氨制冷空调新技术的应用与发展趋势

氨制冷空调新技术的应用与发展趋势

1在冷冻冷藏中的应用近年来，由于氟乙醇氟乙醇对大气臭氧层的破坏和可环境影响的事实，世界上已完全禁止使用cfcs，并逐渐限制使用hcfcs制剂的共识。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,被国际社会重新认识和评价。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氨基冷缩法的新技术2.1低温制冷系统CO2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,CO2做为自然工质,无毒,不可燃,也不助燃,所以通过NH3/CO2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/CO2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/CO2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CO2,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,NH3/CO2复叠式制冷系统如图1所示。在NH3/CO2复叠式制冷系统中,利用CO2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CO2气体被普通的NH3制冷系统冷却及冷凝,即NH3制冷系统是该低温制冷系统的高温级。由于CO2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,CO2制冷剂的容积制冷量大约是NH3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CO2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,从宾西法尼亚州一冷藏库的运行情况来看,NH3/CO2复叠式制冷系统节能效果显著,满载情况下-31.7℃(-45℉)时,NH3/CO2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,NH3/CO2复叠式制冷系统与对应的二级氨系统相比,成本大约降低7%-8%。NH3/CO2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NH3/CO2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NH3/CO2复叠式制冷系统,目前,NH3/CO2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,如下表所示,至2003年国外已经安装了多套NH3/CO2复叠式制冷系统。NH3/CO2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CO2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对NH3/CO2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。2.2co载冷系统的原理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它。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-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。CO2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、1/506、1/4,具有非常好的输运特性,另外,CO2比热与导热系数都较大,同时可以利用液态CO2的相变来吸收热量,减少液态CO2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,CO2管道的截面积大约是NH3的1/8,减小了载冷设备的体积,同时,由于采用载冷系统也可使氨的充注量减少,所以CO2是替代传统载冷剂的理想工质。CO2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℃,0℃时,CO2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CO2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。CO2载冷循环系统包括NH3制冷循环系统、CO2储液器、液体CO2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,CO2在制冷单元中的蒸发式冷凝器中被冷凝,同时流入CO2的储液器,然后被泵吸入装在被冷却空间的冷却器中,在此冷却器内与冷却间内物体进行热交换,同时气化、蒸发带走热负荷。蒸发了的CO2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,被冷却间内温度较高,通过调节CO2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,CO2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,CO2被排到环境中。