选用一台 LG12R二氧化碳专用螺杆压缩机、设计工况-40 ℃/+35 ℃,名义制冷量240 kW。供液方式为泵强制循环的多倍率供液系统,冷却方式为直接冷却。

系统调试运行后,在加工间内只需要操作单冻机的开停按钮,整套系统即可实现全自动运行,节能效果10%以上,得到了客户的认同和好评。

图7和图8为机组照片。

图7 辅机机组

图8 压缩机组

4.2 威海久业工程

工程建设单位为威海久业仓储物流有限公司。

该项目包含两套NH3/CO2复叠制冷系统:一套-45 ℃系统、一套-35 ℃系统。-45 ℃系统为两台0.5 t/h的冲击式板带单冻机、一台1 t/h的网带单冻机提供冷源,总的需求冷量405 kW;-35 ℃系统为一台1 t/h的二次冻结装置和一间20 t低温缓冲间提供冷源,总需求冷量 133 kW。供液方式均为泵强制循环的多倍率供液系统,冷却方式为直接冷却。

-45 ℃系统选用两台 LG12R二氧化碳专用螺杆压缩机,设计工况-45 ℃/35 ℃,名义制冷量2× 207=414 kW;-35 ℃系统选用一台LG12R二氧化碳专用螺杆压缩机,设计工况-35 ℃/35 ℃,名义制冷量275 kW。-45 ℃和-35 ℃系统共用一套CO2高压系统,冷凝蒸发器选用一台 LZH140,名义换热面积 140 m2、贮液器选用一台 ZY2.0,公称容积2.0 m3。-45 ℃低压端选用一台WQFB1200卧式桶泵机组、-35 ℃低压端选用一台WQFB900卧式桶泵机组。

系统调试运行后,得到了环保部、中国制冷空调工业协会、中国制冷学会、国内贸易工程设计研究院及国内同行的广泛认可,并被授予了“NH3/CO2环保制冷剂替代技术示范项目”称号。

图9、图10和图11为机组照片。

图9 桶泵机组

图10 压缩机组

图11 辅机机组

4.3 大连獐子岛工程

烟台冰轮承建的樟子岛集团股份有限公司贝类及海参冷冻加工中心项目,是目前国内最大全部采用环保工质的制冷系统,集成了NH3/CO2复叠制冷系统、NH3/CO2载冷制冷系统、R404A多机头并联活塞压缩机组、R404A双板换冷水机组、R404A热回收机组及挂冰衣冷水机组等,目前整套系统己通过了严格的调试及运行试验,交付客户使用。

该项目包含了一套-45 ℃的NH3/CO2复叠制冷系统,为三台单冻机提供冷源;一套-42 ℃的NH3/CO2复叠制冷系统,为两间冻结库提供冷源;一套-30 ℃的NH3/CO2载冷剂系统,为三间低温冷藏库提供冷源。

整套系统投入运行后以其安全、环保、节能的优异性能得到了环保部和国内同行的一致认可,设计完全符合国家倡导的“安全制冷、绿色制冷、低碳制冷”的先进理念。同时该项目也是国内首套被授予“NH3/CO2环保制冷剂替代技术示范项目”称号的制冷项目。作为目前国内规模最大、系统技术最先进的CO2制冷在水产品加工行业的应用示范项目,该项目的交付使用标志着中国CO2制冷技术和制冷设备己经逐步成熟和完善,开始进入规模化应用阶段。

图12～图15为机组照片。

图12 载冷剂机组

图13 机房一角

图14 CO2单冻机

图15 辅机机组

5 前景展望

到目前为止,NH3/CO2制冷技术己经取得了突破性进展,随着人们环保意识的增强,以及对环境有破坏作用的制冷剂的逐步淘汰,和更多具有示范和推广作用的NH3/CO2制冷系统的建设,NH3/CO2必将成为最具发展前途的制冷系统之一。

[1] 金嘉玮, 叶尉南, 杨一凡. CO2/NH3复叠式制冷系统在美国大型冷库的应用实例[J]. 冷藏技术, 2007(2): 1-9.

[2] 吴业正, 韩宝琦. 制冷原理及设备[M]. 第2版. 西安:西安交通大学出版社, 1997.

[3] 于志强, 刘昌丰. NH3/CO2复叠制冷系统的控制方案及分析[J]. 制冷与空调, 2012, 6(3): 128-131.

[4] 刘春梅, 王超, 孙欣, 等. NH3/CO2复叠制冷系统在单冻机的应用[J]. 冷藏技术, 2010(3): 17-21.

[5] 查世彤, 马一太, 王景刚, 等. NH3/CO2低温复叠式制冷循环的热力学分析与比较[J]. 制冷学报, 2002(2): 15-19.

Research on NH3/CO2Refrigeration System

GE Chang-wei*, JIANG Shao-ming, YU Zhi-qiang
(Yantai Moon Co., Ltd., Yantai, Shandong 264000, China)

In this paper, the main character of CO2being a cooling medium and its refrigeration system were introduced, the NH3/CO2refrigeration technology and experimental results were then discussed, and the suitable temperature range for using the NH3/CO2refrigeration technology was also presented. Through many data results and analysis, it showed that NH3/CO2refrigeration system has a very high running efficiency, and safety and environment effects. CO2will be one of the most promising refrigerants in the near future because of its environment and energy saving effect.

NH3/CO2refrigeration technology; System experiment; Safety; Running efficiency

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.03.201

*葛长伟(1984-),男,工程师,学士。研究方向:复叠制冷系统及产品研发。联系地址:山东省烟台市冰轮路1号,邮编: 264000。E-mail:099676@yantaibinglun.com。