氨制冷系統(tǒng)小型化存在哪些問(wèn)題？如何解決？

　　一、氨制冷劑性質(zhì)

　　1.1 氨制冷劑的特性

　?。?）氨屬于天然制冷劑，具有良好的熱力學(xué)性能和熱物理性質(zhì)；

　?。?）全球變暖潛能值(GWP)和臭氧消耗潛能值(ODP)為零；

　　（3）密度為0.771 g/L，臨界溫度132.4 ℃，融點(diǎn)-77.7 ℃，沸點(diǎn)-33.5℃，常溫下冷凝壓力一般為1.1 MPa～1.3 MPa。

　?。?）導(dǎo)熱系數(shù)大，傳熱性能良好，汽化潛熱大，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下為1164 kJ/kg，單位標(biāo)準(zhǔn)容積制冷量大約為2175.68 kJ/m3。

　?。?）氨液價(jià)格低，對(duì)比R22和R134a，2022年3月，1噸液態(tài)氨為4000～5000元，1噸R22制冷劑要18000元左右，1噸R134a要27000元左右。

　?。?）應(yīng)用較早。早在2013年，美國(guó)氨在工業(yè)冷凍中使用超過(guò)95%，應(yīng)用于食品與飲料加工和冷凍冷藏業(yè)。

　　（6）有毒性：人吸入氨氣時(shí)會(huì)出現(xiàn)流淚、呼吸困難等情況；

　?。?）可燃性：在空氣中濃度達(dá)到16%～25%時(shí)，遇明火可能會(huì)發(fā)生燃燒和爆炸；

　　但氨制冷劑已有多年應(yīng)用歷史，其安全等級(jí)為B2。氨有強(qiáng)烈刺激性氣味，發(fā)生泄露時(shí)容易發(fā)現(xiàn)。同時(shí)，氨氣密度小于空氣，容易上升，當(dāng)發(fā)生氨泄漏事故可通過(guò)通風(fēng)排氣及噴淋裝置及時(shí)除去空氣中的氨。通過(guò)對(duì)氨系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)范設(shè)計(jì)、施工、操作，可保證氨系統(tǒng)的安全性、可靠性。

　　1.2 氨制冷劑與其他制冷劑的對(duì)比

　?。?）氨的潛熱極高，在-15 ℃時(shí)汽化潛熱是R22的6.4倍，是R410A的5.5倍，因此在單位質(zhì)量流量上比蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)中使用的鹵代烴制冷劑的制冷效果都好。

　?。?）氨的氣體密度相對(duì)較低，這是由于其分子量低，與較重的碳氟化合物制冷劑相比，壓縮機(jī)吸氣體積有所增加，但是把潛熱和密度的結(jié)合來(lái)看，在相同典型工作條件下氨的單位體積制冷效果比R134a高約60％。

　?。?）氨的聲速遠(yuǎn)高于所有其他制冷劑，在-10 ℃時(shí)，氨的聲速為397.5 m/s，而R134a為146.9 m/s，R404A為143.4 m/s，這意味著管道、閥門和配件的設(shè)計(jì)氣體流速可以更高，且不會(huì)造成過(guò)度的損失；對(duì)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)產(chǎn)生積極影響，進(jìn)氣口和排氣閥的效率損失要比其他制冷劑低得多。

　?。?）與氟碳類制冷劑相比，氨制冷劑受水和油等污染物的影響更小。水會(huì)積聚在系統(tǒng)的低壓側(cè)，對(duì)系統(tǒng)效率產(chǎn)生不利影響，但不會(huì)使氨系統(tǒng)停工，而R22系統(tǒng)中多余的水可能會(huì)在膨脹閥結(jié)冰形成冰堵使系統(tǒng)無(wú)法工作。

　　1.3 安全性   

　　（1）氨制冷劑極易泄露，一旦泄露很容易發(fā)生危險(xiǎn)；

　?。?）氨對(duì)銅和橡膠具有腐蝕性，因此氨制冷系統(tǒng)密封需要使用專門的高效密封件。

　　（3）氨極易溶于水，可以使用水來(lái)處理氨泄露，使之變成氨水，氨水可以作為高效載冷劑等進(jìn)行再利用。

　　日本制冷委員會(huì)對(duì)168件氨系統(tǒng)泄漏事件統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，人為操作事故高達(dá)45%，要提高系統(tǒng)自動(dòng)化水平，加強(qiáng)工作人員專業(yè)素質(zhì)，盡量降低事故發(fā)生概率。

