超低温制冷装置的研究现状和进展

郭耀君 谢 晶 朱世新 王金锋 汤元睿

（1.上海海洋大学食品学院，上海 201306；2.上海水产品加工与贮藏工程技术研究中心，上海 201306）

超低温是指在食品加工、工业生产过程所用到的－40～－80℃的温度范围［1］。这个温度范围广泛应用于高档水产品（如金枪鱼）的速冻储藏、药品（如冬虫夏草）的储藏和生产、特殊食品（如冰淇淋）的加工、低温生物（如稀有物种种子）保存和电子元件在低温下性能测试。另外，它还可以为材料的低温下性能试验提供所需要的冷环境，例如对乙烯液化装置低温管道的焊缝进行－46～－58℃下的低温冲击试验等［2］。文章重点介绍了实现超低温的制冷方式、超低温制冷系统中环保制冷剂的应用、超低温制冷用压缩机研究进展、超低温制冷系统的应用等方面的研究现状，旨在为中国超低温制冷装置的发展提供依据。

1 实现超低温的制冷方式

在实际运用中获得超低温所需的制冷方式主要有双级压缩制冷循环、复叠式制冷循环以及自复叠式制冷循环等系统。其中复叠式制冷是获取该低温段最主要的方法［3］。

1.1 双级压缩制冷循环系统

双级压缩制冷系统能够有效减少单级压缩制冷循环中由于压比过大引起的不利因素，其制冷剂的压缩过程由高、低压两级压缩完成；根据节流级数分为一级节流和二级节流两种，同时又根据制冷剂液体和蒸汽中间冷却方式不同分为中间完全冷却和中间不完全冷却。不同的制冷剂可以达到不同的低温，目前常用的R22、R507和R717可分别获得－70，－70，－57℃［1］。

目前，对双级压缩制冷循环的研究主要集中在中间冷却器的优化［4，5］。田华等［6］建立了带中间冷却器的 CO2双级压缩系统，通过实验验证了优化后的中间冷却器可以实现最优压缩机排气压力和最优中间压力。针对当前超低温冷藏库的双级压缩制冷系统频繁启停的问题，杨永安等［7］提出一种将多台压缩冷凝机组并联的一次节流中间完全冷却双级压缩制冷系统，通过调节制冷剂流量来控制冷量，有效解决了双级压缩制冷系统频繁启停的问题并能达到节能效果。

1.2 两级复叠式制冷循环系统

两级复叠式制冷系统由两个不同制冷剂工作的制冷系统组合而成，其中，高温系统中的制冷剂蒸发用来冷凝低温系统的制冷剂，高温环路的蒸发器和低温环路的冷凝器合成一个设备，称为冷凝蒸发器［8］。

两级复叠制冷系统低温级润滑油的回油效果直接影响到系统的性能和可靠性［9］。Chung等［10］对高温级使用R22和低温级使用R23的复叠制冷系统的启动特性进行了试验研究，探究低温级的压缩机吸气压力和排气压力以及蒸发器入口压力对整个复叠制冷系统整体温度变化的影响，结果表明，低温级压缩机的排气压力和吸气压力以及蒸发器入口压力等都对复叠制冷系统所能取得的最低温度影响较大。牛宝联等［11］对复叠制冷系统高温级环路和低温级环路不同的启动间隔进行了试验，结果表明不同的时间间隔对复叠系统整体能耗影响不同：较长的时间间隔导致了高温级环路浪费了大量能量；而适当的时间间隔既能达到高温级环路耗能比较适中的效果，又能达到低温级环路迅速降温的目的；如果要实现较短的时间间隔，则需要保证低温级排气压力在安全的范围内，否则这种较短时间间隔启动不可行。程有凯等［12］对双级压缩制冷系统和复叠制冷系统在蒸发温度－60～－80℃范围内进行了比较分析，分析指出，在－60～－80℃范围内复叠式制冷系统在压缩机效率、蒸发温度上表现出了更大的优势。因此，复叠制冷系统在低于－60℃蒸发温度时具有更高的应用价值和发展前景。

1.3 自复叠式制冷循环系统

相对于复叠制冷系统，双级压缩制冷系统具有结构复杂和成本较高等特点，同时双级压缩系统因为使用同一制冷剂，往往会受到制冷剂凝固点、系统压比、蒸发压力过低等因素的限制，所以双级压缩制冷系统一般用于制取蒸发温度－60℃以上的低温区［13］。而复叠制冷系统由于采用两套独立的高低温回路，冷量藕合要求高、高低温环路启动时间间隔控制难度大，另外低温环路需要安装油分离装置解决压缩机回油困难的问题［14］。双级压缩系统和复叠系统所用的压缩机必须是多缸压缩机或着是串联多台的压缩机，因此以上两种制冷系统不是小型超低温制冷装置的最佳选择。

