间接制冷技术与冷库效能影响

＊王硕 宋喆 陈岩 张楠楠 张丹丹

（朝阳光达化工有限公司 辽宁 122000）

引言

在现代注重食品多元化及多样性的社会，人们越来越重视食品的新鲜感，对食品品质的要求亦水涨船高，而食品价值更多也体现在保鲜需求方面。现实中冷藏链决定了食品的质量水平。冷藏链中最典型的基础装备是冷库，食品保鲜水平高低取决于该设施。冷库的发展对于我国促进智能制冷和智能保鲜产业发展有重要价值。随着制冷技术的高速迭代，冷库行业也获得了前所未有的迅猛进步，规模和容量均得到了快速健康发展。截止2019年底，我国各类冷库已拥有约6053万吨的储存容量。冷库的建设规模达到了空前程度，食品、化工、生物等领域都在不断规划及建设，冷库产业的迅速发展带来高能耗、高污染的问题，如何在提升冷库制冷能力同时最大程度实现节能降耗，在制冷行业“安全”和“环保”两大难题之间寻找最佳平衡点，实现制冷行业的绿色发展，是值得我们反思的重要课题。

1.间接制冷技术概念及特征

(1)基本概念

间接制冷技术即二次制冷技术，常规做法是二次冷却液储液罐增加放置于制冷系统管路，促使冷量再快捷的传递给载冷剂，继而载冷剂冷量促使冷库达到制冷效果。间接制冷技术通过常压的二次冷却介质进行大循环传送冷量，在直接制冷剂不易应用的位置或者不可运用直接制冷剂的特殊环境中，常常用载冷剂替代直接制冷剂用来冷却被冷却物体。

间接制冷系统有的是依靠制冷剂循环设备实现直接制冷，有的通过载冷剂循环传递冷量于冷库间接制冷。载冷剂储罐创新的设计在连接蒸发器与冷却泵端口，这也是间接制冷系统创新点，储罐中载冷剂的热量被蒸发器吸收，载冷剂被陆续降温，冷却泵将载冷剂运输到冷库释放冷量，实现制冷。同步的是热交换器及除霜液储罐设计在压缩机后，压缩机放出的热量可支持储存在除霜液储罐中，积霜达到一定程度就需要除霜，除霜液泵送到冷库间实现热除霜。该系统中载冷剂与除霜液均为冰河冷媒专利产品，该系统利于解决传统直接制冷安全隐患问题，余热除霜支持节能降耗。

二次制冷系统一般设有载冷剂储罐，其容量为载冷剂循环量的一倍以上，需要冷量时，载冷剂在冷库间及操作间常压循环，安全稳定，便于维护，同时当夜间用电成本低的时候，制冷机满负荷运行，生产过多冷量储存，白天用电费用高时，制冷机组关闭，从而促使电力移峰填谷，储存的冷量进行循环。

(2)系统优势

①制冷剂充注量小、系统安全性高

采用间接冷却制冷系统，减少了制冷剂系统的管路，降低了制冷剂充注量。对于采用氨的制冷系统，不直接进入库房，系统一旦泄漏，库内冷冻冷藏的食品不会受到氨制冷剂泄漏带来的污染。制冷剂无闪点、不燃不爆、无毒无害，另外隔离冷库的工作人员，提高了工作安全系数，降低了事故隐患。对于采用卤代烃的制冷系统，可减少HCFCs类制冷剂的使用率，从而降低温室效应。

②温度控制精度高

载冷剂的热容量大，易于保持冷库内温度稳定。间接制冷系统因为温差远小于卤代烃或氨直接制冷系统，减少干耗，温控精度高、时间长，能满足小温差的要求，可保证库内相对湿度，提高产品质量，特别有利食品保鲜。

