間接制冷技術(shù)在冷庫中的應(yīng)用

張楠楠，宋 喆

（朝陽光達(dá)化工有限公司，遼寧朝陽122000）

引言

2013年以來，全國范圍內(nèi)連續(xù)發(fā)生多起涉氨制冷企業(yè)爆炸事故，行業(yè)內(nèi)外 “談氨色變”。國家出臺了嚴(yán)厲的專項(xiàng)治理措施，地方安監(jiān)部門對涉氨企業(yè)的安全監(jiān)管力度達(dá)到了史無前列的高度，與此同時(shí)，各種類型的冷藏系統(tǒng)改造工程紛紛展開。有的企業(yè)仍然建設(shè)液氨直接蒸發(fā)制冷冷庫，有的涉氨企業(yè)為了減少麻煩，直接將液氨直冷改為氟利昂直冷系統(tǒng)，有的制冷機(jī)廠家在推廣二氧化碳制冷系統(tǒng)，有的企業(yè)采用間接制冷系統(tǒng)。在 “安全”、“環(huán)?！?、“經(jīng)濟(jì)”的前提下，哪種方案更適合冷凍冷藏行業(yè)呢？目前行業(yè)內(nèi)還沒有達(dá)成共識。

1 國家監(jiān)管政策及導(dǎo)向

1.1 關(guān)于氨制冷系統(tǒng)相關(guān)政策

國家明確要取締關(guān)閉一批違法企業(yè)，治理整改一批隱患企業(yè)，提升一批較好企業(yè)。要求在人員較多的生產(chǎn)場所嚴(yán)禁采用氨直接蒸發(fā)制冷系統(tǒng)［1］。并規(guī)定氨構(gòu)成重大危險(xiǎn)源的臨界數(shù)量為10噸［2］。國務(wù)院安委會辦公室定于2017年2月至11月開展專項(xiàng)治理驗(yàn)收工作。對全國涉氨制冷企業(yè)液氨使用專項(xiàng)治理情況開展全面驗(yàn)收，徹底消除作業(yè)場所采用氨直接蒸發(fā)制冷的空調(diào)系統(tǒng)和快速凍結(jié)裝置未設(shè)置在單獨(dú)作業(yè)間內(nèi)的兩類重大事故隱患，全面提升企業(yè)液氨使用安全水平，有效遏制重特大事故發(fā)生［3］。

1.2 關(guān)于氟利昂制冷系統(tǒng)相關(guān)政策

截止到2010年1月1日，在全球范圍內(nèi)已實(shí)現(xiàn)了CFCs的全面淘汰。在CFCs淘汰轉(zhuǎn)換工作提前完成的基礎(chǔ)上，在2007年9月份召開的 《蒙特利爾議定書》第19屆締約方大會上，國際社會又進(jìn)一步達(dá)成了 “加速淘汰 HCFCs”的調(diào)整案，該調(diào)整案規(guī)定：對于議定書第5條款締約方 （即通常所說的中國等發(fā)展中國家），其HCFCs消費(fèi)量與生產(chǎn)量到2020年削 減35%，到2025年削減67.5%，到2030年完成全部淘汰［4］。

2016年10月 《蒙特利爾議定書》第28次締約方會議重點(diǎn)審議了關(guān)于 HFCs削減控制的修正案。最后形成了新的 “基加利修正案”，中國等主要發(fā)展中國家，自2024年HFCs開始凍結(jié)，2029年削減10%，最終2045年實(shí)現(xiàn)削減80%［5］。

以保護(hù)地球臭氧層不受破壞，我國先后下發(fā)《關(guān)于嚴(yán)格控制新建使用含氫氟氯烴生產(chǎn)設(shè)施的通知》、《消耗臭氧層物質(zhì)管理?xiàng)l例》等對其進(jìn)行管理。在專項(xiàng)治理過程中，應(yīng)嚴(yán)格避免產(chǎn)生以 “氟利昂制冷劑代替氨制冷劑的簡單化做法所帶來的環(huán)境問題”；其中還明確要求：“對人員較多的生產(chǎn)場所的制冷系統(tǒng)要采用載冷劑間接制冷系統(tǒng)”［6］。

2 氨制冷系統(tǒng)

2.1 NH3制冷劑

1859年氨作為制冷劑的理論確立，1875年開始用于工業(yè)制冷。NH3凝固溫度－77.7℃，標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn) －33.3℃，臨界溫度 132.4℃，臨界壓力11.52MPa。常溫下冷凝壓力一般在1.1～1.3MPa，夏季最高不超過1.5MPa，單位容積制冷量約2177kJ／m3。ODP＝0，GWP＝0。

