氨制冷新技术及其进展

氨制冷新技术及其进展摘要：氨具有良好的热物性和传输特性，是CFCs与HCFCs理想的替代工质。

本文介绍了当今氨在制冷空凋领域应用的新技术，NH3/C02复叠制冷技术、氨用C02载冷技术、NH3冷水机组等，另外，本文还从安全可靠、高效、小型化和自动化等方面阐述了氨制冷技术的发展趋势。

我国的氨制冷技术的发展较为缓慢，可靠性和先进性与国外差距较大，必须加强氨制冷技术的研发力度，促进我国氨制冷技术的发展。

关键词：NH3/C02复叠制冷，C02载冷，冷水机组，安全可靠，小型化前言近年来，由于发现氟利昂类制冷剂对大气臭氧层有破坏作用以及能产生温室效应等环境问题，国际上己达成完全禁用CFCs不逐渐限制使用HCFCs制冷剂的共识。

在全球积极研究氟利昂替代技术以解决对臭氧层破坏及“温室效应”问题的今天，氨制冷技术以其强大的应用潜力不但在冷冻冷藏方面占有很大比率，而且在越来越广泛的领域（如中央空调、商场的大型食品展示柜等）得到应用，被国际社会新认识和评价。

氨作为制冷剂已被使用达120年之久，其臭氧层消耗潜能（ODP）为0，全球变暖潜能（GWP）也为0，标准沸腾温度低，在冷凝器和蒸发器中的压力适中，单位容积制冷量大，并且其导热系数大，蒸发潜热也大，节流损失小，能溶解水，有漏气现象时易被发现，价格低廉，是非常具有应用前景的自然工质。

但是，氨做为制冷剂并不是十全十美的，氨的绝热指数较高，具有一定的毒性、可燃性和易爆，并且对锌、铜、铜合金有腐蚀作用等，从而限制了它的使用，但是随着人们对氨制冷剂的重新认识和评价，并已投入大量的人力物力，致力于氨的安全性能和制冷系统及其设备技术的研究，并取得一定的成果，为氨制冷技术的进步创造了有利的条件。

2氨制冷新技术2.1 NH3/C02复叠式制冷技术C02是自然界天然存在的物质，它的臭氧层破坏潜能（ODP）为零，其全球变暖潜能极小（GWP=1），蒸发潜热较大，单位容积制冷量较大，运动粘度低，与普通润滑油相容，价格便宜，来源丰富。

另外，C02做为自然工质，无毒，不可燃，也不助燃，所以通过NH3/C02复叠式制冷在一定程度上能解决单一氨制冷的限制这主要是因为NH3/C02复叠式制冷系统能明显降低氨的充注量，根据国际氨制冷学会的数据，一个6.5万平方米的冷藏库，传统的氨二级制冷系统需要氨的量大约为30吨，而NH3/C02复叠式制冷系统的氨的充注量仅为3.6吨，同时由于低温级采用C02，从而可以避免氨与食品、人群等直接接触，降低氨制冷系统的危险性，增加系统运行的安全性，NH 3/C02复叠式制冷系统如图1所示。

图1 NH 3/CO 2复叠式制冷系统示意图1— CO2制冷压缩机； 2—蒸发式冷凝弱 3— NH3制冷压缩机； 4—高温级制冷循环冷凝器 5— 低温级制冷循环的蒸发器；6—低温级节流装置 7— 波相CO2贮液器； 8—高温级级节流装摄在NH 3/C02复叠式制冷系统中，利用C02作为低温级循环的相变冷媒，降低了低温级循环的工作压力，压缩后的C02气体被普通的NH 3制冷系统冷却及冷凝，即NH 3冷系统是该低温制冷系统的高温级。

由于C02无毒、不可燃、没有气味，所以如果发生重大泄露事件，只会有部分干冰生成，干冰升华后变为蒸气，不会造成危害。

另外，C02制冷剂的容积制冷量大约是NH 3制冷剂的8倍，低温级制冷剂的容积流量大大降低，而且由于是利用C02相变来制冷，因此换热性能改善，大大减小所需换热器的面积，使得这种低温制冷系统具有很强的竞争力，从宾西法尼亚州—冷藏库的运行情况来看，NH 3/CO 2吨复叠式制冷系统节能效果显著，满载情况下—31.7℃（—45.O F ）时，NH 3/C02复叠式制冷系统比氨单级制冷系统在制取单位冷吨的冷量耗功少25％，比氨双级制冷系统少7％，并且温度越低节能效果越明显。