　　二、氨制冷系統(tǒng)應(yīng)用

　　氨制冷系統(tǒng)輔助設(shè)備較多，系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，但是對(duì)大負(fù)荷下制冷工況變化的適應(yīng)能力較強(qiáng)，所以廣泛應(yīng)用于食品行業(yè)的低溫速凍及低溫貯藏環(huán)節(jié)：如屠宰及速凍加工常用-40 ℃～-25 ℃的速凍間、0 ℃左右的高溫冷藏庫(kù)等。在冷庫(kù)規(guī)模大、負(fù)荷高時(shí)，都可以采用氨系統(tǒng)直接或間接的冷卻方式。

　　氨制冷在國(guó)內(nèi)已有多年應(yīng)用歷史，自1955年，我國(guó)建造第一個(gè)4萬(wàn)噸大型冷庫(kù)起，氨制冷系統(tǒng)一直是我國(guó)大中型冷庫(kù)建造的首選。但受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，在氨制冷系統(tǒng)安全控制和自控方面很落后。但對(duì)比當(dāng)?shù)佧u代烴類制冷系統(tǒng)的冷庫(kù)，氨系統(tǒng)冷庫(kù)在能效方面依然具有一定的優(yōu)勢(shì)。

　　2.1 將氨制冷劑集中于機(jī)房的應(yīng)用

　　有研究者介紹了以CO2為載冷劑的氨制冷系統(tǒng)原理，該系統(tǒng)大大減少了氨制冷劑的充注量，且氨制冷劑只存在于機(jī)房中，將人員密集區(qū)和機(jī)房分離開(kāi)，防止氨污染產(chǎn)品且提高了系統(tǒng)的安全性。

　　CO2為自然工質(zhì)，作為載冷劑具有不燃不爆、對(duì)人和環(huán)境無(wú)害、價(jià)格低廉的特點(diǎn)，且CO2泵運(yùn)送功率低，管道尺寸小，傳熱性好，無(wú)腐蝕性，與傳統(tǒng)非相變載冷劑相比，成本更低。CO2的傳熱性能良好，因此可以設(shè)計(jì)高效緊湊的換熱設(shè)備，降低系統(tǒng)耗能。

　　目前商用CO2做載冷劑的氨制冷系統(tǒng)已經(jīng)在大型商場(chǎng)和部分工業(yè)制冷領(lǐng)域應(yīng)用。氨在復(fù)疊式制冷系統(tǒng)中也有良好的應(yīng)用。氨作為氨/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的高壓級(jí)，CO2作為低壓級(jí)，CO2容積制冷量較高，系統(tǒng)具有良好的性能，并且系統(tǒng)將氨集中在機(jī)房，所以氨/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)環(huán)保安全，廣泛應(yīng)用在制冷行業(yè)多個(gè)領(lǐng)域。

　　2.2 氨制冷劑在低品位能源方面的應(yīng)用  

　　FarayiMusharavati等人將氨-水吸收式制冷系統(tǒng)和地?zé)岚l(fā)電結(jié)合進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)，發(fā)電的同時(shí)還為建筑提供冷量，提高了系統(tǒng)整體效率。

　　Muammer Ozgoren等人研究了土耳其南部地區(qū)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的氨-水吸收式制冷裝置，制冷需求和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度是一致的，這是太陽(yáng)能制冷的最大優(yōu)勢(shì)，光照越強(qiáng)、冷負(fù)荷越大，系統(tǒng)的制冷量就越大。但太陽(yáng)能吸收式制冷系統(tǒng)需要高性能集熱器，才能使系統(tǒng)高效運(yùn)行，并降低集熱器面積。

　　S. Du 等人研制了一種用于柴油機(jī)排氣余熱利用的氨水吸收式制冷裝置。主動(dòng)開(kāi)放式熱管技術(shù)可以保證在排氣條件快速變化的情況下平穩(wěn)運(yùn)行。冷凝和吸收過(guò)程結(jié)合在一起，并通過(guò)循環(huán)預(yù)冷溶液進(jìn)行冷卻，高密度噴淋增強(qiáng)傳熱和傳質(zhì)。此外，所有部件均采用了高比表面積的小直徑管束換熱器，這種設(shè)計(jì)加上組合單元使系統(tǒng)體積變小。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