2.2 NH3制冷系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)

（1）優(yōu)點(diǎn)：NH3制冷劑具有對環(huán)境友好性，破壞臭氧層潛能值 （ODP）為0、全球氣候變暖潛能值 （GWP）為0。具有優(yōu)良的熱力學(xué)性質(zhì)，其單位容積制冷量較傳統(tǒng)的氟利昂制冷劑大。比重和粘度小。價(jià)格便宜、易獲得；氨機(jī)造價(jià)低，由于單個(gè)氨機(jī)制冷量可達(dá)到250 kW甚至更大，而氟機(jī) （低溫工況）最大為100kW，若要用于大冷量工況，就必須多機(jī)并聯(lián)，因此，在大功率 （100kW以上）的情況下，氨機(jī)明顯較氟并聯(lián)機(jī)組價(jià)格低；氨系統(tǒng)若發(fā)生泄漏易被發(fā)現(xiàn)。

（2）缺點(diǎn)：氨幾乎不溶于礦物油，管道和換熱器的傳熱面會積油，形成油膜，影響傳熱；氨制冷系統(tǒng)需配用復(fù)雜的油分離系統(tǒng)，造成產(chǎn)品體積龐大。氨在含油、含水時(shí)，對銅和銅合金 （磷青銅外）有腐蝕作用；氨毒性較大，對人體器官有強(qiáng)烈刺激作用，空氣中氨的含量達(dá)到0.5%～0.6%時(shí)，人在其中停留半小時(shí)即可中毒，達(dá)到11%～13%即可點(diǎn)燃，達(dá)到16%～25%時(shí)遇明火就會爆炸；少量氨泄漏就可導(dǎo)致儲藏品受到污染，大量泄漏則危及人身安全，需保持通風(fēng)使空氣中氨含量≤0.02mg／L［7］；在人員較多的生產(chǎn)場所嚴(yán)禁采用氨直接蒸發(fā)制冷系統(tǒng)。

3 氟利昂制冷系統(tǒng)

3.1 氟利昂制冷劑

氟利昂是飽和烴類的鹵族衍生物總稱。20世紀(jì)30年代美國首先研究出氯氟烴類R12，隨后CFCs和HCFCs陸續(xù)得到研發(fā)。根據(jù)氟利昂制冷劑分子結(jié)構(gòu)，可分以下三類：氯氟烴類 （主要包括R11、R12、R113、R114、R115、R500、R502等）此類制冷劑含氯元素破壞臭氧層，被 《蒙特利爾議定書》列為一類受控物質(zhì)，目前已禁止使用；氫氯氟烴類 （R22、R123、R141b、R142b等）制冷劑氯含量較少，被視為過渡性替代物質(zhì)。R22被限定于2020年淘汰，發(fā)展中國家截止到2030年；氫氟烴類 （R134a、R125、R32、R404A、R407C、R410A、R152、R507等制冷劑不含氯元素，但在《聯(lián)合國氣候變化框架公約》京都議定書中定性為溫室氣體。

3.2 氟利昂制冷系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)

（1）優(yōu)點(diǎn)：氟利昂制冷劑與冷凍油互溶，氟機(jī)無需復(fù)雜的油分，結(jié)構(gòu)簡單，體積??；制冷劑充注量小，一般為氨機(jī)的1／2或1／3；機(jī)房要求高度低、機(jī)房占地面積??；壓縮機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)自動能量調(diào)節(jié)；可實(shí)現(xiàn)全自動控制和遠(yuǎn)程監(jiān)測報(bào)警；可保存庫房各溫度參數(shù)，機(jī)房無需專人值守。

（2）缺點(diǎn)：氟利昂無色無味泄露難發(fā)現(xiàn)，遇明火溫度400℃以上會分解有毒氣體。受兩國際公約限制。價(jià)格相對氨較高。熱工性能不如氨，單位換熱效率低；氟機(jī)單機(jī)功率較氨小，在大功率的情況下要并聯(lián)運(yùn)行，從而使機(jī)組造價(jià)提高。

4 二氧化碳制冷系統(tǒng)

4.1 CO2制冷劑

二氧化碳制冷劑是在1850年，最初是由美國人Alexander Twining提出在蒸汽壓縮系統(tǒng)中采用CO2作為制冷劑。1867年，Thaddeus S C Lowe首次成功使用CO2應(yīng)用于商業(yè)機(jī)。CO2標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)－78.2℃，凝固溫度 －56.55℃，臨界壓力7.372MPa，臨界溫度31.1℃。0℃時(shí)的容積制冷量22601kJ／m3，ODP＝0，GWP＝1。

4.2 CO2制冷系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)

（1）優(yōu)點(diǎn)：具有環(huán)境友好性。CO2是天然物質(zhì)，破壞臭氧層潛能值為0，全球氣候變暖潛能值為1；不燃、不爆。價(jià)格便宜 （不需要回收設(shè)備）；單位容積制冷量大 （系統(tǒng)體積?。粋鳠嵝阅芎土鲃有阅芎?。CO2黏度小，流體的流動阻力小，傳熱性能比CFC類制冷劑好。

