CO2为载冷剂的氨制冷系统及其应用

张新玉,郭宪民,任立乾

(天津商业大学天津市制冷技术重点实验室,天津 300134)

CO2为载冷剂的氨制冷系统及其应用

张新玉,郭宪民*,任立乾

(天津商业大学天津市制冷技术重点实验室,天津 300134)

介绍了以 CO2为载冷剂的氨制冷系统原理、国外开发生产的系列产品性能及工程应用实例,分析了该系统在安全、节能方面的优势。该系统中氨制冷系统的氨充注量可大大减少,且氨被限制在机房范围内,与冷间等人员密集的工作区域隔离,大大提高了系统的安全性;同时,该系统结合了氨制冷系统的高效和CO2载冷剂热力及流动性能优良、采用相变换热等优点,可使系统总的性能显著提高。目前,国外公司己经开发生产出以CO2为载冷剂的氨制冷系统的系列产品,并广泛应用于冷冻、冷藏及速冻行业,其性能比NH3/CO2复叠式制冷系统有大幅提高。

氨;制冷系统;CO2载冷剂;安全性

0 引言

近年来,臭氧层破坏和温室效应等环境问题越来越突出,这对制冷行业产生了很大的影响。目前, CFCs制冷剂己被禁用,HCFCs也在被逐步淘汰,因此采用新型环保制冷剂和制冷系统势在必行。自然工质有其不可替代的优越性而被作为替代工质的首选[1]。

自然工质NH3的ODP和GWP均为0,是一种环保的工质,并且氨作为制冷工质还具有良好的热力学性能,其单位容积制冷量较传统的氟利昂制冷剂大,0 ℃时达到4,360 kJ/m3,因此采用氨作为制冷剂可以减小换热器尺寸和选择较小尺寸的压缩机,降低了系统能耗[2];氨的价格较低,容易检漏。但是,氨本身具有毒性、可燃性,空气中氨含量在0.5%～0.8%时就能导致中毒,在11%～14%时即可燃烧,含量达到16%～25%遇明火就会引起爆炸[3],因此直接使用在食品储藏、保鲜及人员密集场所会带来安全问题,其应用受到一定的限制。

为了解决氨制冷系统中的这些问题,不仅要对系统安装及设备的质量和从业人员的职业素质进行严格把关,还要从系统的改进着手,从根本上解决安全问题。目前应用比较多的是NH3/CO2的复叠式制冷系统,但该系统在低温侧要使用CO2压缩机,从而造成系统COP较低。以CO2为载冷剂的氨制冷系统中,CO2侧可以选择自然循环或者使用CO2循环泵进行强制循环,不仅解决了氨作为制冷剂带来的一些安全隐患问题,还降低了系统能耗[4]。

1 CO2载冷剂氨制冷系统

以CO2为载冷剂的氨双级压缩制冷系统如图1所示。低压氨蒸气经压缩机压缩,进入冷凝器冷却,再通过节流阀节流降压,最后进入蒸发冷凝器中和载冷剂CO2进行热换热,CO2在蒸发冷凝器中凝结为液体,然后以自然循环或者使用CO2循环泵进行强制循环进入冷风机中吸收外界热量,最后以气态形式再次进入到蒸发冷凝器中。与NH3/CO2复叠式制冷系统不同,以CO2为载冷剂的氨制冷系统中, CO2侧没有压缩机,采用自然循环方式或者由循环泵提供动力。氨制冷系统和CO2循环系统通过蒸发冷凝器进行冷量输送,蒸发冷凝器是氨制冷系统的蒸发器,同时也是CO2侧的冷凝器,其换热性能直接影响到氨侧的蒸发温度和CO2侧的冷凝温度,最终影响制冷系统的性能指标和经济指标。一般情况下,当蒸发温度高于-25 ℃时该系统可采用氨单级压缩[5]。系统中载冷剂——CO2为自然工质,具有不可燃、不助燃、无毒、价格低廉等特点。CO2的传热性能良好,因此可以使设备设计尺寸更小,降低系统耗能[6-7]。

