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氨制冷系统小型化存在哪些问题?如何解决?

  一、氨制冷剂性质

  1.1 氨制冷剂的特性

  (1)氨属于天然制冷剂,具有良好的热力学性能和热物理性质;

  (2)全球变暖潜能值(GWP)和臭氧消耗潜能值(ODP)为零;

  (3)密度为0.771 g/L,临界温度132.4 ℃,融点-77.7 ℃,沸点-33.5℃,常温下冷凝压力一般为1.1 MPa~1.3 MPa。

  (3)导热系数大,传热性能良好,汽化潜热大,在标准大气压力下为1164 kJ/kg,单位标准容积制冷量大约为2175.68 kJ/m3。

  (4)氨液价格低,对比R22和R134a,2022年3月,1吨液态氨为4000~5000元,1吨R22制冷剂要18000元左右,1吨R134a要27000元左右。

  (5)应用较早。早在2013年,美国氨在工业冷冻中使用超过95%,应用于食品与饮料加工和冷冻冷藏业。

  (6)有毒性:人吸入氨气时会出现流泪、呼吸困难等情况;

  (7)可燃性:在空气中浓度达到16%~25%时,遇明火可能会发生燃烧和爆炸;

  但氨制冷剂已有多年应用历史,其安全等级为B2。氨有强烈刺激性气味,发生泄露时容易发现。同时,氨气密度小于空气,容易上升,当发生氨泄漏事故可通过通风排气及喷淋装置及时除去空气中的氨。通过对氨系统进行规范设计、施工、操作,可保证氨系统的安全性、可靠性。

  1.2 氨制冷剂与其他制冷剂的对比

  (1)氨的潜热极高,在-15 ℃时汽化潜热是R22的6.4倍,是R410A的5.5倍,因此在单位质量流量上比蒸汽压缩制冷系统中使用的卤代烃制冷剂的制冷效果都好。

  (2)氨的气体密度相对较低,这是由于其分子量低,与较重的碳氟化合物制冷剂相比,压缩机吸气体积有所增加,但是把潜热和密度的结合来看,在相同典型工作条件下氨的单位体积制冷效果比R134a高约60%。

  (3)氨的声速远高于所有其他制冷剂,在-10 ℃时,氨的声速为397.5 m/s,而R134a为146.9 m/s,R404A为143.4 m/s,这意味着管道、阀门和配件的设计气体流速可以更高,且不会造成过度的损失;对压缩机设计产生积极影响,进气口和排气阀的效率损失要比其他制冷剂低得多。

  (4)与氟碳类制冷剂相比,氨制冷剂受水和油等污染物的影响更小。水会积聚在系统的低压侧,对系统效率产生不利影响,但不会使氨系统停工,而R22系统中多余的水可能会在膨胀阀结冰形成冰堵使系统无法工作。

  1.3 安全性   

  (1)氨制冷剂极易泄露,一旦泄露很容易发生危险;

  (2)氨对铜和橡胶具有腐蚀性,因此氨制冷系统密封需要使用专门的高效密封件。

  (3)氨极易溶于水,可以使用水来处理氨泄露,使之变成氨水,氨水可以作为高效载冷剂等进行再利用。

  日本制冷委员会对168件氨系统泄漏事件统计发现,人为操作事故高达45%,要提高系统自动化水平,加强工作人员专业素质,尽量降低事故发生概率。

  二、氨制冷系统应用

  氨制冷系统辅助设备较多,系统相对复杂,但是对大负荷下制冷工况变化的适应能力较强,所以广泛应用于食品行业的低温速冻及低温贮藏环节:如屠宰及速冻加工常用-40 ℃~-25 ℃的速冻间、0 ℃左右的高温冷藏库等。在冷库规模大、负荷高时,都可以采用氨系统直接或间接的冷却方式。