（2）缺點(diǎn)：運(yùn)行壓力高。CO2臨界壓力7.38MPa，CO2跨臨界制冷循環(huán)的工作壓力最高可達(dá)到10MPa約為傳統(tǒng)制冷工質(zhì)CFC或HCFC系統(tǒng)壓力的6～8倍，對設(shè)計(jì)、設(shè)備尤其是閥門要求很高，且后期操作維護(hù)專業(yè)性要求高；CO2系統(tǒng)中如果有水分，不但會造成冰堵，CO2和水反應(yīng)生產(chǎn)碳酸，對系統(tǒng)造成腐蝕；CO2的泄露危險(xiǎn)性。大氣中CO2和O2的濃度比為1∶700。O2濃度下降1%～5%不會引起致命的危害，CO2濃度上升1%～5%是致命的；CO2沖霜的問題。如果采用電融霜，運(yùn)行費(fèi)用非常高。采用水融霜，融霜時(shí)間長，并且冷庫地面會出現(xiàn)凍冰現(xiàn)象。通常采用工質(zhì)融霜；停電時(shí)CO2系統(tǒng)壓力升高。一旦制冷系統(tǒng)停止運(yùn)行，必須保證輔助制冷系統(tǒng)可靠運(yùn)行；由于需采用雙系統(tǒng)工作，初投資較大，系統(tǒng)復(fù)雜。

5 一種優(yōu)化的間接制冷系統(tǒng)

5.1 間接制冷系統(tǒng)

二次制冷技術(shù)，即間接制冷技術(shù)，在制冷系統(tǒng)管路增加二次冷卻液儲液罐，使制冷劑可以在一個(gè)局部小的范圍內(nèi)，將冷量傳遞給載冷劑，然后再通過泵在常壓下將載冷劑的冷量傳遞給冷庫實(shí)現(xiàn)制冷。本系統(tǒng)設(shè)有載冷劑儲罐與蒸發(fā)器連接，蒸發(fā)器吸收儲罐中載冷劑的熱量，將載冷劑降溫，載冷劑儲罐與冷卻泵連接，冷卻泵將載冷劑運(yùn)輸?shù)嚼鋷扉g釋放冷量，以達(dá)到制冷的目的；同時(shí)該系統(tǒng)在壓縮機(jī)后設(shè)有熱交換器及除霜液儲罐，壓縮機(jī)放出的熱量進(jìn)行熱交換后儲存在除霜液儲罐中，當(dāng)冷庫間進(jìn)行除霜時(shí)，將除霜液通過泵輸送到冷庫間進(jìn)行熱除霜；該系統(tǒng)中載冷劑與除霜液均為冰河冷媒專利產(chǎn)品，該系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)直接制冷系統(tǒng)存在的安全性問題，暖液除霜系統(tǒng)利用壓縮機(jī)余熱除霜，達(dá)到節(jié)能的目的。

本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)有載冷劑儲罐，其容量為載冷劑循環(huán)量的一倍以上，需要冷量時(shí)，載冷劑在冷庫間及操作間常壓循環(huán)，解決了傳統(tǒng)氨冷庫的安全性問題，也方便以后進(jìn)行管路維修，同時(shí)當(dāng)夜間電價(jià)低時(shí)，可以將制冷機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行，冷量儲存在載冷劑中，白天用電量大時(shí)，可以關(guān)閉制冷機(jī)組，讓儲存的冷量進(jìn)行循環(huán)，實(shí)現(xiàn)了電力的移峰填谷。

優(yōu)化的二次制冷改造方案如圖1所示。

此優(yōu)化方案中所用載冷劑為朝陽光達(dá)化工有限公司專利產(chǎn)品冰河冷媒，其特點(diǎn)是用量省 （如圖2，LM－1冰河冷媒與乙二醇對比。在同一使用溫度 （－30℃）下LM－1使用濃度為38%，乙二醇濃度為50%。LM－1用量較?。?、載冷能力強(qiáng) （見表2氯化鈣、乙二醇、酒精、冰河冷媒在同一冰點(diǎn)下冰河冷媒導(dǎo)熱系數(shù)較高、粘度較?。⒎冷P性能突出 （表1為中科院金屬研究所權(quán)威檢測，A3鋼在25%乙二醇、LM－1、LM－4溶液中腐蝕168h后的重量變化。A3鋼在25%乙二醇銹蝕嚴(yán)重，在LM－1、LM－4溶液中幾乎無變化）、無毒 （較環(huán)保）、無閃點(diǎn) （不然、不爆）解決了傳統(tǒng)載冷劑存在的問題，使設(shè)備使用壽命至15年以上。