　　該樣機(jī)的新穎設(shè)計(jì)是建立緊湊、可靠、高效的氨水吸收式制冷系統(tǒng)的有效途徑。世界上許多研究小組都在研究利用發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣以及燃料電池的余熱驅(qū)動(dòng)汽車上的制冷或空調(diào)裝置。為了使汽車應(yīng)用的蒸汽吸收式制冷系統(tǒng)成功商業(yè)化，需要開(kāi)發(fā)體積更小的各種制冷系統(tǒng)設(shè)備，可以安裝在不同類型的車輛上。

　　Staedter和Garimella開(kāi)發(fā)了基于微通道換熱器技術(shù)的小型制冷機(jī)，其制冷量為7 kW，所開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的總體積為0.28 m3，可以在多種場(chǎng)景使用。汽車尾氣或燃料電池產(chǎn)生的熱量用于制冷，不僅可以提高整個(gè)系統(tǒng)的效率，還可以間接降低碳排放量。

　　2.3 氨制冷系統(tǒng)低充注量應(yīng)用  

　　研究案例一：

　　José Antonio Expósito Carrillo等人對(duì)一種用于中溫工業(yè)應(yīng)用的新型超低充注量風(fēng)冷式制冷機(jī)的制冷劑充注量和性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。

　　該設(shè)備采用了多項(xiàng)新技術(shù)，如微通道冷凝器、半密封螺桿壓縮機(jī)、可互溶潤(rùn)滑劑、單級(jí)油分離器等用于降低氨制冷劑充注量，并且評(píng)估了氨充注量對(duì)系統(tǒng)性能的影響，結(jié)果表明：

　　存在一個(gè)最佳充注量，可使機(jī)組的制冷能力和性能系數(shù)最大化，在最大制冷量約為233 kW的情況下氨充注量為17.5 kg，即比裝料量為75 g/kW。此系統(tǒng)較普通氨系統(tǒng)性能提升20%，系統(tǒng)的超低氨充注量可以減少與泄漏相關(guān)安全問(wèn)題，且運(yùn)行維護(hù)成本也降低。

　　研究案例二：

　　江森自控提出了創(chuàng)新氨冷庫(kù)超低充注解決方案。采用集中式制冷系統(tǒng)和遠(yuǎn)程分布式冷凝模塊，將冷凝器置于冷庫(kù)上方附近，減少了制冷劑從冷凝器到冷庫(kù)液體管路長(zhǎng)度，增加了制冷劑從壓縮機(jī)到冷凝器氣體管路長(zhǎng)度，整個(gè)系統(tǒng)的氨充注量降低至0.2 kg/kW～0.4 kg/kW，氨充注量可減少80%～95%。

　　研究案例三：

　　Senthilkumar等人評(píng)估了一種分布式超低氨充注量(ULC)制冷機(jī)組，與現(xiàn)有設(shè)施中同工況的集中式機(jī)房系統(tǒng)相比，它使用相互耦合的部件和電子控制噴射器制冷等技術(shù)，可使設(shè)備中氨的充注量減少了98%，即使最壞的情況下氨泄漏量也不足一百磅（45 kg）。

　　該評(píng)估將ULC配置的初始成本、能源使用效率、用水量、操作和維護(hù)成本與等效的集中機(jī)房系統(tǒng)進(jìn)行了比較。使用ULC配置可以將能量消耗減少7%，水使用量減少3%。能源和水的成本降低，再加上運(yùn)營(yíng)和維護(hù)相關(guān)的節(jié)約，對(duì)ULC技術(shù)的投資可以在3年內(nèi)收回成本。

　　該研究表明ULC系統(tǒng)是一種有效的替代技術(shù)，可降低工業(yè)制冷方面的成本，對(duì)人身安全和環(huán)境效益也有幫助。

　　研究案例四：

　　姜亞琳等人介紹了啤酒制冷系統(tǒng)中節(jié)能和安全措施，利用峰谷電蓄冷技術(shù)降低生產(chǎn)成本，用變蒸發(fā)溫度來(lái)制取生產(chǎn)原料，使用U型氣液分離器、虹吸式儲(chǔ)液器減少系統(tǒng)氨的充注量；通用富士也設(shè)計(jì)了低充注氨系統(tǒng)啤酒冷凍站且已經(jīng)投產(chǎn)，將原31噸的氨充注量降低至7.5噸（10噸以上被列為重大危險(xiǎn)源），該系統(tǒng)完全自控，高效安全，可以供飲料生產(chǎn)等用冷行業(yè)借鑒。

