間接制冷技術(shù)與冷庫(kù)效能影響

＊王碩 宋喆 陳巖 張楠楠 張丹丹

（朝陽(yáng)光達(dá)化工有限公司 遼寧 122000）

引言

在現(xiàn)代注重食品多元化及多樣性的社會(huì)，人們?cè)絹?lái)越重視食品的新鮮感，對(duì)食品品質(zhì)的要求亦水漲船高，而食品價(jià)值更多也體現(xiàn)在保鮮需求方面。現(xiàn)實(shí)中冷藏鏈決定了食品的質(zhì)量水平。冷藏鏈中最典型的基礎(chǔ)裝備是冷庫(kù)，食品保鮮水平高低取決于該設(shè)施。冷庫(kù)的發(fā)展對(duì)于我國(guó)促進(jìn)智能制冷和智能保鮮產(chǎn)業(yè)發(fā)展有重要價(jià)值。隨著制冷技術(shù)的高速迭代，冷庫(kù)行業(yè)也獲得了前所未有的迅猛進(jìn)步，規(guī)模和容量均得到了快速健康發(fā)展。截止2019年底，我國(guó)各類冷庫(kù)已擁有約6053萬(wàn)噸的儲(chǔ)存容量。冷庫(kù)的建設(shè)規(guī)模達(dá)到了空前程度，食品、化工、生物等領(lǐng)域都在不斷規(guī)劃及建設(shè)，冷庫(kù)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展帶來(lái)高能耗、高污染的問題，如何在提升冷庫(kù)制冷能力同時(shí)最大程度實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，在制冷行業(yè)“安全”和“環(huán)?！眱纱箅y題之間尋找最佳平衡點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)制冷行業(yè)的綠色發(fā)展，是值得我們反思的重要課題。

1.間接制冷技術(shù)概念及特征

(1)基本概念

間接制冷技術(shù)即二次制冷技術(shù)，常規(guī)做法是二次冷卻液儲(chǔ)液罐增加放置于制冷系統(tǒng)管路，促使冷量再快捷的傳遞給載冷劑，繼而載冷劑冷量促使冷庫(kù)達(dá)到制冷效果。間接制冷技術(shù)通過(guò)常壓的二次冷卻介質(zhì)進(jìn)行大循環(huán)傳送冷量，在直接制冷劑不易應(yīng)用的位置或者不可運(yùn)用直接制冷劑的特殊環(huán)境中，常常用載冷劑替代直接制冷劑用來(lái)冷卻被冷卻物體。

間接制冷系統(tǒng)有的是依靠制冷劑循環(huán)設(shè)備實(shí)現(xiàn)直接制冷，有的通過(guò)載冷劑循環(huán)傳遞冷量于冷庫(kù)間接制冷。載冷劑儲(chǔ)罐創(chuàng)新的設(shè)計(jì)在連接蒸發(fā)器與冷卻泵端口，這也是間接制冷系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)，儲(chǔ)罐中載冷劑的熱量被蒸發(fā)器吸收，載冷劑被陸續(xù)降溫，冷卻泵將載冷劑運(yùn)輸?shù)嚼鋷?kù)釋放冷量，實(shí)現(xiàn)制冷。同步的是熱交換器及除霜液儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)在壓縮機(jī)后，壓縮機(jī)放出的熱量可支持儲(chǔ)存在除霜液儲(chǔ)罐中，積霜達(dá)到一定程度就需要除霜，除霜液泵送到冷庫(kù)間實(shí)現(xiàn)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)利于解決傳統(tǒng)直接制冷安全隱患問題，余熱除霜支持節(jié)能降耗。

二次制冷系統(tǒng)一般設(shè)有載冷劑儲(chǔ)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(kù)間及操作間常壓循環(huán)，安全穩(wěn)定，便于維護(hù)，同時(shí)當(dāng)夜間用電成本低的時(shí)候，制冷機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行，生產(chǎn)過(guò)多冷量?jī)?chǔ)存，白天用電費(fèi)用高時(shí)，制冷機(jī)組關(guān)閉，從而促使電力移峰填谷，儲(chǔ)存的冷量進(jìn)行循環(huán)。

