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| 冷庫氨制冷系統的現狀與發展趨勢解析 |
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冷庫氨制冷系統的現狀與發展趨勢解析
最近幾年,以氨為代表的天然制冷劑受到了越來越多的制冷科技工作者的青睞,人們對氨制冷劑開始重新評價,并已投入大量的人力物力,致力于氨的安全性能和制冷系統及其設備技術的研究。一些具有核心技術的氨制冷設備、控制元器件等已研發并批量生產,為冷庫氨制冷系統的技術進步創造了有利條件。如何更廣泛地加快氨制冷系統的研究與應用,已成為全世界制冷科技工作者的重要課題之一。
以下內容分析了國內外冷庫氨制冷系統的應用現狀和存在的問題、氨制冷技術的發展趨勢和應逐步解決的問題提出我國在氨制冷技術方面需進一步開展的工作。
一、氨制冷劑的主要特點
氨在一百多年前已被用作制冷工質，目前仍是很重要的中溫制冷工質之一。其正常蒸發溫度為-33.4℃使用范圍是5℃-70℃，當冷卻水溫度高達30℃時冷凝器中的工作壓力一般不超過15kg/cm2。壓力比較適中。 氨的臨界溫度較高tkr132℃氨的汽化潛熱大，在大氣壓力下為327.5kcal/kg，單位容積制冷量也大，所以氨制冷壓縮機的尺寸可以較小。
純氨對潤滑油無不良影響。但有水分時會降低冷凍油的潤滑作用。氨易溶于水，在常溫下一個單位容積的水可以溶解700個單位，容積的氨因此排除了系統形成冰塞的可能性。 純氨對鋼鐵無腐蝕作用，但當氨中含有水分時將腐蝕銅及銅合金（磷青銅除外），故在氨制冷系統中對管道及閥件不得采用銅及銅合金。
氨的蒸汽無色有強烈的刺激臭味。氨對人體有較大的毒性，當氨液飛濺到皮膚上時會引起凍傷。當空氣中氨蒸汽的容積濃度達到0.50.6時可引起中毒。因此車間內空氣中氨的濃度不得超過0.02mg/L。
氨在常溫下不易燃燒，但加熱至530℃時則分解為氮氣和氫氣氫與空氣中的氧混合會發生爆炸。
氨在其安全性分類中屬于B2類制冷劑。在《爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范》中規定為ⅡAT級，在《建筑設計防火規范》中規定為乙類即氨屬于最低爆炸危險等級。這些特點都使其應用受到了一定的限制，所以不宜用于民用建筑的空調冷源系統。
氨與礦物基潤滑油和PAO潤滑油不相容，故隨排汽進入制冷系統的冷凍油易在換熱壁上形成油膜影響換熱。且因氨的密度比潤滑油小，潤滑油沉積在制冷系統的管道、容器的底部故通常采用滿液式蒸發器和氨泵供液，形式并結合采用油分離器和集油器等設備，通過手動與自動控制使潤滑油安全返回壓縮機。為保證潤滑油的潤滑特性必須采取相應的冷卻措施。
氨容易制造，價格低廉，便于購買。其廣泛應用于蒸發溫度在-65℃以上大型、中型、活塞式、螺桿式制冷系統中。
二、冷庫氨制冷系統的應用現狀
2.1 制冷系統
氨制冷系統在食品冷凍冷藏領域多為直接制冷系統。但也有少量間接制冷系統。采用間接制冷系統主要是從安全角度考慮，在特大型的貯藏果蔬的冷庫中為防止氨制冷劑泄漏，于冷卻物冷藏間內、且盡量減少系統的用氨量，采用以氨為制冷劑、乙二醇為載冷劑的間接制冷系統。