　　2.4 氨制冷系統(tǒng)應(yīng)用相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)  

　　使用氨制冷劑，其安全性是需要重視的。設(shè)計(jì)氨制冷系統(tǒng)時(shí)，工藝、安全和對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響等要求必須考慮，盡量減少氨的充注量，系統(tǒng)更要滿足溫度、制冷量和能效的要求。

　　要加強(qiáng)氨液泄露的檢測(cè)，《冷庫(kù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中要求：“采用氨為制冷劑時(shí)，當(dāng)空氣中氨氣濃度達(dá)到1.5×10-4時(shí)，氨氣指示報(bào)警設(shè)備發(fā)出的報(bào)警信號(hào)應(yīng)能自動(dòng)啟動(dòng)制冷設(shè)備間或制冷閥站間的事故排風(fēng)機(jī)，并應(yīng)將報(bào)警信息傳送至相關(guān)制冷機(jī)房的控制室進(jìn)行顯示和報(bào)警”。

　　制冷機(jī)房排風(fēng)裝置、照明燈具應(yīng)為防爆型，且事故排風(fēng)裝置獨(dú)立供電不受設(shè)備影響。冷庫(kù)材料方面規(guī)定不僅要保溫隔濕，還要滿足防火要求選用難燃材料。氨制冷系統(tǒng)在設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)，應(yīng)該嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

　　三、氨制冷系統(tǒng)小型化存在的問(wèn)題

　　為促進(jìn)氨制冷系統(tǒng)的小型化，必須研發(fā)出高效小型氨用壓縮機(jī)，強(qiáng)化換熱器的傳熱性能，縮小換熱器尺寸的同時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化與完善制冷循環(huán)。去除或縮小貯液器、氣液分離器等壓力容器以降低氨充注量，實(shí)現(xiàn)氨制冷裝置的集成化和小型化。

　　3.1 壓縮機(jī)

　　氨制冷劑極易泄漏，要想低充注量系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，壓縮機(jī)需要有嚴(yán)格的密封性；氨對(duì)銅具有腐蝕性，壓縮機(jī)電機(jī)中的銅線圈不可以和氨制冷劑接觸。

　　如今已開(kāi)發(fā)出半封閉式單機(jī)雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)：

　?。?）福建雪人的SRS系列使用特殊材料可有效防止氨對(duì)電機(jī)的腐蝕，提高安全性和密封性并使其整體結(jié)構(gòu)更加緊湊。半封閉壓縮機(jī)相比傳統(tǒng)氨壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，由于壓縮機(jī)和電機(jī)之間無(wú)需機(jī)械密封，可以最大限度地減少泄漏。

　　（2）比澤爾新推出的ACP系列氨螺桿壓縮機(jī)組，這個(gè)系列可以提供多種功率和配件以滿足不同情況下的制冷要求。新型氨制冷壓縮機(jī)的出現(xiàn)，可以解決氨制冷壓縮機(jī)腐蝕、泄漏等問(wèn)題，對(duì)氨制冷系統(tǒng)的小型化的發(fā)展起積極的作用。

　　3.2 潤(rùn)滑油

　　潤(rùn)滑油是運(yùn)動(dòng)部件潤(rùn)滑、冷卻、密封的介質(zhì)，是保證制冷壓縮機(jī)安全、可靠運(yùn)行，延長(zhǎng)使用壽命的重要條件，潤(rùn)滑油的性質(zhì)對(duì)制冷系統(tǒng)的影響很大。

　　近年來(lái)，許多企業(yè)和科研人員都在探索氨制冷系統(tǒng)中潤(rùn)滑油問(wèn)題，采用互溶潤(rùn)滑油可以解決回油問(wèn)題，提高蒸發(fā)器的傳熱效率。

　　（1）Chaddock和Buzzard發(fā)現(xiàn)，直徑為13.39 mm的氨換熱管中加入不互溶潤(rùn)滑油使傳熱熱阻提高了7倍。

　　（2）Boyman等人研究發(fā)現(xiàn)，在直徑為14 mm的管道中，不到1%的不互溶油也會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)沸騰平均傳熱系數(shù)（HTC）的嚴(yán)重減小。