相關(guān)物性參數(shù)對比見圖2、表1、表2。

5.2 優(yōu)化間接制冷系統(tǒng)案例

（1）案例1：

松林啤酒 （LM－1型冷媒替代酒精）

松林啤酒1997年以前，一直使用酒精做載冷劑，工藝溫度－10℃，啤酒年產(chǎn)量5萬噸左右，每

表1 A3鋼在不同載冷劑中的腐蝕失重 （mg／cm2 3）

年做載冷劑用酒精50噸以上。該公司1998年擴(kuò)建，啤酒產(chǎn)量每年達(dá)到20萬噸，擴(kuò)建后選用LM－1型冰河冷媒，年用量僅10～20噸，1997年以前制冷系統(tǒng)每年要大修一次，使用冰河冷媒后，五年以上才需要大修一次。

結(jié)論：由以上數(shù)據(jù)可以看出，使用冰河冷媒后，無論是載冷劑消耗量還是系統(tǒng)維修費(fèi)用都大大降低，到目前為止，該公司已使用冰河冷媒10年以上，系統(tǒng)中的載冷劑仍然清澈透明，系統(tǒng)壽命顯著提高，同時(shí)也節(jié)約了大量的電力，提高了生產(chǎn)效率。

（2）案例2

上海津沛物流 （氨系統(tǒng)改優(yōu)化間接制冷系統(tǒng)）

上海津沛物流，2015年建設(shè)。庫容：22.5萬m3裝貨：38000噸，－18℃冷藏庫，4臺氨機(jī)改造的氟機(jī)：兩開，兩備每臺200kW，自制熱交換器，儲液罐200 m3，載冷劑LM－450，儲液罐循環(huán)泵4臺、入庫循環(huán)泵6臺 ，風(fēng)機(jī)冷卻，常溫水除霜：每日除霜一次，晚間制冷蓄冷，白天不制冷，保溫嚴(yán)、管理嚴(yán)、高端貨物－12℃入庫。冬季每月電費(fèi)10萬元、夏季每月電費(fèi)40萬元。一人看機(jī)。經(jīng)客戶反饋，比以前氨直冷系統(tǒng)省電。

表2 冰河冷媒與傳統(tǒng)制冷劑物性參數(shù)對比

圖2 兩種載冷劑的冰點(diǎn)曲線圖

結(jié)論：效果良好，制造成本經(jīng)濟(jì)，維護(hù)簡單，運(yùn)行成本、人工成本低。

5.3 間接制冷系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)

（1）優(yōu)點(diǎn)：安全 （只有載冷劑進(jìn)入冷藏車間，常壓循環(huán)，安全無害）；環(huán)保 （制冷劑僅在機(jī)房循環(huán)，用量僅為直接制冷方式的1／10以內(nèi)，常壓環(huán)保型載冷劑在車間循環(huán)，有效避免環(huán)境污染）。

表3 不同制冷系統(tǒng)性能比較

（2）缺點(diǎn)：間接制冷難免會有能量損失劣于直膨系統(tǒng)；一旦載冷劑選用不當(dāng)會造成設(shè)備腐蝕，要選用專業(yè)載冷劑。

優(yōu)化間接制冷系統(tǒng)、氨系統(tǒng)、氟系統(tǒng)、CO2系統(tǒng)對比見表3。

6 結(jié)論

隨著我國冷藏冷凍食品市場發(fā)展快速增長，對安全、環(huán)保、節(jié)能、高效制冷技術(shù)的需求急劇上升。氨制冷系統(tǒng)需嚴(yán)格監(jiān)管，少量氨泄漏會導(dǎo)致儲藏品受到污染，大量泄漏則危及人身安全。氟利昂系統(tǒng)CFCs、HCFCs制冷劑破壞臭氧層，是 《蒙特利爾議定書》中限制并最終停止使用的制冷劑。HCFCs2030年我國完成全部淘汰，HFCs作為過渡性制冷劑2045年實(shí)現(xiàn)削減80%。CO2制冷系統(tǒng)運(yùn)行壓力高于傳統(tǒng)的制冷系統(tǒng)，系統(tǒng)管路、配件需耐高壓。閥門、配件大多進(jìn)口，整體運(yùn)行成本、造價(jià)較高。系統(tǒng)中如果有水分還會有腐蝕問題。

本文提出了一種優(yōu)化的間接制冷系統(tǒng)，此系統(tǒng)安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)，響應(yīng)了國家安監(jiān)局 “對人員較多的生產(chǎn)場所的制冷系統(tǒng)要采用載冷劑間接制冷系統(tǒng)”的要求，為冷凍冷藏行業(yè)的綠色發(fā)展帶來切實(shí)的意義。

參考文獻(xiàn)：

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