而采用一台压缩机进行一次压缩的自复叠制冷系统是获得－40～－80℃低温区的另一种重要方式［15］，通过分凝或者分馏装置将非共沸制冷剂自然分离、多级复叠的方法，实现制取低温的目的。这种方式极大地简化了制冷系统，还达到了减小制冷装置体积的效果，十分适用于小型制冷装置［16］。

Young等［17］通过一个可控调节阀将压缩机出气口与气液分离器的底部相连，对自复叠制冷系统结构进行了改进，通过调节阀的连接使高温高压制冷剂进入气液分离器，根据调节阀的不同开度达到制冷剂变容量调节的效果，以此实现自复叠制冷系统在较低压比的工况下仍能获得较大的制冷量。陈光明等［18］搭建了一套低温恒温槽系统并成功地引入了精馏型自复叠制冷循环，进一步拓宽了自复叠制冷循环的应用范围。芮胜军等［19］针对自复叠制冷系统在刚开机时排气压力和排气温度过高的问题，提出了一种压力调节和控制方法，通过旁通支路调节方式达到了系统工质在开机初期快速冷却的效果。

2 超低温制冷系统中环保制冷剂的应用

制冷剂替代技术的发展推动着制冷技术的进步。以前超低温制冷系统经常使用的制冷剂是R22、R13和R501、R502、R503系列，其中以R22、R13和 R502使用最广泛［20］。根据《蒙特利尔协议》，制冷剂的消耗臭氧潜能值（ozone depression potential，ODP）和全球变暖潜能值（global warming potential，GWP）是两项重要的考核指标，基于此R13和R502于2010年完全淘汰；R22也是要被淘汰的工质，因此寻找新的环保替代工质是超低温制冷技术发展的趋势。

2.1 自然工质的应用

自然工质大体上可分为两类：① 天然的碳氢类物质，如丙烷、丁烷等；② 各种天然无机物，如 CO2、NH3等［21］。

其中CO2、NH3最具竞争力。NH3/CO2复叠式制冷系统的出现，解决了两种工质独立作为超低温制冷系统制冷剂的缺点。Pettersen等［22］研究表明，与NH3双级压缩系统相比，高温级采用NH3和低温级采用CO2的复叠压缩系统可获得－45～－70℃的低温区。瑞士雀巢公司在法国的Beauviai冷库于20世纪90年代中期就已经开始采用NH3/CO2复叠式系统［23］。从2008年开始到2013年1月，美国市场上安装了超过25套NH3/CO2复叠式超低温制冷装置［24］。

以R290为代表的碳氢化合物是目前国际上比较看好的长期替代R22的碳氢类化合物，R290与R22的物性相似，二者主要性能比较见表1。

马一太等［25］对以R290/CO2与 R22/R13为制冷剂的复叠式制冷循环进行了热力学分析，分析指出，R290/CO2复叠式制冷循环的性能系数（coefficient of performance，COP）比R22/R13的低，提出在CO2低温环路安装膨胀机代替热力膨胀阀，从而提高R290/CO2系统的COP。

Christensen等［26］对超市用R290/CO2复叠式制冷系统（－40～－60℃）进行能耗和经济性分析后发现，与传统的R404A系统相比，采用R290/CO2复叠系统初投资增加20%，随着研究的深入和技术的逐渐成熟，初投资的增加降为10%左右，而与原来的R404A制冷系统相比，系统整体能耗可减少5%。

表1 R22和R290主要性能比较Table 1 Main performance comparison between R22and R290

表1 R22和R290主要性能比较Table 1 Main performance comparison between R22and R290

ODP是全球变暖潜能值，是描述物质对平流层臭氧破坏能力的一种量值；GWP是全球变暖潜能值，用来表示和比较消耗臭氧层物质对全球气候变暖影响力的大小的一种量值。

制冷剂 化学分子式 标准沸点/℃ 凝固点/℃ 临界压力/MPa ODP GWP不燃R290 C3H8 －42.07 －187.7 4.254 0 0 2.2%～9.5%（V/V）燃烧范围R22 CHClF2 －40.78 －160 4.974 0.045 1 900

以CO2、氨、R290为代表自然工质将是解决环境问题的最终方案。虽然当前欧美一些超市已经安装了R717/CO2、R290/CO2等超低温复叠制冷系统，但是此类制冷剂在设备运行压力、可燃性、刺激性等方面的问题，限制了其在全球范围内的推广。所以降低天然工质运行设备成本、寻找与之相匹配的阻燃剂以及减小爆炸极限是扩大天然工质替代范围的一条有效出路。