③运行状态好

只有载冷剂进入冷藏车间，常压循环，压缩机才不需要频繁地启停，这样可以延长设备的使用期限，降低故障率、减少维修费用。常压环保型载冷剂在车间循环，有效避免环境污染。

④可进行蓄冷并可降低运行费用

运行费用主要包括制冷系统直接费用、冷库运行费用和除霜费用等。直接制冷系统频繁启动且需除霜，消耗电费、除霜费用均较高。间接制冷系统蒸发温度相对较低，热损大、电费高、无需频繁启动，产品干耗量小，余热除霜，综合运行费用降低。在双碳背景下，间接制冷系统可灵活利用峰平谷电价移峰填谷降低运行成本。

但间接制冷技术的系统输送装置变得更加复杂，增加了输送乙二醇等水溶液的输送泵。为取得不同的库温，需增设混合泵及三通电动阀，二高频运行之中三通电动阀容易因结冰而卡住，导致系统运行稳定性下降。

2.间接制冷载冷剂应用及特征

(1)传统载冷剂

长期以来，无机盐、乙二醇和醇类改性载冷剂，在制冷系统中统治了多年，而普及推广的有机物溶液载冷剂冰点都在0℃以下。有机载冷剂虽然容易流动传热，具有流传性佳、易燃的特点，故特别注意防火防燃，其易挥发，使用量损耗太大。常用的有机载冷剂有丙二醇、乙二醇、硅油、甲醇、乙醇等。其中流动性较好的丙三醇较为环保，与被冷却物直接接触也可以；硅油稳定性好，乙醇易于流动传热；二甲醚易燃易爆；乙二醇和丙二醇性质稳定，溶于水，且凝固点可随着水溶液浓度变化而变化，溶液质量分数增大到一定范围，凝固点可达到极值，故合适浓度对于制冷成本尤为重要。这些载冷剂存在锈蚀设备危害性，虽然成分较为常规化，但载冷能力不够好，长时间工作能耗屡创新高。故导致间接制冷系统的使用期限受限，运维成本居高不下。

(2)改良载冷剂

针对传统载冷剂通常有性能不佳能耗偏高的情况，通过醇类改性制备一些改良载冷剂大势所趋。如一种冷库专用的冰河冷媒载冷剂，由多元醇及多种添加剂改性而成，外观为浅色液体，无异味、不挥发、载冷能力强、防锈性能好，适用于0℃～5℃保鲜库、-18℃～-15℃冷藏库、-25℃～-22℃低温库做间接制冷载冷剂。相比于传统载冷剂，新型醇类改性载冷剂蓄冷力得到空前改观，且该材料具有优异流动性，材料流动过程之中有效减少了泵耗功率，在材料、除霜、压力优势较多，单位容积制冷量大、系统能效高、对管道无腐蚀，故在间接制冷系统应用性价比较高，适合大范围推广。

3.间接制冷系统冷库效能影响分析

间接冷却制冷系统的制冷循环效率，比直接冷却模式的效率偏低，这个状况屡见不鲜，其能耗较多业内人士也见怪不怪。其系统耗功主要包括压缩机耗功、电磁阀耗功、冷风机耗功、载冷剂循环泵耗功4部分。笔者实践中通过相关途径有效减少间接制冷系统的耗功量，实现了最大限度减少间接条件对冷库效能影响。

(1)库温变化对系统耗功的影响

图1为在频率30Hz时冷风机间接冷却制冷系统耗功量随库温的变化情况。

图1 系统耗功量随库温变化趋势

载冷剂流量从-20℃库温升至-5℃库温时，间接冷却制冷系统的耗功量出现了不同幅度的增长，分别达到0.33kW、0.36kW、0.35kW、0.38kW。库房温度升高，载冷剂换热系数在此状况下得以同步增大，制冷剂蒸发能耗进而提升。这种状况下会迫使压缩机不断抬升本身的吸气压，故其耗功增加。库房温度升高会引起系统耗功差值变大，系统承载的载冷剂流量间存在了阶梯功差。例如，库房温度为-8℃，载冷剂流量2950L/h与流量1500L/h间的制冷量差值比库房温度-17℃时增大了0.03kW。库温较高制冷模式下，适配高载冷剂流量的传热系数变大，压缩机吸气压要提高，这些状况在库温度偏低时候不存在。故压缩机的耗功增加是库房温度变化，导致系统的总耗功空前显著性加大的必要条件。