CO2作为载冷剂的氨制冷系统中,氨的充注量相比较于传统的氨制冷系统大幅度减少,最高可减少90%,从源头上降低了系统的危险性;并且氨制冷系统可以设置在远离公共场所和经常需要人员出入的场所;CO2无毒、不可燃、没有气味,并且相对分子质量比空气大,还可以直接送入超市制冷设备对食品进行冻结和冷藏,进一步解决了安全问题。CO2在冷风机中的蒸发是相变换热,因此在提供相同冷量情况下,载冷剂的质量流量减少,从而使系统管道直径和换热器面积减小,使系统布置可以更加紧凑,不仅降低材料使用量还节省了空间。CO2侧不需用压缩机,实现了无油运行,彻底消除了润滑油对传热性能的影响。同时,CO2载冷剂利用了相变潜热,与其他非相变载冷剂相比,CO2循环泵的功率大幅度降低。

综上所述,以CO2作为载冷剂的氨制冷系统具有很好的发展前景,不仅使用了对环境友好的自然工质,系统还更加节能。由于低温级采用自然工质CO2,拓宽了该系统的使用范围。

图1 CO2载冷剂氨双级压缩制冷系统示意图

2 CO2载冷剂氨制冷系统的应用

由于以CO2作为载冷剂的氨制冷系统具有氨充注量小、系统COP高等优点,且可实现氨与人员密集区域的分离,从而大大提高了氨系统的安全性,因此得到了越来越广泛的应用。近年来,欧洲的一些国家己经开发出商用的CO2做载冷剂的氨制冷系统,主要应用在大型的商场和工业制冷领域中[8]。自2006年以来,美国己建了50多个CO2作载冷剂的NH3/CO2装置。费城冷库是美国第二个采用NH3/CO2装置的大型冷库,可贮存30,000个标准托盘,约4万吨物品[5]。日本也有不少产品相继问世,并且己经广泛应用在冷冻冷藏行业中。

2.1 整体式CO2载冷剂氨制冷机组及其性能

为了提高系统的安全性和性能,日本某公司开发了半封闭式单机双级螺杆压缩机,并己应用于冷冻冷藏系统。该压缩机结构如图2所示,采用高效永磁(IPM)电机,其绕组为铝漆包线,可有效防止氨对电机的腐蚀,提高安全性并使其整体结构更加紧凑,能有效防止氨制冷剂的泄漏;转子采用氨制冷剂专用新型齿形设计,其性能得到显著提高。

图2 半封闭式单机双级螺杆氨压缩机

使用上述半封闭式NH3压缩机,日本该公司开发生产了以CO2为载冷剂的氨制冷整体式机组系列产品。其产品主要包括使用半封闭式单机双级压缩机的CO2载冷氨制冷系统和使用单级开启式压缩机的CO2载冷氨制冷系统,分别应用于冷冻(速冻)库和冷藏库。使用单级压缩机的机组的额定工况为CO2冷凝温度为-15 ℃,用于 C级冷藏库(库温-20 ℃～5 ℃);使用双级压缩机的机组的额定工况为CO2冷凝温度为-30 ℃,用于F级冷藏库(库温-40 ℃～-20 ℃)和速冻库(库温-40 ℃～-30 ℃)。根据冷凝方式的不同,上述机组可分为水冷机组和一体式机组,其中一体式机组采用蒸发冷却方式;水冷机组的额定冷凝温度为 40 ℃,一体式机组的额定冷凝温度为35 ℃。表1列出了使用单级压缩机和半封闭式单机双级压缩机的以CO2作载冷剂的氨制冷机组产品的性能参数。