  氨制冷在国内已有多年应用历史,自1955年,我国建造第一个4万吨大型冷库起,氨制冷系统一直是我国大中型冷库建造的首选。但受限于当时的技术水平,在氨制冷系统安全控制和自控方面很落后。但对比当地卤代烃类制冷系统的冷库,氨系统冷库在能效方面依然具有一定的优势。

  2.1 将氨制冷剂集中于机房的应用

  有研究者介绍了以CO2为载冷剂的氨制冷系统原理,该系统大大减少了氨制冷剂的充注量,且氨制冷剂只存在于机房中,将人员密集区和机房分离开,防止氨污染产品且提高了系统的安全性。

  CO2为自然工质,作为载冷剂具有不燃不爆、对人和环境无害、价格低廉的特点,且CO2泵运送功率低,管道尺寸小,传热性好,无腐蚀性,与传统非相变载冷剂相比,成本更低。CO2的传热性能良好,因此可以设计高效紧凑的换热设备,降低系统耗能。

  目前商用CO2做载冷剂的氨制冷系统已经在大型商场和部分工业制冷领域应用。氨在复叠式制冷系统中也有良好的应用。氨作为氨/CO2复叠式制冷系统的高压级,CO2作为低压级,CO2容积制冷量较高,系统具有良好的性能,并且系统将氨集中在机房,所以氨/CO2复叠式制冷系统环保安全,广泛应用在制冷行业多个领域。

  2.2 氨制冷剂在低品位能源方面的应用  

  FarayiMusharavati等人将氨-水吸收式制冷系统和地热发电结合进行热电联产,发电的同时还为建筑提供冷量,提高了系统整体效率。

  Muammer Ozgoren等人研究了土耳其南部地区太阳能驱动的氨-水吸收式制冷装置,制冷需求和太阳辐射强度是一致的,这是太阳能制冷的最大优势,光照越强、冷负荷越大,系统的制冷量就越大。但太阳能吸收式制冷系统需要高性能集热器,才能使系统高效运行,并降低集热器面积。

  S. Du 等人研制了一种用于柴油机排气余热利用的氨水吸收式制冷装置。主动开放式热管技术可以保证在排气条件快速变化的情况下平稳运行。冷凝和吸收过程结合在一起,并通过循环预冷溶液进行冷却,高密度喷淋增强传热和传质。此外,所有部件均采用了高比表面积的小直径管束换热器,这种设计加上组合单元使系统体积变小。

  实验结果表明:

  该样机的新颖设计是建立紧凑、可靠、高效的氨水吸收式制冷系统的有效途径。世界上许多研究小组都在研究利用发动机尾气以及燃料电池的余热驱动汽车上的制冷或空调装置。为了使汽车应用的蒸汽吸收式制冷系统成功商业化,需要开发体积更小的各种制冷系统设备,可以安装在不同类型的车辆上。

  Staedter和Garimella开发了基于微通道换热器技术的小型制冷机,其制冷量为7 kW,所开发系统的总体积为0.28 m3,可以在多种场景使用。汽车尾气或燃料电池产生的热量用于制冷,不仅可以提高整个系统的效率,还可以间接降低碳排放量。

  2.3 氨制冷系统低充注量应用  

  研究案例一:

  José Antonio Expósito Carrillo等人对一种用于中温工业应用的新型超低充注量风冷式制冷机的制冷剂充注量和性能进行了实验分析。

  该设备采用了多项新技术,如微通道冷凝器、半密封螺杆压缩机、可互溶润滑剂、单级油分离器等用于降低氨制冷剂充注量,并且评估了氨充注量对系统性能的影响,结果表明:

  存在一个最佳充注量,可使机组的制冷能力和性能系数最大化,在最大制冷量约为233 kW的情况下氨充注量为17.5 kg,即比装料量为75 g/kW。此系统较普通氨系统性能提升20%,系统的超低氨充注量可以减少与泄漏相关安全问题,且运行维护成本也降低。

  研究案例二:

  江森自控提出了创新氨冷库超低充注解决方案。采用集中式制冷系统和远程分布式冷凝模块,将冷凝器置于冷库上方附近,减少了制冷剂从冷凝器到冷库液体管路长度,增加了制冷剂从压缩机到冷凝器气体管路长度,整个系统的氨充注量降低至0.2 kg/kW~0.4 kg/kW,氨充注量可减少80%~95%。

  研究案例三:

  Senthilkumar等人评估了一种分布式超低氨充注量(ULC)制冷机组,与现有设施中同工况的集中式机房系统相比,它使用相互耦合的部件和电子控制喷射器制冷等技术,可使设备中氨的充注量减少了98%,即使最坏的情况下氨泄漏量也不足一百磅(45 kg)。

  该评估将ULC配置的初始成本、能源使用效率、用水量、操作和维护成本与等效的集中机房系统进行了比较。使用ULC配置可以将能量消耗减少7%,水使用量减少3%。能源和水的成本降低,再加上运营和维护相关的节约,对ULC技术的投资可以在3年内收回成本。

  该研究表明ULC系统是一种有效的替代技术,可降低工业制冷方面的成本,对人身安全和环境效益也有帮助。

  研究案例四:

  姜亚琳等人介绍了啤酒制冷系统中节能和安全措施,利用峰谷电蓄冷技术降低生产成本,用变蒸发温度来制取生产原料,使用U型气液分离器、虹吸式储液器减少系统氨的充注量;通用富士也设计了低充注氨系统啤酒冷冻站且已经投产,将原31吨的氨充注量降低至7.5吨(10吨以上被列为重大危险源),该系统完全自控,高效安全,可以供饮料生产等用冷行业借鉴。

  2.4 氨制冷系统应用相关国家标准  

  使用氨制冷剂,其安全性是需要重视的。设计氨制冷系统时,工艺、安全和对环境产生影响等要求必须考虑,尽量减少氨的充注量,系统更要满足温度、制冷量和能效的要求。

  要加强氨液泄露的检测,《冷库设计标准》中要求:“采用氨为制冷剂时,当空气中氨气浓度达到1.5×10-4时,氨气指示报警设备发出的报警信号应能自动启动制冷设备间或制冷阀站间的事故排风机,并应将报警信息传送至相关制冷机房的控制室进行显示和报警”。

  制冷机房排风装置、照明灯具应为防爆型,且事故排风装置独立供电不受设备影响。冷库材料方面规定不仅要保温隔湿,还要满足防火要求选用难燃材料。氨制冷系统在设计应用时,应该严格按照相关标准。

  三、氨制冷系统小型化存在的问题

  为促进氨制冷系统的小型化,必须研发出高效小型氨用压缩机,强化换热器的传热性能,缩小换热器尺寸的同时优化设计,简化与完善制冷循环。去除或缩小贮液器、气液分离器等压力容器以降低氨充注量,实现氨制冷装置的集成化和小型化。

  3.1 压缩机

  氨制冷剂极易泄漏,要想低充注量系统稳定运行,压缩机需要有严格的密封性;氨对铜具有腐蚀性,压缩机电机中的铜线圈不可以和氨制冷剂接触。

  如今已开发出半封闭式单机双级螺杆压缩机:

  (1)福建雪人的SRS系列使用特殊材料可有效防止氨对电机的腐蚀,提高安全性和密封性并使其整体结构更加紧凑。半封闭压缩机相比传统氨压缩机来说,由于压缩机和电机之间无需机械密封,可以最大限度地减少泄漏。

  (2)比泽尔新推出的ACP系列氨螺杆压缩机组,这个系列可以提供多种功率和配件以满足不同情况下的制冷要求。新型氨制冷压缩机的出现,可以解决氨制冷压缩机腐蚀、泄漏等问题,对氨制冷系统的小型化的发展起积极的作用。