(2)载冷剂流量及冷风机频率变化对系统耗功的影响

图2为不同库温下系统耗功随载冷剂流量耦合冷风机频率的变化规律。

间接冷却系统的耗功随着载冷剂流量变化也会同步正向呈现一定幅度变化。设定当前冷库温度-5℃，载冷剂流量按一定幅度持续增多，冷风机频率20Hz、30Hz、40Hz、50Hz所对应的系统耗功持续出现了不同幅度增长量，分别为0.14kW、0.16kW、0.13kW、0.13kW。系统循环泵的功耗持续加大，导致循环泵功耗变大的原因是载冷剂所增加的流量。这种工况模式载冷剂的换热频率加大，其较高的蒸发温度促使压缩机不得不增加吸气压，进而压缩机功耗同步变大。2种工况叠加促使系统总功耗反常规空前提升。根据时间序列变化场景，剖析载冷剂流量及冷风机频率的关联度，发现在载冷剂流量为1000L/h时，冷风机频率30Hz和20Hz之间相差的耗功量仅为载冷剂流量2950L/h时两者耗功差的一半。且由图2中可知，载冷剂流量2000L/h为拐点，即系统耗功增速在此出现导向性变化，系统耗功在超过这个拐点后会出现减速增加。当载冷剂流量一定，间接冷却系统耗功量随冷风机频率出现转折，制冷系统耗功量增加趋势出现先急后缓形态，且冷风机频率加大的工况。在库温-5℃，流量为1000L/h 时，冷风机频率20Hz、30Hz、40Hz、50Hz所对应的耗功出现一定幅度的增长，幅度分别为2.09kW、2.11kW、2.17kW、2.2kW；流量1500L/h时，冷风机频率40Hz、50Hz所对应的系统耗功也带来一定增长量。幅度为0.06kW、0.02kW。风机风量变大才能使得冷风机频率加大，但是以消耗电能更大的代价换来的。冷风机贡献了主要的系统功耗变化调剂量，载冷剂流量为变量，冷风机频率固定调剂工况下，系统耗功量受流量变化引起的增减更显著性。当载冷剂流量从最低值增至最高值，驱动系统功耗增加0.25kW，而冷风机频率从最小值调升到最大值，驱动系统耗功增加了0.05kW，前者改变比后者变化多耗能0.2kW。

图2 系统耗功量随载冷剂流量和风机频率变化情况

4.结语

随着全球人口的递增，生活水平的不断提高，资源的匮乏已经日趋明显，环境污染日益加剧，在全球范围内已基本形成保护环境和和节约资源的共识。制冷作为人类生产生活不可或缺的一部分，制冷技术发展面临最重要的问题在于不断提高其环保和节能性能。

在“双碳”为目标驱动的绿色发展大背景下，我国在资源节约型社会的发展路径上不断开展节能降耗工作在经济发展与环境保护之间不断寻找新的平衡点。新型制冷剂研发事关食品、化工、能源等多个行业节能减排大业，应积极配合节能减排的履约行动。笔者剖析了间接制冷系统的原理、进一步凸显了新型改良载冷剂的特殊功效，梳理并总结间接制冷系统的应用场景及亮点，当然对其待改进的关键点也不能忽视。从系统物理功效和载冷剂理化特征出发，系统梳理相关问题会有事半功倍的效果。总而言之，间接冷却制冷系统的优化技术在不断进步，新型优良载冷剂的也在快速更新，可以预见，新型制冷技术的研究发展必将极大地推动工农业生产的发展和人们生活水平的提高，其未来应用前景良好。