从表1可以看到,以CO2为载冷剂的氨制冷机组针对不同蒸发温度工况己经形成了系列产品,高温机组(CO2冷凝温度为-15 ℃)制冷量为48 kW～125 kW,系统COP为2.56～2.87;低温机组(CO2冷凝温度为-30 ℃)制冷量为40 kW～231 kW,系统COP为 1.71～2.02;另外,开发了专门用于速冻的机组,其COP可达到2.0左右。特别是低温机组,相对于NH3/CO2复叠式制冷,其系统性能得到了提高,并且循环泵的耗功很低,在某些制冷量较小的应用场合,甚至可以不使用循环泵。同时,一体式机组将氨制冷系统、冷凝蒸发器及CO2循环泵、储液器等组装成一个整体,安装过程中只需将CO2冷风机与机组连接即可,水冷机组则需连接冷却水系统,安装非常方便,其外形如图3所示。图4为该水冷式机组应用于日本某冷库的现场照片。

表1 CO2载冷氨制冷系统性能参数

图3 CO2载冷一体式氨制冷机组外形

图4 CO2载冷水冷式氨制冷机组照片

2.2 整体式CO2载冷剂氨制冷机组的应用

日本某公司的上述产品己经大量应用于实际工程中,以下为几个应用实例。

图5所示为一体式CO2自然循环氨制冷系统,由于系统冷量较小,CO2载冷剂侧采用自然循环即能满足要求。由于CO2循环系统不设置循环泵,使得系统得以简化,提高了系统可靠性。

图5 一体式CO2自然循环氨制冷系统

图6为一体式CO2强制循环氨制冷机组应用于制冰系统示意图。系统中使用了CO2循环泵进行强制循环,可以大大增加CO2循环量,适用于制冷量较大的系统。一体式机组采用蒸发式冷凝器,可安装在屋顶等场合,安装过程中只需将制冰槽盘管与机组连接即可,安装非常方便。

图6 一体式CO2强制循环氨制冰系统

图7所示为水冷式CO2强制循环氨速冻系统示意图。氨制冷系统采用水冷方式,氨制冷系统、冷凝蒸发器、CO2循环泵和储液器等被组装成一个整体,可安装在机房或屋顶,安装过程中只需将CO2冷风机及冷却塔水系统与机组连接即可。

图7 水冷式CO2强制循环氨速冻系统

2.3 CO2载冷剂循环安全防护与冷风机除霜方式

以CO2为载冷剂的氨制冷系统一般应用于制冷温度为-50 ℃～0 ℃的场合,CO2循环侧压力较高,特别是在除霜时压力可达4.0 MPa ～5.0 MPa;受环境温度的影响,在系统停机时其压力可能更高。由于 CO2循环侧一般置于冷库和冷间等人员密集区域,因此其压力安全防护尤为重要。首先,在系统设计和安装过程中要充分考虑压力容器和管道的承压能力,确保压力安全;其次,在系统中设置可靠的安全阀等压力安全防护装置,以便在压力超出安全工作压力时及时泄压,确保系统安全;第三,有资料[4,8]介绍,该系统需安装辅助制冷装置,以便在系统停机时维持储液罐内液体 CO2处于低温状态。这个方案的缺点是大大增加了系统的成本和复杂性,因此实际应用中很少采用。一般的做法是,在停机过程中放空或回收部分CO2载冷剂,以保证CO2循环侧压力处于安全范围内。

以CO2为载冷剂的氨制冷系统的冷风机在CO2循环侧,其除霜方式与传统氨制冷系统或氟利昂制冷系统基本相同但又有所区别,常用的除霜方式为电除霜或(盐)水除霜,这与传统制冷系统是相同的,但要注意的是在除霜过程中CO2压力较高,需要做好防护措施以确保压力安全。除此之外,黄志华[8]介绍了一种采用CO2热气进行除霜的方法。该系统需要安装额外的除霜CO2压缩机向冷风机提供热气,而该压缩机仅在除霜过程中运行。这种除霜方式系统复杂,更重要的是,CO2循环侧自身是无油运行的,如果采用了除霜压缩机,其润滑油势必要进入冷风机及CO2载冷剂系统,那么必须配置相应的回油措施,以确保顺利回油。由于存在这些问题,这种除霜方式并未在实际中得到应用。