近年來各地已開始應用NH3和CO2的復疊式制冷系統。其高溫級采用NH3，低溫級采用CO2，避免了因地震等意外原因可能導致的氨在庫房內意外泄漏而影響貯存食品的安全問題，同時也減少了整個制冷系統的用氨量提高了冷庫系統的安全性。
現階段氨制冷系統的供液方式多為直接膨脹供液、重力供液和氨泵強制供液且系統自控能力較強。
我國在上個世紀50年代以前，為食品冷凍冷藏配置的氨制冷系統多為直接膨脹供液，從70年代開始我們開始自行研制，并從國外引進制冷自控元件，直接膨脹供液逐步被重力供液和氨泵強制供液所取代。80年代后，以可編程序控制器PLC及用PLC組成的集散式控制系統，DCS控制系統控制的采用氨泵強制供液方式的全自動或半自動氨制冷系統開始逐漸投入使用。
2.2 制冷部件
目前在氨制冷系統中，制冷壓縮機多為活塞式和螺桿式制冷壓縮機。前者出現較早使用廣泛，其優點在于使用方便、運行可靠、管理經驗成熟冷量范圍大、單位制冷量耗電量較低加工較簡單造價較為低廉，維修方便。其缺點是壓縮機體積大、易損部件多，單臺制冷量相對較低。而螺桿式壓縮機的結構簡單、體積小、易損部件少、重量輕振動小容積效率高、具有能量調節，其缺點是單位冷量耗電比活塞式稍高，噴油冷卻使潤滑油系統復雜而龐大，耗油高，噪聲大，螺桿的加工精度要求高。相對而言因螺桿式壓縮機能方便地控制排氣溫度，在氨制冷系統中將會更加廣泛地應用。
在上世紀80年代以前，殼管式換熱器應用較為普遍。但是其質量、占地面積、換熱性能及拆卸靈活性等不如板式換熱器。板式換熱器應用于氟利昂系統已有20余年的歷史，此前未在氨系統中應用的根本原因是焊接釬料含有銅。近年來隨著社會經濟和科學技術的發展，為減少系統中氨的充灌量，人們又傾向于使用板式換熱器，因此在傳統板式換熱器的基礎上進行了大量改進，可作為冷凝器、蒸發器、油冷卻器、過冷換熱器和載冷劑冷卻器等。如瑞典的Alfa Laval公司，實施每兩片不銹鋼板片用激光焊接成封門模槽流道組，然后在組與組之間用橡膠封圈密封，有螺栓施加密封壓力這樣就避免了傳統方式中封閉氨的邊框橡膠封圈，大大減少氨的滲漏，為杜絕氨的微量滲漏該公司又研制了采用鎳合金為焊料的焊接板式換熱器。德國GEAECOFLREX公司在瑞典工廠生產99.99銅釬料的焊接板式換熱器SUS316板片在氨的流通模槽中采用耐氨腐蝕涂層其****工作壓力溫度分別達3.0MPa/200℃。 為減少制冷系統中氨的使用量，90年代的歐洲和美國在氨制冷空調領域開始采用風冷冷凝器，隨著蒸發式冷凝器的節能優勢及防腐除垢技術的提高，目前蒸發式冷凝器已成為應用主流，采用干式蒸發器取代傳統的滿液式蒸發器，可減少氨充灌量90%-95%，在食品冷凍裝置（食品單體速凍裝置、螺旋式食品速凍裝置、食品平板式凍結裝置、網帶單體速凍裝置、板帶單體速凍裝置、全流態化速凍裝置、隧道式超低溫速凍裝置等）中采用干式蒸發器，直接或間接冷卻食品，將大副削減氨制冷劑的充灌量，提高氨制冷系統的安全性。[本文轉自：www.ggba.cc]
2.3 潤滑油
潤滑油是潤滑、冷卻、密封運動部件的介質，是制冷壓縮機安全、可靠運行延長使用壽命的重要條件。目前氨制冷系統的潤滑為礦物質油，雖然其性能優良，但它的****缺點是不能與氨相溶，因而氨系統不可缺少油分離器、集油器等設備，使氨系統的油路系統非常復雜、機組自動控制非常困難，使用氨充灌量少的干式蒸發器困難重重。欲在氨制冷系統中使用干式蒸發器或簡化油路系統，就必須找到與氨相溶潤滑油如PAG油。