另外，系统的安装、操作和维护成本也可以降低，NH 3/C02复叠式制冷系统与对应的M 级氨系统相比，成本大约降低 7％～8％。

NH 3／C02复叠式制冷系统的氨制冷循环部分可以在生产厂家直接安装，提高焊接质量，可增加系统的安全性，避免氨的泄露，用户只需要现场安装载冷剂系统即可。

1932年W ．R ．Kitzmiller 提出NH 3/C02复叠式制冷系统，1992年，英国的一家超市安装了世界上第一套NH 3/C02复叠式制冷系统，目前，NH 3／C02复叠式制冷系统在欧美国家广泛应用于冷库、超市等领域，美国已经有6个大型冷库采用了此种系统，另外，如表1所示，至2003年国外己经安装了多套NH3/C02复叠式制冷系统。

表1 至2003年NH3/CO2复叠式制冷系统的应用现状安装时间国家用户设备商用途1999 法国Nestle Quiri 冷藏2001 英国Nestle Star 咖啡冻干2001 荷兰 C Vrolijk York 冷藏2002 荷兰Klaas Puul B De raaf 速冻隧道2002 荷兰Lagemaal Grenco 冷藏2002 澳大利亚Probiotec Minus40 医药冻干2003 美国Nestle Stellar 平板速冻2003 英国ASDA Star 冷藏陈列柜NH3/C02复叠式制冷系统在国外已经得到大量的应用，国内开展研究的很多，但还没有投投入实际工程使用。

复叠系统制冷循环的热力计算可分别对高温级和低温级单独进行计算，其中高温级与正常的氨系统设计一样，但由于低温级C02的性质决定低温级有不同的设计之处。

西安交通大学与天津大学NH3/C02复叠式制冷系统的热力学原理及系统运行进行了较深入的研究，并在最佳冷凝温度及流量比方面取得了一定的成果，但我国的CO2压缩机、CO2换热器、CO2润滑油等技术较为落后，对NH3/CO2复叠式制冷系统的研究还不够，要促进NH3/CO2复叠式制冷系统在我国的应用还有很多工作要做。

2.2氨的C02载冷技术氨制冷系统很难进入商业制冷领域（如商场、超级市场、酒店等的制冷装置）主要是由于它的气味、毒性、可燃性，成为直接蒸发冷却的不安全因素。

为了解决这一矛盾，可用载冷剂循环间接冷却。

随着载冷应用范围的扩大，要求高效安全的载冷剂，从而促进了载冷技术的发展。

常用的载冷剂有空气、水、盐水溶液和有机化合物的水溶液。

用空气做载冷剂虽然有较多的优点，但是由于它的比热小，所以只有利用空气直接冷却时采用。

水虽然有比热大的优点，但是它的冰点高，所以它仅能用作制取0℃以上的载冷剂。

输送较低温度的冷量时，通常用的就是盐水溶液和有机化合物的水溶液。

盐水溶液的载冷性能与溶液中的含盐量有关，一般而言含盐量（浓度）越高，盐水溶液所能够载冷的温度也就越低。

所以，用盐水做低温载冷剂时，关键是盐水的浓度的选择，盐水的浓度必须保证蒸发器中的盐水不冻结，但浓度又不宜太高，因盐水的浓度太大，密度也就越大，因而阻力也越大。

并且浓度越大，盐水的热容量也会减少，在制取相同冷量的情况下，要加大盐水的循环量，这样就会增大盐水泵的功耗。

另外，盐水溶液的传热性能较差，导热系数一般低于0.5W／mK。

同时，盐水溶液对金属有强烈的腐蚀性；盐水溶液在工作过程中，会吸收空气中的水分而降低浓度，因此必须定期的加盐，从而增加了运行管理的困难。

所以盐水溶液并不是一种非常理想的载冷剂。

有机化合物的水溶液可以得到更低的载冷温度，对金属没有强烈的腐蚀性，运行管理方便，但价格较昂贵，成本较高，也不容易取得，且粘度较大，如当载冷温度是个-35℃时，乙二醇溶液的粘度是氯化钙的水溶液的3倍还要多，压力损失较大，增加了溶液泵的功耗，不利于能量的节约。