3 结论

CO2为载冷剂的氨制冷系统的研发和应用之所以得到高度关注和快速的发展,是因为其有独特的优势:1)以CO2作载冷剂的氨制冷系统的使用可以大大减少系统中氨的充注量,有效地减少了安全事故的发生;2)以CO2作载冷剂的氨制冷系统中,氨的应用被限制在机房范围内,与冷间等人员密集的工作区域隔离,大大提高了氨制冷系统的安全性;3)CO2无毒、无味、不可燃,可以直接进入工作区域,其缺点是工作压力较高,但由于采用相变换热,其管道尺寸较小,换热器结构比较紧凑,节约材料并减少了占用空间;4)以CO2作载冷剂的氨制冷系统结合了氨制冷系统的高效以及CO2优良的热力及流动性能,可使系统总的性能显著提高。

以CO2作载冷剂的氨制冷系统在安全和性能等方面的独特优势,将是今后替代现有冷库氨制冷系统的优选方案之一。目前,我国对该系统的研究较少,特别是对半封闭式氨制冷压缩机的研究几乎空白,因此我们必须加大对其研究力度,并在现有条件下在实际工程中推广应用,逐步完善系统设计,打破国外的技术垄断。

[1] 杨一凡. 氨制冷技术的应用现状及发展趋势[J]. 制冷学报, 2007, 28(4): 12-18.

[2] 陈雷. 冷库氨制冷系统节能降耗的途径[J]. 中国高新技术企业, 2012, (30): 86-88.

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[4] 卢允庄, 王岱, 李郁, 等. CO2低温冷冻冷藏系统的节能分析[J]. 制冷与空调, 2012, 12(5): 23-27.

[5] 周子成. 自然制冷剂氨与二氧化碳[J]. 制冷, 2013, 32(1): 31-36.

[6] 李林, 申江, 孙欢. 关于二氧化碳作为低温载冷剂的探讨[J]. 制冷与空调, 2008, 8(4): 24-27.

[7] WANG K, EISELE M, HWANG Y, et al. Review of secondary loop refrigeration systems[J]. International Journal of Refrigeration, 2010(33): 212-234.

[8] 黄志华. CO2作为载冷剂的制冷系统: 系统及分析[J].制冷与空调, 2012, 12(5): 32-38.

Ammonia Refrigeration System with CO2Secondary Loop and lts Application

ZHANG Xin-yu, GUO Xian-min*, REN Li-qian
(Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology, Tianjin University of Commerce, Tianjin 300134, China)

The principle and the examples of engineering application of the ammonia refrigeration system with CO2secondary loop are introduced, and the performance of the serialization products of this system which are produced by a foreign corporation is summarized. The amount of ammonia charge in the refrigeration system with CO2secondary loop can be reduced greatly, and the ammonia refrigerant is confined in the refrigeration device room, so is separated from the cold storage room or the cold processing shop, which can greatly improve the safety of the ammonia system. Moreover, the performance of the ammonia refrigeration system with CO2secondary loop is improved significantly due to the combination of the high performance of the ammonia refrigeration system and the good thermal and flow characteristics of the volatile CO2secondary refrigerant. At present, the serialization products of the ammonia refrigeration system with CO2secondary loop have been developed and applied widely in the cold storage and fast freezing. The COP of the ammonia two-stage refrigeration system with CO2secondary loop is greater significantly than that of the traditional NH3/CO2cascade refrigeration system.

Ammonia; Refrigeration system; CO2secondary refrigerant; Safety

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.03.202

*郭宪民(1962-),男,教授,博士。研究方向:制冷系统节能及优化。联系地址:天津市北辰区津霸公路东口天津商业大学制冷与空调工程系,邮编:300134。联系电话:022-26669660。E-mail:xmguo@tjcu.edu.cn。