氨用CO2载冷系统要求压力较高且较难控制,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CO2载冷剂系统在中国的研究几乎是一片空白。国外对CO2做为载冷剂系统的研究较早,并且此系统已在日本、欧洲等一些国家得到应用。通过实际运行的情况看,氨用CO2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CO2载冷系统的制冷量为200kW的食品配送中心为例,其氨的充注量仅为130千克,此系统已经安全可靠地运行了一年,系统数据显示,此系统可以按照设计工况运行,COP值较高。另外,国外超市中还出现了一种多温区的NH3/CO2复合式制冷系统,如图3所示,其本质就是一种NH3/CO2复叠式制冷系统与氨用CO2载冷系统的组合,由于NH3/CO2复叠式制冷系统能够制取较低的温度而氨用CO2载冷能制取较高温度,把二者组合起来,用NH3/CO2复叠式制冷系统做为冷冻区,氨用CO2载冷系统作为冷藏区,两系统通过一个CO2贮液器把两系统连接起来,系统的COP可以达到2.1,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。2.3c、hcfcs冷水机组氨冷水机组可广泛用于宾馆、医院、影院、商场、机房、工厂的空气调节和工业生产的工艺冷却以及需要低温冷冻水的场所。过去,世界各国生产的冷水机组普遍采用CFCs、HCFCs作制冷工质,但由于国际上已达成完全禁用CFCs、逐渐限制使用HCFCs制冷剂的共识,CFCs及HCFCs冷水机组必将受到限制。1992年,德国的制冷设备制造企业研制成功了以氨为制冷剂的紧凑型冷水机组,以此为转折点,欧洲研发氨冷水机组的步伐明显加快。目前,氨冷水机组已经在欧洲开始应用,位于巴黎市中心的法国广播大厦就是采用了此种系统,并且已经安全运行多年。20世纪90年代,珠海机场就已经采用了由两台制冷量为400RT的氨制冷机组成的中央空调系统,向停机位的17架飞机供冷。氨冷水机组在珠海机场的应用也促使了我国《采暖通风与空气调节设计规范》对空气调节冷源部分由只采用氟里昂压缩机或溴化锂吸收式制冷机改为有限制的使用氨冷水机组,从中也可看出,氨冷水机组也是将来民用建筑中央空调系统冷源的一种应用趋势。氨的毒性及其可燃性是限制氨冷水机组在一些民用建筑或商用建筑中应用的最大障碍。但由于氨制冷系统的安全性方面取得了巨大进展,促使氨冷水机组技术有了巨大进步。2.3.1半封闭式压缩机由于存在运动部件,压缩机是氨泄露的主要部件。要想减少氨的泄漏,最好是制造无轴封的密封型压缩机。但因在密闭式压缩机中制冷工质能接触到电机线圈部分,所以就需要选用耐氨的铝质线圈,或者选用屏蔽电机,瑞典的SRM公司等正在研究开发大型的螺杆式封闭式压缩机,目前还没有产品出现。但是氨用半封闭式压缩机已经被开发出来,并已经投入使用,如图3所示,为屏蔽型半封闭氨压缩机用电动机,在定子铁心和转子之间嵌入一非磁性不锈钢屏蔽薄套筒,这样屏蔽套把转子侧的氨气与定子绕组以及空气实行隔离。国际上能生产氨用半封闭式压缩机的厂家有日本长谷川铁工所、前川制作所、奥地利FRIGOPOL等公司,我国对全封闭式或半封闭式氨用压缩机研究较少,目前还没有产品出现。2.3.2溶氨系统的配置润滑油是润滑、冷却、密封运动部件的介质,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。目前氨制冷系统的润滑油为矿物油,虽然其性能优良,但它的最大缺点是不能与氨相溶,因而氨系统不可缺少油分离器、集油器等设备,使氨系统的油路系统非常复杂、机组自动控制非常困难。目前国际上已开发出能溶于氨的合成润滑油-PAG油,利用此种可溶于氨的润滑油,不仅可以省去油分离器、集油器以及相应的管路,同时使干式蒸发器代替满液式蒸发器成为可能,从而减少了氨的充注量,从工程造价和操作维护方面也将得到相应的收益,而且可以使制冷系统更加简单、紧凑,这对开发小型氨制冷装置及简化现有的氨制冷系统非常有利。此种润滑油由氧丙烯基、氧乙烯基的烯化聚合物改性合成,通过实验可证明其性能优于酯型油和矿物油。其性能如表2所示。目前德国、日本等国对氨用可溶氨润滑油的研究较多,并投入使用,我国还没有展开对可溶氨润滑油的研究。2.3.3氨用热设备技术的进步2.3.3.焊接板式换热器现在应用比较普遍的就是橡胶圈密封板式换热器。但各种材料橡胶圈在氨和油的作用下都会有氨的泄露,一些公司对板式换热器进行了改进。瑞典的AlfaLaval公司实施每两片不锈钢板片用激光焊接成封闭模槽流道组,然后在组与组之间用橡胶封圈密封,由螺栓施加密封压力,这样就避免了传统方式中封闭氨的边框橡胶封圈,大大减少氨的渗漏。为杜绝氨的微量渗漏,该公司又研制了采用镍合金为焊料的焊接板式换热器。德国GEAECOFLREX公司在瑞典工厂生产采用99.99%铜钎料的焊接板式换热器,在氨的流通模槽流道中采用耐氨腐蚀涂层。板式换热器可以用做冷凝器、蒸发器、空气冷却器等,将可提高系统的COP。另外,通过微通道换热器也可减少换热器的管道尺寸,减少氨的充注量,从而增加系统的安全性。Litch等人成功地利用微通道换热器实现了15kW氨制冷系统世界最小充灌量。