(2)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

①制冷劑充注量小、系統(tǒng)安全性高

采用間接冷卻制冷系統(tǒng)，減少了制冷劑系統(tǒng)的管路，降低了制冷劑充注量。對(duì)于采用氨的制冷系統(tǒng)，不直接進(jìn)入庫(kù)房，系統(tǒng)一旦泄漏，庫(kù)內(nèi)冷凍冷藏的食品不會(huì)受到氨制冷劑泄漏帶來(lái)的污染。制冷劑無(wú)閃點(diǎn)、不燃不爆、無(wú)毒無(wú)害，另外隔離冷庫(kù)的工作人員，提高了工作安全系數(shù)，降低了事故隱患。對(duì)于采用鹵代烴的制冷系統(tǒng)，可減少HCFCs類制冷劑的使用率，從而降低溫室效應(yīng)。

②溫度控制精度高

載冷劑的熱容量大，易于保持冷庫(kù)內(nèi)溫度穩(wěn)定。間接制冷系統(tǒng)因?yàn)闇夭钸h(yuǎn)小于鹵代烴或氨直接制冷系統(tǒng)，減少干耗，溫控精度高、時(shí)間長(zhǎng)，能滿足小溫差的要求，可保證庫(kù)內(nèi)相對(duì)濕度，提高產(chǎn)品質(zhì)量，特別有利食品保鮮。

③運(yùn)行狀態(tài)好

只有載冷劑進(jìn)入冷藏車間，常壓循環(huán)，壓縮機(jī)才不需要頻繁地啟停，這樣可以延長(zhǎng)設(shè)備的使用期限，降低故障率、減少維修費(fèi)用。常壓環(huán)保型載冷劑在車間循環(huán)，有效避免環(huán)境污染。

④可進(jìn)行蓄冷并可降低運(yùn)行費(fèi)用

運(yùn)行費(fèi)用主要包括制冷系統(tǒng)直接費(fèi)用、冷庫(kù)運(yùn)行費(fèi)用和除霜費(fèi)用等。直接制冷系統(tǒng)頻繁啟動(dòng)且需除霜，消耗電費(fèi)、除霜費(fèi)用均較高。間接制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度相對(duì)較低，熱損大、電費(fèi)高、無(wú)需頻繁啟動(dòng)，產(chǎn)品干耗量小，余熱除霜，綜合運(yùn)行費(fèi)用降低。在雙碳背景下，間接制冷系統(tǒng)可靈活利用峰平谷電價(jià)移峰填谷降低運(yùn)行成本。

但間接制冷技術(shù)的系統(tǒng)輸送裝置變得更加復(fù)雜，增加了輸送乙二醇等水溶液的輸送泵。為取得不同的庫(kù)溫，需增設(shè)混合泵及三通電動(dòng)閥，二高頻運(yùn)行之中三通電動(dòng)閥容易因結(jié)冰而卡住，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性下降。

2.間接制冷載冷劑應(yīng)用及特征

(1)傳統(tǒng)載冷劑

長(zhǎng)期以來(lái)，無(wú)機(jī)鹽、乙二醇和醇類改性載冷劑，在制冷系統(tǒng)中統(tǒng)治了多年，而普及推廣的有機(jī)物溶液載冷劑冰點(diǎn)都在0℃以下。有機(jī)載冷劑雖然容易流動(dòng)傳熱，具有流傳性佳、易燃的特點(diǎn)，故特別注意防火防燃，其易揮發(fā)，使用量損耗太大。常用的有機(jī)載冷劑有丙二醇、乙二醇、硅油、甲醇、乙醇等。其中流動(dòng)性較好的丙三醇較為環(huán)保，與被冷卻物直接接觸也可以；硅油穩(wěn)定性好，乙醇易于流動(dòng)傳熱；二甲醚易燃易爆；乙二醇和丙二醇性質(zhì)穩(wěn)定，溶于水，且凝固點(diǎn)可隨著水溶液濃度變化而變化，溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大到一定范圍，凝固點(diǎn)可達(dá)到極值，故合適濃度對(duì)于制冷成本尤為重要。這些載冷劑存在銹蝕設(shè)備危害性，雖然成分較為常規(guī)化，但載冷能力不夠好，長(zhǎng)時(shí)間工作能耗屢創(chuàng)新高。故導(dǎo)致間接制冷系統(tǒng)的使用期限受限，運(yùn)維成本居高不下。