目前國際上已開發出能溶于氨的合成潤滑油。據報道，在日本前川制作所開發的新型分體式氨制冷劑冷水機組中，采用了與氨互溶的潤滑油，這樣氨制冷系統不僅可以省去油氨分離器、集油器以及相應的管路，而且從工程造價和操作維護方面也將得到相應的收益，同時可以使制冷系統更加簡單、緊湊這對開發小型氨制冷裝置及簡化現有的氨制冷系統非常有利。
三、冷庫氨制冷系統中存在的問題
3.1 理論上認識不足、重視不夠
氨制冷壓縮機在我國較早地得到發展，為我國的工業、食品冷凍冷藏發揮了重大作用，但發展緩慢，尤其研發成果較少。以利用余熱的吸收式制冷來說，溴化鋰吸收式制冷技術的研究很多，而能夠制取零度以下的氨水吸收式制冷機等卻很少有人研究，到目前為止國內雖有一些就氨制冷在冷凍冷藏等方面應用性的文章，但很少見到關于氨制冷技術研發方面有關氨制冷劑的強化傳熱傳質技術，也很少有研究報道，而氨冷水機組的研究制造幾近空白。
3.2 設計、操作中存在不足
我國對氨制冷技術的應用一直沒有中斷，積累了很多氨制冷系統及裝置的應用經驗，但還缺乏對氨制冷系統的理論和綜合性的研究。在現行的《冷庫設計規范》GB50072-2001和設計手冊中，有關氨制冷系統的計算公式等，尚采用大量的經驗系數，經理論計算和實驗驗證的數據相對較少。
長期以來氨的毒性和可燃性被人為夸大了。一是由于氨的氣味具有強烈的刺激性，二是發生過一些氨泄漏及管路爆裂等事故。分析事故原因完全可以從設計、工程安裝和操作上避免。一些事故是由于操作人員缺乏有關技術知識，工人未經培訓就上崗、專業素質較差、不遵守操作規程等所致，大多數事故是操作不當導致的，另一方面，非正規安裝單位安裝工程無法保障安裝質量，還有設備制造質量問題也是導致事故的重要原因。對此有關機構也加強了這方面國家標準的立項工作。
3.3 防護措施相對較弱
根據氨的要求，除了必備的穩步還應不斷完善其防護措施。安全措施在以往的氨制冷系統設計中考慮得較為周全，且得到不斷完善。如系統雙安全閥的使用、壓力控制器在系統壓力超過規定值的報警停機、液位控制器的正常液位控制及超高液位報警停機、《氨制冷系統安裝工程施工及驗收規范》SBJ12-2000對管路焊接和系統氣密性試驗的要求等。但是國內氨制冷系統的安全措施相對較弱，雖然在以往的設計中設有緊急泄氨器但缺乏連鎖控制，且防護要求和必備設施也不夠完備。如美國的氨制冷系統根據系統的用氨量，設置有不同容量的水罐和相應的控制系統，以備事故時的緊急泄氨應急和措施，在機房或可能需要檢修的地方如低壓循環桶、氨泵附近設有手拉式沐浴器和洗臉水盆用于人身防護，在機房和庫房內均設有吊頂消防噴淋裝置，由獨立的水系統組成，一旦發生泄漏立即供水處理被泄漏房間。該防護系統由設在易漏氨區域的漏氨檢測儀時時監控確保氨制冷系統在緊急事故時的人員與設備安全、做到萬無一失。
四、冷庫氨制冷系統的發展趨勢
氨制冷系統的應用已有百余年歷史，應該說人們對其優缺點都有足夠的認識。當前為推進我國制冷空調產業可持續發展和環保、節能步伐，氨作為一種性能優良的天然制冷劑在制冷行業有很強的優勢。氨制冷系統在安全應用的基礎上將會有很大的發展空間。
4.1 氨制冷設備的質量和能效將得到提高