2.2 HFC工质的应用

目前，常用于双级或者复叠制冷系统的HFC类环保替代制冷剂主要有 R134a、R404A、R507、R116、R508B和 R23。6种制冷剂的物性对照见表2。

表2 6种制冷剂物性对照Table 2 Comparison of physical property of six kinds of refrigerant

R23、R116与R13的沸点都在－80℃左右，彼此很接近，是HFC物质中替代R13的制冷剂最有可能的选择。在实际应用中发现，R23具有破坏压缩机运动部件和分解润滑油等问题，长期使用还可导致电机线圈短路［27］。此外R23、R116和R508B的GWP值很高，故只能作为过渡性制冷剂使用。

对于R23、R508B的试验研究主要集中在其作为复叠系统低温环路制冷剂的循环性能上。Agnew等［28］在复叠制冷系统中以制冷剂R717/R508B替代R12/R13并进行了模拟运行，模拟结果表明在－45～－60℃的超低温范围内，R717/R508B具有更好的循环性能。Keumnam等［29］研究了在复叠制冷系统低温环路使用R23作为R13替代物的循环性能。Robert等［30］研究了在蒸发温度为－50～－70℃，制冷剂为R134a/R508B的复叠制冷系统在蒸发器中的质量流量为50～70g/min。

随着对R134a制冷剂应用推广，有不少学者将其应用到了低温系统；其中Kilicarslan［31］通过理论计算和实验验证R134a制冷剂可以应用在多种复叠压缩制冷系统中并作为高温环路制冷剂。Murat等［32］通过对以R134a作为制冷剂的单级制冷系统和以R134a/R508B的复叠制冷系统进行了比较，分析指出复叠制冷系统可以实现更低的蒸发温度（－50～－75℃）和更高的单位容积效率。

R404A和R507在超低温系统中是R502的中长期替代品［33］。孙艳秀等［34］对 R404A、R507和 R22在双级压缩制冷系统中的运行性能进行模拟，模拟结果表明：R404A和R507的各项性能比较接近，另外双级压缩系统采用R404A和R507达到的低温范围是－45～－75℃，比R22更广。王维等［35］完成了一套采用工质 R404A/R23替代R22/R13的复叠制式系统试验机组的设计。试验结果表明，在－45～－60℃内，使用替代工质R404A/R23的系统较原系统的制冷量略有降低，但其它系统运行参数均优于R22/R13系统，系统的可靠性大大提高。文献［36］、［37］通过对R507和R502试验研究，发现在相同的低温工况（蒸发温度－40℃）下，两者的COP相当，但R507的单位容积制冷量略高于R502。

HFC类工质的ODP为0，但其温室效应高于天然工质，低于CFC类工质，仍属于京都协议所规定的温室气体；但是根据测算，其排量在全球温室气体排放中所占比重很小。当前HFC类工质替代最大问题是超低温系统润滑和压缩机匹配的问题，若能解决好这些问题，选择HFC类工质作为超低温制冷系统中长期替代制冷剂还是不错的选择。

3 超低温制冷用压缩机研究进展

3.1 压缩机变频技术

在实际运行过程中，压缩机能耗几乎占了电机输入功率的1/3［38］，应作为节能考虑的主要切入点。压缩机变频技术在超低温制冷系统中的应用已取得了一些进展［39］。

杨昭等［40］通过实例分析得出，变频压缩机虽然初投资较大，但良好的节能效果使得其在超低温制冷系统运行过程中具有较高的投资回报率，应用前景广泛。杨光等［41］在较大冷量范围的－40～－55℃工况下，分析比较了活塞式压缩机和螺杆式压缩机的COP值以及配置的相应功率之后发现，在较大制冷量时选用螺杆式压缩机具有明显的节能效果。王衍智等［42］研究了超低温装置中常用的几种形式制冷机组的原理和产品性能对比，在对单机双级变频螺杆机组的实测数据分析后发现，在－40～－65℃速冻装置中，单机双级变频螺杆机组表现出了效率高、降温快的优势，和市场中的同类产品相比具有突出的节能效果。蔡宗莲等［43］针对超低温复叠制冷系统设计了一种复叠式螺杆压缩机组的自动控制装置，通过变频器和滑阀分别控制高、低温螺杆压缩机实现了制冷量调节，两种能量调节方式的有机组合完成了对整个制冷系统的制冷量调节，使整个制冷压缩机组能够在多种工况条件下达到节约能源、降低成本的良好效果。

由于节能减排的需要，螺杆制冷压缩机的节能改进将会受到越来越多的关注。其中，变频螺杆制冷压缩机由于其优越性能具有良好的发展前景。然而目前大型变频器的成本是变频螺杆制冷压缩机的成本的2倍左右，变频器的高价格限制了变频螺杆制冷压缩机的发展。可见，降低变频器成本将成为今后变频螺杆制冷压缩机研发的主要方向。