  3.2 润滑油

  润滑油是运动部件润滑、冷却、密封的介质,是保证制冷压缩机安全、可靠运行,延长使用寿命的重要条件,润滑油的性质对制冷系统的影响很大。

  近年来,许多企业和科研人员都在探索氨制冷系统中润滑油问题,采用互溶润滑油可以解决回油问题,提高蒸发器的传热效率。

  (1)Chaddock和Buzzard发现,直径为13.39 mm的氨换热管中加入不互溶润滑油使传热热阻提高了7倍。

  (2)Boyman等人研究发现,在直径为14 mm的管道中,不到1%的不互溶油也会导致流动沸腾平均传热系数(HTC)的严重减小。

  这些研究人员将其归因于不互溶油作为额外的一层热阻粘附在管壁上。前人研究表明,不互溶润滑油对流动沸腾HTC有负面的影响。

  (3)Gao等人研究了互溶润滑油对8 mm管中流动沸腾HTC的影响。结果显示,互溶油对传热也有不利影响,但其影响明显低于不互溶油。此外还研究了R717混合油在4毫米光滑管内的流动沸腾换热特性,通过实验结果和分析,揭示了不同浓度油对传热的影响。

  在低油浓度(即1.99%)的整个蒸气干度区域和在较高油浓度(即3.99%和5.78%)的低蒸气干度区域中,HTC几乎不受油的影响。

  然而,当蒸气干度高时,较高的油浓度会导致传热略有下降,这主要是由于与无油状态相比,氨-油混合物的热导率明显降低。所以和不互溶油相比,与氨互溶的润滑油可以提高氨制冷系统的效率,让系统更加简化,对系统产生积极作用。

  目前已研发出了与氨相容的润滑油,但国内大部分氨制冷系统并未应用。如Ar Chine Ammotech  NTG 46润滑油。

  3.3 换热器及其它设备

  整个氨制冷系统需要多个换热设备,制冷剂在蒸发器中吸热蒸发,氨的管路内流动沸腾换热系数对换热器的效率有很大影响。

  (1)Yuping Gao等人研究了氨在水平小直径管内沸腾时的传热和压降特性,实验结果表明,流动沸腾换热系数随着蒸汽干度和热流密度的增加而增大。在低干度区域,质量流量越大,换热系数越高;

  而在低饱和温度下,高干度区域的换热系数则相反。虽然从目前技术来说,小型氨制冷系统通过使用紧凑的热交换器(如板式蒸发器(>700 m2/m3))来减少制冷剂的充注量,但这些热交换器的成本较高。

  (2)Garcia-Valladares等人对一种外置低翅片管的壳管式蒸发器进行数值和实验评估。结果表明,在发展中国家,这种表面积与体积比为270.7 m2/m3蒸发器是替代昂贵的紧凑式换热器和传统的光滑管壳式蒸发器的中间解决方案。蒸发器是制冷系统的重要组成部分,高效可靠的换热器往往可以明显提升系统效率,有利于降低氨充注量。

  (3)冰轮环境生产的U-turn气液分离器的可以替代传统圆筒型氨液分离器,减少压降损失,降低气液分离器内的氨量。随着对氨制冷系统研究工作的深入,涌现出了越来越多的科研成果、专利,氨制冷系统的性能和安全性也将不断提高。

  四、结束语

  结合氨制冷技术存在的问题和政策,分析我国的氨制冷技术发展趋势并提出建议,供相关技术人员参考。

  (1)国内存在大量老旧氨制冷系统,急需对其改进,发挥它们的能效和环保优势,而非使用卤代烃制冷系统替代。

  (2)氨制冷系统的小型化在冷链技术中有非常重大的意义,小型化氨制冷系统可以安装在冷链运输车、船舶以及田间冷库等,系统方便高效且不会对环境造成破坏。

  (3)目前已经有多项技术可以实现系统低充注量,这是解决安全问题的关键因素之一。氨制冷技术的合理运用,不仅对环保产生积极作用,而且由于氨制冷系统的高效性,也会产生良好的经济效益。

标签: 氨制冷  

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