(2)改良載冷劑

針對(duì)傳統(tǒng)載冷劑通常有性能不佳能耗偏高的情況，通過(guò)醇類改性制備一些改良載冷劑大勢(shì)所趨。如一種冷庫(kù)專用的冰河冷媒載冷劑，由多元醇及多種添加劑改性而成，外觀為淺色液體，無(wú)異味、不揮發(fā)、載冷能力強(qiáng)、防銹性能好，適用于0℃～5℃保鮮庫(kù)、-18℃～-15℃冷藏庫(kù)、-25℃～-22℃低溫庫(kù)做間接制冷載冷劑。相比于傳統(tǒng)載冷劑，新型醇類改性載冷劑蓄冷力得到空前改觀，且該材料具有優(yōu)異流動(dòng)性，材料流動(dòng)過(guò)程之中有效減少了泵耗功率，在材料、除霜、壓力優(yōu)勢(shì)較多，單位容積制冷量大、系統(tǒng)能效高、對(duì)管道無(wú)腐蝕，故在間接制冷系統(tǒng)應(yīng)用性價(jià)比較高，適合大范圍推廣。

3.間接制冷系統(tǒng)冷庫(kù)效能影響分析

間接冷卻制冷系統(tǒng)的制冷循環(huán)效率，比直接冷卻模式的效率偏低，這個(gè)狀況屢見不鮮，其能耗較多業(yè)內(nèi)人士也見怪不怪。其系統(tǒng)耗功主要包括壓縮機(jī)耗功、電磁閥耗功、冷風(fēng)機(jī)耗功、載冷劑循環(huán)泵耗功4部分。筆者實(shí)踐中通過(guò)相關(guān)途徑有效減少間接制冷系統(tǒng)的耗功量，實(shí)現(xiàn)了最大限度減少間接條件對(duì)冷庫(kù)效能影響。

(1)庫(kù)溫變化對(duì)系統(tǒng)耗功的影響

圖1為在頻率30Hz時(shí)冷風(fēng)機(jī)間接冷卻制冷系統(tǒng)耗功量隨庫(kù)溫的變化情況。

圖1 系統(tǒng)耗功量隨庫(kù)溫變化趨勢(shì)

載冷劑流量從-20℃庫(kù)溫升至-5℃庫(kù)溫時(shí)，間接冷卻制冷系統(tǒng)的耗功量出現(xiàn)了不同幅度的增長(zhǎng)，分別達(dá)到0.33kW、0.36kW、0.35kW、0.38kW。庫(kù)房溫度升高，載冷劑換熱系數(shù)在此狀況下得以同步增大，制冷劑蒸發(fā)能耗進(jìn)而提升。這種狀況下會(huì)迫使壓縮機(jī)不斷抬升本身的吸氣壓，故其耗功增加。庫(kù)房溫度升高會(huì)引起系統(tǒng)耗功差值變大，系統(tǒng)承載的載冷劑流量間存在了階梯功差。例如，庫(kù)房溫度為-8℃，載冷劑流量2950L/h與流量1500L/h間的制冷量差值比庫(kù)房溫度-17℃時(shí)增大了0.03kW。庫(kù)溫較高制冷模式下，適配高載冷劑流量的傳熱系數(shù)變大，壓縮機(jī)吸氣壓要提高，這些狀況在庫(kù)溫度偏低時(shí)候不存在。故壓縮機(jī)的耗功增加是庫(kù)房溫度變化，導(dǎo)致系統(tǒng)的總耗功空前顯著性加大的必要條件。