在已经投入运用的氨的冷水机组中应用的大部分是板式换热器。德国、瑞典等国在氨用换热器的研究方面,成果较为显著。我国在氨用换热器较为庞大,结构形式基本上维持原状,在氨用换热器的研究方面也几乎是一片空白。2.3.3.蒸发式冷凝器目前,风冷式冷凝器是欧洲、美国及日本在氨制冷空调领域的发展的一个趋势。随着氨制冷技术的不断提高,高效换热管的研制成功,氨制冷系统中风冷式冷凝器的应用范围不断增大,以安装在美国印地安纳州波利斯市的一冷库为例,通过控制冷凝器的最小冷凝温度和风机的转速,可以得到比蒸发式冷凝器高的性价比。另外,因组合式冷凝器具有蒸发式冷凝器与空冷式冷凝器的优点,它也开始在氨制冷系统中得到应用。其原理图如下图所示,制冷剂的气体在翅片盘管或翅片盘管与不带有翅片的混合盘管内流动。由于盘管上加了翅片,增大了换热面积,所以在不开冷却水喷淋系统时,系统仍能在较低环境温度下运行。只有当环境温度较高时,为达到一个较低的冷凝温度,可以通过调节蒸发的冷却水的量来调节冷凝温度,达到设定值。此种冷凝器使水资源的利用更加高效,是节能减排与氨系统安全可靠运行的理想冷凝器。由于氨制冷系统中可溶润滑油的研制成功及其换热效率的提高,氨制冷系统的干式蒸发器开始替代传统的满液式蒸发器,这样可以减少氨的充注量,增加了系统安全性。欧洲的盐水低温机组和冷水机组的蒸发器主要是采用成对焊接组装式不锈钢板式换热器。2.3.4氨制冷用阀件大型氨制冷系统中,采用电子膨胀阀直接膨胀供液方式,系统的氨的充注量为同规模氨泵供液系统的20%~50%,大大减少了安全隐患。因此,使用电子膨胀阀直接膨胀供液的氨系统既安全又环保。使用氨直接膨胀供液方式,其关键在于如何控制膨胀阀的供液量。由于氨的单位容积制冷量大、汽化潜热大,相同制冷量下需要的流量就比氟利昂小。如果采用手动节流阀手动调节,则不易控制供液量,供液量少了降温难以保证,供液量大了容易造成回气带液,压缩机湿冲程,系统也不稳定。采用热力膨胀阀、电磁阀自动调节的直接膨胀系统会好些,但如果系统波动大,就需要热力膨胀阀及时调整开启度,但由于热力膨胀阀没有这种功能,所以无法达到理想效果。并且由于供氨量少,多路盘管液体分配也不容易均匀。随着计算机微电子控制技术的不断发展,电子膨胀阀技术的进步,最近,国际上开发了氨用电子膨胀阀,氨专用液体分配器,克服了以往氨直接膨胀系统的不稳定的现象,使氨的直接膨胀供液应用更加广泛。2000年,我国在大连的一座水产品加工厂的氨制冷系统中第一次采用了DanFoss公司的氨电子膨胀阀,从而实现了直接膨胀供液,系统的安全性和控制方式及自动化程度得到了极大的提高,系统COP也得到了提高。用于氨的阀件的生产厂家主要有丹麦DanFoss、美国的ALCO公司,目前,氨制冷用阀件的发展趋势是模块化。把膨胀阀、过滤器等不同的控制阀件集中一个阀体上,通过更换不同的模块可以实现阀件的不同的功能,从而简化维修,并且DanFoss已有产品上市。另外,随着制造工艺的进步,阀件性能有了很大提高。比如,DanFoss的电动阀的全开全关转换可以达到仅用3秒钟的时间。另外,氨制冷系统的其他部件,如感震器、泄氨报警器、安全阀等的性能都有很大提高,为氨制冷系统的扩大应用提供了条件。3nh3/co复叠式制冷系统的应用展望氨是一种性能优良的制冷工质,目前限制氨制冷技术发展的因素主要来自安全和成本两个方面。要促进氨制冷技术的发展,必须避免氨的泄漏,减少氨的充注量,提高系统的制冷性能,降低运行成本。在氨制冷系统研发设计时首先考虑的是安全性,其次是提高系统的能效比,并沿着安全可靠、高效、小型化和自动化的设计思路,扩大氨制冷系统在制冷空调领域的使用范围。安全可靠由于氨具有一定的毒性和可燃性,在一定条件下存在爆炸的可能,因此必须减少氨的充注量、避免氨的泄露。使用板式换热器或微通道换热器、采用电子膨胀阀直接膨胀供液和可溶氨的润滑油可以使大型氨制冷系统简化,用氨量降低,安全性相应的得到保证。另外,全封闭压缩机的研制成功,也可避免氨的泄露,防止意外事故发生。NH3/CO2复叠式制冷系统与氨用CO2载冷系统可以避免氨制冷系统与食品、人群等直接接触,降低氨制冷系统的危险性,同时可以降低氨的充注量增加氨制冷系统的安全性。另外,NH3/CO2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,避免氨的泄露,用户只需要现场安装载冷剂系统即可,简单可靠。同时,NH3/CO2复叠式制冷系统与氨用CO2载冷系统可以在超市、冷库等民用与商用建筑中广泛应用。另外,在系统设计时,尽量少设阀门,杜绝产生液封,要实行全自动运转,在可能条件下实行计算机控制,节能运转。高效节能环保已成为当今制冷空调领域面临的重大课题,氨制冷系统同样也面临这个问题。要提高氨制冷系统的性能,首先要研发出氨用板式换热器和微通道换热器,另外用电子膨胀阀直接膨胀供液代替重力供液和氨泵强制供液,新型钎焊型热交换器和相溶性冷冻油的应用,使换热量比此前使用矿物油时增加了160%,体积也减少了。可以预见,随着对氨制冷剂强化传热技术、氨用金属材料和润滑油、高效氨用压缩机等科研成果的完善和加工工艺的进一步改进,氨制冷设备的整体质量将更有保障,运行能效比也将不断提高。小型化随着人们生活水平的提高,人们的安全意识也越来越强烈,30~40年以前曾普及的小型氨商用制冷系统已不能满足当今人们的需求,为促进氨制冷系统的广泛使用,必须进行氨用换热器的强化传热研究,缩小换热器尺寸,研发氨用电子膨胀阀和小型全封闭氨压缩机,同时通过优化设计,简化与完善制冷循环,实现氨制冷装置的小型化