C02做为载冷剂与其他传统的载冷剂（如盐水、乙二醇等）相比，其粘度系数非常小，当载冷温度为-35℃时，其粘度系数分别是氯化钙溶液、乙二醇溶液、二氯甲烷的 1/152、l/506、l/4，具有非常好的输运特性，另外，C02比热与导热系数都较大，同时可以利用液态C02的相变来吸收热量。

减少液态C02载冷剂的充注量，从而使载冷循环的管道的管径大大减小，经计算，C02管道的截面积大约是NH3的1倍，减小了载冷没备的体积，同时，由于采用载冷系统也可使氨的充注量减少，所以C02是替代传统载冷剂的理想工质。

C02的临界压力为7．37Mpa，临界温度为31.1℃，三相点压力为518kPa，三相点温度-56．56℃，C02饱和液体的压力是3.48MPa。

所以，如果要传递-50℃到0℃的冷量，载冷管道的压力必须保证压力区间为0.52MPa。

到3.48MPa，压力大是C02载冷循环的主要缺陷，但随着制造工艺的进步，此种困难完全可以解决。

C02载冷循环系统包括NH3制冷循环系统、C02储液器、液体C02的循环泵以及空气冷却器、安全阀等（见图2）。

系统运行过程中，C02在制冷单元中的蒸发式冷凝器中被冷凝，同时流入C02的储液器，然后被泵吸人装在被冷却空间的冷却器中，在此冷却器内与冷却问内物体进行热交换，同时气化、蒸发带走热负荷。

蒸发了的C02气体重新流入制冷单元的蒸发式冷凝器，又被冷凝开始下一次循环系统开始运行时，被冷却问内温度较高，通过调节C02的流速及空气冷却器上风机的转速调节载冷系统的压力，使压力维持一个较稳定的值。

当温度达到设定值后，制冷系统单元停止运行，C02载冷系统中的储液器中的压力会不断升高，当此压力上升到某一定值时，可以通过自控装置控制制冷系统单元的压缩机，使之运行制冷。

当出现事故，导致整个系统运行停止时，随着冷却间内温度不断升高，载冷系统中的压力不断升高，当压力达到某一定值时，载冷系统上的紧急安全阀打开，C02被排到环境中。

载冷循环制冷系统循环图图2 CO21-压缩机； 2-冷凝器； 3-膨胀阀； 4-蒸发式冷凝器5-储波器； 6-CO2液泵； 7-流量调节阀8-空气冷却器；9-风机； 10-紧急安全阀氨用C02载冷系统要求压力较局且较难控制，并且乙二醇、盐水等作为氨制冷系统载冷剂的技术已比较成熟，故氨用C02载冷剂系统在中国的研究几乎是一片空白。

国外对C02做为载冷剂系统的研究较早二并且此系统己在日本、欧洲等一些国家得到应用。

通过实际运行的情况看，氨用C02载冷系统能明显降低氨的充注量，以日本东京的一个采用氨用C02载冷系统的制冷量为 200kw 的食品 oh送中。

0为例‘」，其氨的充注量仅为 130千克，此系统己经安全可靠地运行了一年，据显示，此系统可以按照设计工况运行，COP值较高。

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e＠ONNHJc／，g《《制冷系统’‘，如图外，国外超市中还出现了一种多温区的N地儿。

巩，洲＿3所示，其本质就是一种NH3人02复叠式制冷系统与氨用C02载冷系统的组合，h于NH3儿02复叠式制冷系统能够制取较低的温度而氨用C02载冷能制取较高温度，把二者组合起来，用NH3八02复叠式制冷系统做为冷冻区，氨用C02载冷系统作为冷藏区，两系统通过一个C02，贮液器把两系统连接起来，系统的COPW以达到 2．l，但是系统也存在一个弊端，系统的配管较长，增加了系统的初投资。