(2)載冷劑流量及冷風(fēng)機(jī)頻率變化對(duì)系統(tǒng)耗功的影響

圖2為不同庫(kù)溫下系統(tǒng)耗功隨載冷劑流量耦合冷風(fēng)機(jī)頻率的變化規(guī)律。

間接冷卻系統(tǒng)的耗功隨著載冷劑流量變化也會(huì)同步正向呈現(xiàn)一定幅度變化。設(shè)定當(dāng)前冷庫(kù)溫度-5℃，載冷劑流量按一定幅度持續(xù)增多，冷風(fēng)機(jī)頻率20Hz、30Hz、40Hz、50Hz所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)耗功持續(xù)出現(xiàn)了不同幅度增長(zhǎng)量，分別為0.14kW、0.16kW、0.13kW、0.13kW。系統(tǒng)循環(huán)泵的功耗持續(xù)加大，導(dǎo)致循環(huán)泵功耗變大的原因是載冷劑所增加的流量。這種工況模式載冷劑的換熱頻率加大，其較高的蒸發(fā)溫度促使壓縮機(jī)不得不增加吸氣壓，進(jìn)而壓縮機(jī)功耗同步變大。2種工況疊加促使系統(tǒng)總功耗反常規(guī)空前提升。根據(jù)時(shí)間序列變化場(chǎng)景，剖析載冷劑流量及冷風(fēng)機(jī)頻率的關(guān)聯(lián)度，發(fā)現(xiàn)在載冷劑流量為1000L/h時(shí)，冷風(fēng)機(jī)頻率30Hz和20Hz之間相差的耗功量?jī)H為載冷劑流量2950L/h時(shí)兩者耗功差的一半。且由圖2中可知，載冷劑流量2000L/h為拐點(diǎn)，即系統(tǒng)耗功增速在此出現(xiàn)導(dǎo)向性變化，系統(tǒng)耗功在超過(guò)這個(gè)拐點(diǎn)后會(huì)出現(xiàn)減速增加。當(dāng)載冷劑流量一定，間接冷卻系統(tǒng)耗功量隨冷風(fēng)機(jī)頻率出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，制冷系統(tǒng)耗功量增加趨勢(shì)出現(xiàn)先急后緩形態(tài)，且冷風(fēng)機(jī)頻率加大的工況。在庫(kù)溫-5℃，流量為1000L/h 時(shí)，冷風(fēng)機(jī)頻率20Hz、30Hz、40Hz、50Hz所對(duì)應(yīng)的耗功出現(xiàn)一定幅度的增長(zhǎng)，幅度分別為2.09kW、2.11kW、2.17kW、2.2kW；流量1500L/h時(shí)，冷風(fēng)機(jī)頻率40Hz、50Hz所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)耗功也帶來(lái)一定增長(zhǎng)量。幅度為0.06kW、0.02kW。風(fēng)機(jī)風(fēng)量變大才能使得冷風(fēng)機(jī)頻率加大，但是以消耗電能更大的代價(jià)換來(lái)的。冷風(fēng)機(jī)貢獻(xiàn)了主要的系統(tǒng)功耗變化調(diào)劑量，載冷劑流量為變量，冷風(fēng)機(jī)頻率固定調(diào)劑工況下，系統(tǒng)耗功量受流量變化引起的增減更顯著性。當(dāng)載冷劑流量從最低值增至最高值，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功耗增加0.25kW，而冷風(fēng)機(jī)頻率從最小值調(diào)升到最大值，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)耗功增加了0.05kW，前者改變比后者變化多耗能0.2kW。

圖2 系統(tǒng)耗功量隨載冷劑流量和風(fēng)機(jī)頻率變化情況

4.結(jié)語(yǔ)

隨著全球人口的遞增，生活水平的不斷提高，資源的匱乏已經(jīng)日趨明顯，環(huán)境污染日益加劇，在全球范圍內(nèi)已基本形成保護(hù)環(huán)境和和節(jié)約資源的共識(shí)。制冷作為人類生產(chǎn)生活不可或缺的一部分，制冷技術(shù)發(fā)展面臨最重要的問題在于不斷提高其環(huán)保和節(jié)能性能。

在“雙碳”為目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的綠色發(fā)展大背景下，我國(guó)在資源節(jié)約型社會(huì)的發(fā)展路徑上不斷開展節(jié)能降耗工作在經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)之間不斷尋找新的平衡點(diǎn)。新型制冷劑研發(fā)事關(guān)食品、化工、能源等多個(gè)行業(yè)節(jié)能減排大業(yè)，應(yīng)積極配合節(jié)能減排的履約行動(dòng)。筆者剖析了間接制冷系統(tǒng)的原理、進(jìn)一步凸顯了新型改良載冷劑的特殊功效，梳理并總結(jié)間接制冷系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景及亮點(diǎn)，當(dāng)然對(duì)其待改進(jìn)的關(guān)鍵點(diǎn)也不能忽視。從系統(tǒng)物理功效和載冷劑理化特征出發(fā)，系統(tǒng)梳理相關(guān)問題會(huì)有事半功倍的效果?？偠灾?，間接冷卻制冷系統(tǒng)的優(yōu)化技術(shù)在不斷進(jìn)步，新型優(yōu)良載冷劑的也在快速更新，可以預(yù)見，新型制冷技術(shù)的研究發(fā)展必將極大地推動(dòng)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和人們生活水平的提高，其未來(lái)應(yīng)用前景良好。