隨著研究工作的不斷深入一些科研成果、專利技術不斷涌現。隨著對氨制冷劑強化傳熱技術用金屬材料和潤滑油、高效氨用壓縮機等科研成果的完善和加工工藝的進一步改進，氨制冷設備的整體質量將更有保障，運行能效比也將不斷提高。
4.2氨制冷系統將機組化、小型化。
為促進氨制冷系統的廣泛使用，必須進行氨用換熱器的強化傳熱研究，縮小換熱器尺寸，研發氨用電子膨脹閥和小型全封閉氨壓縮機，同時通過優化設計簡化與完善制冷循環，實現氨制冷裝置的機組化和小型化。
4.3大型氨制冷系統將進一步簡化。
與氨相溶的潤滑油開發成功后，在設計中就可省去油氨分離器、集油器以及管路和閥門，通過氨膨脹閥或氨電子膨脹閥便可省去低壓循環桶等一些附屬設備。如此設計師們便可采用氟利昂制冷系統的設計思路來進行氨制冷系統設計，并在氨制冷系統的高壓側采用機電一體化的設計思路，氨制冷系統便可得到進一步的簡化。
4.4氨制冷系統控制將更趨自動化。
21世紀的控制技術、計算機網絡技術、遠程監控等為系統的自動控制提供了相應的技術支持和保證，也為氨制冷系統的全自動控制提供了發展空間。自動化問題涉及到油的開發、氨用電子節流閥的研制、系統循環設計、制冷系統的靜態與動態特性等問題，而這些問題的逐步解決將推進氨制冷系統的自動化進程，對制冷系統的高效節能運行、制冷系統的安全使用和安全防護、降低生產成本等都將帶來新的變革。
4.5 氨制冷系統的安全性、可靠性將更加完善。
安全措施和防護措施兼備是氨制冷系統安全使用的必備條件。隨著控制元件控制及其精度和質量的不斷提高，安全措施也將得到進一步保障。由于氨屬于天然易溶于水，形成的氨水可成為農田的肥料，通過合理的技術手段將危險事故的處理轉化為合理、有益的應用。有這些安全防護措施再加上嚴格氨的使用、操作、維護規程，加強氨系統管理人員的培訓，氨制冷系統的應用將更加完善。
4.6 氨制冷技術的應用范圍將更加廣泛。
隨著適用于氨系統的新材料的開發，制冷設備質量和效率的不斷提高，制冷系統機組化、小型化，大型氨制冷系統的簡化自動化控制程度不斷提高以及氨制冷劑使用安全性更有保障，氨在制冷技術的應用領域將更加廣泛。 [本文轉自：www.ggba.cc]
五、總體結論
我國氨制冷技術的發展趨勢及今后的研究方向
5.1 在氨核心設備螺桿式制冷壓縮機生產技術有重大突破的基礎上，不斷加強氨用換熱器的傳熱技術研究，不斷研發適合各種制冷環境需要的高效換熱器等設備，研發氨用電子膨脹閥和與氨互溶的潤滑油以提高系統的整體性能 。
5.2 研發適用于氨制冷系統的新材料、深化小型氨制冷壓縮機的研發，加強氨制冷循環及其運行特性，研究提高自動控制水平，實現氨制冷裝置的機組化、小型化和自動化及大型氨制冷系統的簡化 。
5.3 加強氨制冷系統的安全保護及防護措施，在系統設計中通過優化系統、采用板式換熱器、采用氨直接膨脹供液方式、采用NH3/CO2復疊式制冷循環等措施減少氨的用量，提高操作系統維修人員的技術水平，減少因操作帶來的氨泄漏，在防護系統中設置應急水系統及氨回收系統以應對突發事故的發生。
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| 來源：互聯網 |
作者：互聯網 |
日期：2014年5月16日 |
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