关于不同制冷系统应用于冷库的探讨

郭 靖

（松下冷机系统（大连)有限公司，辽宁 大连 116600）

引言

氟利昂制冷系统有着较高的安全性和稳定性，虽然会对环境造成一定的破坏，但在我国小型冷库中依然广泛使用。氨制冷系统是我国大中型冷库使用的制冷系统，目前，在自动化和智能化程度上低于发达国家，中型、大型冷库的实际运行需要消耗较高的成本，不利于氨制冷系统的有效推广。复叠式制冷系统可以对货物进行超低温快速冷冻，能有效满足人们对冷冻食品新鲜度的要求。因此，在实际应用中，需结合冷库的需求和不同制冷系统的特点选择制冷系统。

1 氟利昂制冷系统

1.1 氟利昂制冷系统特点

氟利昂制冷系统适合应用于人员密集或大型商场中的中小型冷库制冷，具有以下特点：一是氟利昂制冷剂无毒、无刺激性气味，且机组配置简单、技术相对成熟。二是氟利昂制冷系统中的设备体积较小，不仅可以降低占用面积，而且整体噪音小。三是氟利昂制冷系统也有一定的缺点，一旦氟利昂制冷器发生泄漏，就会对环境产生破坏，且因为氟利昂制冷剂是无刺激性气味，很难被发现和及时检测到。另外，在同等制冷需求下，氟利昂制冷系统的效率低于氨制冷系统的制冷效率[1]。

1.2 制冷剂替代和其性质

目前市场中使用氟利昂制冷系统时，在制冷剂的选择上大多使用R22，对臭氧层的破坏较为明显，为了更好地应用氟利昂制冷系统，目前已经针对R22制冷剂替代品进行了研究，在替代品中ODP的值为0，不过在GWP的数值上还较高。结合市场中氟利昂制冷剂的使用情况，R407C和R404A是使用最常见的制冷剂替代品。虽然这些制冷剂代替R22不会对臭氧层产生破坏，但在实际制冷剂的替代中，需要对不同制冷剂的化学性能、物理性能进行分析，只有在充分了解不同替代制冷剂的差异性后，才可以有效利用不同制冷剂替代品。3种制冷剂的热力性质如表1所示。

表1 R22、R407C和R404A的热力性质表

表1中，臭氧消耗潜能（Ozone Depletion Potential）简称ODP；全球变暖潜能（Global Warming Potential）简称GWP（根据GB/T 7778—2017，制冷剂安全性可分为8类，从安全到危险分别为A1、A2L、A2、A3、B1、B2L、B2和B3）。

2 氨制冷系统

2.1 氨制冷系统特点

在目前的冷库制冷系统应用中，氨制冷系统的应用面最为广泛，具有以下特点：一是氨作为天然的制冷剂，在GWP和ODP上都为零，蒸发压力和冷凝压力都处于正常范围，且标准大气压下的蒸发温度和普通低温冷库冻结间的蒸发温度一致，同时冷凝压力在冷却水温30～35℃中压力为1～1.4 MPa，最高不会超过1.5 MPa。二是氨的物理性质决定了在单位体积制冷剂下是氟利昂制冷量的2倍，因此，同等制冷量需求下，氨制冷剂的使用量更小。三是氨制冷剂也有一定的缺点，其安全等级为B2，不仅有毒，而且空气中氨浓度超过16%后，就有遇明火爆炸的风险[2]。

冷库制冷过程中，在使用氨制冷系统时，会采用两级压缩中间完全冷却循环，具体制冷系统原理如图2所示。结合图2可以看出，氨制冷系统的冷库中设备较多，不仅有制冷循环设备，也要有一些辅助设备，例如油分离器、放油管、高压储液器和低压液体循环桶等。

图2 双级压缩氨制冷系统

2.2 氨制冷系统优化

为了保证氨制冷系统的运行安全性，需要降低系统中氨的注射量，我国针对氨制冷系统中的氨注射量有明确规定，总充注量不能超过40 t，且气体氨作为重大危险化学物品，储存量的临界值为10 t。因此，可以使用工业制冷的分布式超低氨充注系统（ULC）来对氨的注射量进行控制，其系统原理如图3所示。ULC系统是模块化分布式制冷系统，能将蒸发器风扇和压缩机结合在一块，为减短制冷剂进入蒸发器的路程，使用封闭耦合式单元和自动化电子制冷剂供液控制技术实现对制冷剂的控制。另外，该系统的冷凝部分并非利用非管壳式冷凝器，而是使用融合并联板式换热器，因此，冷凝器管道中不会存有大量的氨制冷剂。该系统和传统的单级中央制冷系统比较，ULC系统在能源消耗上可以降低8%，同时氨注射量可以减低97%、用水量可以降低4%，经过试验，氨制冷系统中出现单个分布式单元损坏时，氨泄漏量最多不会超过50 kg，与传统氨制冷系统相比较，安全性更好[3]。

图3 分布式低氨充注系统

3 复叠式制冷系统

3.1 复叠式制冷系统特点

降低蒸发温度才可以更好地降低冷库的温度，受制冷剂热力性质的影响，在具有较低沸点温度的同时，也有着较高的临界点温度，同时在低温制冷循环中，低温制冷剂的蒸发温度虽然较低，不过水冷冷凝器却无法满足冷凝温度的需求，为此需要利用复叠式制冷原理。具体而言，复叠式制冷循环可以分为高温部分和低温部分，且两个循环部分使用一个蒸发冷凝器，如图4所示。结合复叠式制冷系统低温部分的蒸发温度变化和高温部分冷凝温度变化看，低温部分的蒸发温度变化对系统COP的影响较大，在低温级，压缩机能耗受蒸发温度的影响较大，需要复叠式制冷系统降低低温级功耗，提高制冷效率。

图4 复叠式制冷循环系统

3.2 在超低温冷库中应用

在超低温冷库中，温度标准在-80～-45℃之间，这样的超低温可以快速制冰和快速冷冻食品。例如，可以对一些名贵海鲜产品进行有效速冻，且超低的温度可以在保存肉类时避免肉类细胞之间形成冰晶体，保证肉质的鲜美口感。在超低温冷库中对蒸发温度有限制，氨制冷剂和CO2制冷剂不能达到需求，因此，使用R22/R13复叠式制冷系统，在低温部分的蒸发温度能达到-80℃以下。受到氟利昂制冷剂对环境造成破坏的影响，常用R170制冷剂替代R13制冷剂，R170制冷剂具有易燃性，只能用于充液量较小的低温制冷设备中，不适合大中型冷库设备制冷，存在明显的局限性。

4 结语

复叠式制冷系统虽然可以快速对产品进行冷冻，但当前市场中的超低温制冷剂应用，主要还是使用氟利昂制冷剂。在限制使用氟利昂制冷剂的背景下，其制冷剂的替代品也不能满足大中型冷库需要。另外，氟利昂制冷剂还会对环境造成不可逆的破坏，在同等制冷需求下，所消耗的制冷剂要远高于氨制冷系统，因此，在普通的低温冷库建设中，氨制冷系统具有较强的优势。虽然目前氨制冷系统存在着一定的危险性，不过通过技术优化可以极大地降低氨制冷剂的注射量，从而提高冷库运行的安全性，氨制冷系统将会是我国的冷链行业发展中的必经之路。