　　這些研究人員將其歸因于不互溶油作為額外的一層熱阻粘附在管壁上。前人研究表明，不互溶潤(rùn)滑油對(duì)流動(dòng)沸騰HTC有負(fù)面的影響。

　?。?）Gao等人研究了互溶潤(rùn)滑油對(duì)8 mm管中流動(dòng)沸騰HTC的影響。結(jié)果顯示，互溶油對(duì)傳熱也有不利影響，但其影響明顯低于不互溶油。此外還研究了R717混合油在4毫米光滑管內(nèi)的流動(dòng)沸騰換熱特性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析，揭示了不同濃度油對(duì)傳熱的影響。

　　在低油濃度（即1.99%）的整個(gè)蒸氣干度區(qū)域和在較高油濃度（即3.99%和5.78%）的低蒸氣干度區(qū)域中，HTC幾乎不受油的影響。

　　然而，當(dāng)蒸氣干度高時(shí)，較高的油濃度會(huì)導(dǎo)致傳熱略有下降，這主要是由于與無(wú)油狀態(tài)相比，氨-油混合物的熱導(dǎo)率明顯降低。所以和不互溶油相比，與氨互溶的潤(rùn)滑油可以提高氨制冷系統(tǒng)的效率，讓系統(tǒng)更加簡(jiǎn)化，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生積極作用。

　　目前已研發(fā)出了與氨相容的潤(rùn)滑油，但國(guó)內(nèi)大部分氨制冷系統(tǒng)并未應(yīng)用。如Ar Chine Ammotech  NTG 46潤(rùn)滑油。

　　3.3 換熱器及其它設(shè)備

　　整個(gè)氨制冷系統(tǒng)需要多個(gè)換熱設(shè)備，制冷劑在蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)，氨的管路內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱系數(shù)對(duì)換熱器的效率有很大影響。

　?。?）Yuping Gao等人研究了氨在水平小直徑管內(nèi)沸騰時(shí)的傳熱和壓降特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，流動(dòng)沸騰換熱系數(shù)隨著蒸汽干度和熱流密度的增加而增大。在低干度區(qū)域，質(zhì)量流量越大，換熱系數(shù)越高；

　　而在低飽和溫度下，高干度區(qū)域的換熱系數(shù)則相反。雖然從目前技術(shù)來(lái)說(shuō)，小型氨制冷系統(tǒng)通過(guò)使用緊湊的熱交換器（如板式蒸發(fā)器（>700 m2/m3））來(lái)減少制冷劑的充注量，但這些熱交換器的成本較高。

　?。?）Garcia-Valladares等人對(duì)一種外置低翅片管的殼管式蒸發(fā)器進(jìn)行數(shù)值和實(shí)驗(yàn)評(píng)估。結(jié)果表明，在發(fā)展中國(guó)家，這種表面積與體積比為270.7 m2/m3蒸發(fā)器是替代昂貴的緊湊式換熱器和傳統(tǒng)的光滑管殼式蒸發(fā)器的中間解決方案。蒸發(fā)器是制冷系統(tǒng)的重要組成部分，高效可靠的換熱器往往可以明顯提升系統(tǒng)效率，有利于降低氨充注量。

　　（3）冰輪環(huán)境生產(chǎn)的U-turn氣液分離器的可以替代傳統(tǒng)圓筒型氨液分離器，減少壓降損失，降低氣液分離器內(nèi)的氨量。隨著對(duì)氨制冷系統(tǒng)研究工作的深入，涌現(xiàn)出了越來(lái)越多的科研成果、專利，氨制冷系統(tǒng)的性能和安全性也將不斷提高。

　　四、結(jié)束語(yǔ)

　　結(jié)合氨制冷技術(shù)存在的問(wèn)題和政策，分析我國(guó)的氨制冷技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)并提出建議，供相關(guān)技術(shù)人員參考。

　　（1）國(guó)內(nèi)存在大量老舊氨制冷系統(tǒng)，急需對(duì)其改進(jìn)，發(fā)揮它們的能效和環(huán)保優(yōu)勢(shì)，而非使用鹵代烴制冷系統(tǒng)替代。

　?。?）氨制冷系統(tǒng)的小型化在冷鏈技術(shù)中有非常重大的意義，小型化氨制冷系統(tǒng)可以安裝在冷鏈運(yùn)輸車、船舶以及田間冷庫(kù)等，系統(tǒng)方便高效且不會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞。

　?。?）目前已經(jīng)有多項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低充注量，這是解決安全問(wèn)題的關(guān)鍵因素之一。氨制冷技術(shù)的合理運(yùn)用，不僅對(duì)環(huán)保產(chǎn)生積極作用，而且由于氨制冷系統(tǒng)的高效性，也會(huì)產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。