3.2 CO2压缩机研究

CO2压缩机是CO2复叠式超低温制冷系统的核心部件。CO2压缩机具有运行压力高、压差大、运动部件间隙难以控制、润滑较困难等不足［44］。因此CO2压缩机的研究开发一直是CO2制冷技术应用推广的难点。目前国内外CO2压缩机的研究进展见表3。

表3 国内外CO2压缩机的研究及应用Table 3 Research and application of domestic CO2compressors

因此，不管是基于加快中国在CO2压缩机方面的研究速度，还是出于对环境保护的考虑，中国都必须加大CO2压缩机的研制开发力度，并建立和完善与之配套的性能测试系统，为CO2压缩机样机和成品的性能改善进一步提供试验依据，最终加速CO2制冷技术在中国的发展和成熟。

4 超低温制冷系统的应用

超低温制冷系统在食品加工保藏方面的应用主要在速冻加工上。速冻就是迅速冷冻使食物以最短的时间通过最大结晶区，并形成均匀分布的细小冰晶，对细胞组织损伤较小，从而保存时间较长。其最大优点就是使食品在解冻后基本能保持原有的色、香、味，同时使食品营养最大限度地保存下来，可以达到错开季节，提升食品价值，创造更高经济效益的超低温［51］。

4.1 水产品的冷冻冷藏

超低温最典型的应用就是金枪鱼的冷冻冷藏链的开发。金枪鱼是大洋性水产品中的珍品，其鱼肉因血红素含量高而呈鲜红色，且具有高蛋白、低脂肪等优点，同时富含维生素、不饱和脂肪酸（EPA和DHA）以及牛磺酸，其中EPA为金枪鱼所特有的营养物。因此基于对金枪鱼肉品质的保障，金枪鱼贮藏必须保证－55～－65℃的超低温环境［52］。而超低温制冷装置是金枪鱼渔业发展的关键，目前金枪鱼远洋渔业作业船所用低温冻藏制冷系统一般采用活塞式单机双级压缩制冷系统，采用R22作制冷剂［53］。杨利艳等［54］指出双级复叠速冻系统（－75℃）与单级压缩制冷系统（－18℃）相比，更能延长凡纳滨对虾的储藏时间并保证其新鲜品质。

4.2 淀粉及淀粉类食品的低温冷藏

淀粉凝沉是制约淀粉类食品行业发展的瓶颈问题，而温度是影响淀粉凝沉的主要因素。Kelekci等［55］通过带有自复叠制冷系统的小型低温冷冻装置进行试验，发现－60℃下淀粉基本不发生凝沉现象，结论认为小麦粉饼在－60℃贮藏能长期保持面饼的品质。超低温制冷系统在淀粉及淀粉类食品低温贮藏方面应用将会有很大的发展前景。

4.3 其他方面的应用

Bassols等［56］研究指出两级复叠式制冷系统在咖啡深加工过程中可提供－55℃低温冷冻环境。此外，超低温制冷系统还可以应用在科学试验和工业生产中。钢筋、混凝土结构正被越来越多地应用于超低温环境领域，实验室通常利用复叠式制冷系统创造的－50～－80℃低温环境对钢筋与混凝土粘结性能开展研究［57］。在化工生产过程中，从产生的燃料气中回收液化石油气则需要－50℃的制冷温度，现有的天然气液化领域普遍采用－40℃的低温将丙烷预冷。

5 展望

近年来中国超低温制冷装置的研究已经取得了一定进展，但由于起步较晚，以日本和欧美为主的发达国家又进行技术封锁，导致中国超低温制冷压缩机制造技术、新型环保制冷剂替代技术等核心技术落后于发达国家，为实现超低温制冷装置的核心技术国产化，未来的超低温制冷装置发展可从以下三方面加强研究：

（1）加强对自然工质（CO2、R290等）的复叠系统传热过程的模型化研究，对自然工质复叠系统的动态控制进行可视化的研究，根据其实际运行的数据特点，寻找合适、准确的控制方法。

（2）对替代工质的安全性、热稳定性、与系统润滑油的互溶性等性质完成从模拟到实验验证的过程，以及新的制冷设备的结构、设计方案、耐压性、密封性等展开研究，并完善制定替代工质实施标准。

（3）变频螺杆压缩机的优化：提高核心零部件设计与加工精度，减少转子压缩腔运动部件间隙的泄漏，提高转子齿面加工精度，降低转子振动的噪声，深入变频器结构研究，降低变频器的应用成本；尽快出台CO2压缩机性能试验方法的相应行业规范及各种工况的国家执行标准。

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