CO2制冷剂在食品冷冻冷藏中的应用前景

周子成

1 引言

二氧化碳 (CO2)“自然制冷剂”是一种不燃,无毒,无致癌危险的制冷剂,它的ODP=0,GWP=1,是众所周知的环境友好型制冷剂。CO2在常温和大气压下存在于气态。目前,全球CO2的平均容积浓度约为百万分之390(390 ppm)。

CO2作为制冷剂具有悠久的历史。从19世纪50年代开始,已经对这种自然制冷剂在制冷系统中的性能进行了研究和测试。到19世纪90年代,CO2已成为世界各国冷冻冷藏和运输易腐食品的首选制冷剂。例如,肉类食品从阿根廷、新西兰和澳大利亚等地通过CO2冷藏船经历了几个星期的航程、跨越半个地球运输到欧洲消费地,这些冷冻肉类仍可与新鲜肉相媲美。在1900年,超过300艘CO2冷藏船从许多遥远的海岸运送肉制品到消费地。这一年,仅英国就进口了36万吨来自阿根廷、新西兰和澳大利亚的冷冻牛肉和羊肉。到1935年后,每年要运输百万吨肉类、奶制品、水果等食品到英国消费。CO2制冷剂在冷藏、冷冻和海洋运输食品的应用中取得了优势地位。在1930年统计,全世界采用CO2制冷剂的冷藏船已经占各种冷藏船总量的80%。

到了20世纪30年代,出现了氟里昂制冷剂。由于它的工作压力比CO2低,安全、无毒、不燃、与材料不起作用等优良性能,而相比之下,CO2的工作压力很高,系统的所有零部件都不能与氟里昂制冷系统的通用,使CO2很快被R22所取代。

到了20世纪70年代,美国科学家发现那些正在广泛使用的氟里昂制冷剂排放到大气中会破坏臭氧层和产生温室效应,使全球气候变暖,危害环境。据预测,在未来的100年里,地球表面大气的温度将上升1.5到4.5K。于是,在世界各国政府、科学家和企业家共同努力下,制定出了一系列消除这些危害的有效措施。包括从限制使用氟里昂制冷剂过渡到淘汰使用这些制冷剂。首先是对CFCs和HCFCs的限制和淘汰。从而使CO2再次成为一种被人们重视的制冷剂。

CO2在当前制冷系统中使用的优点是基于其合适的热物理性能:粘度低、导热性高、制冷剂蒸发/凝结潜热高、蒸汽密度高,容积制冷量高、系统压降小。这些优良的性能使蒸发器、冷凝器、气体冷却器中传热效果好,与CFCs和HFCs相比,CO2设备尺寸缩小,机组和系统结构紧凑。

目前,CO2制冷剂在制冷与空调中的应用主要有三方面:热泵热水器、汽车空调和食品冷冻冷藏。在热泵热水器中的使用已比较广泛和成熟,在一些国家中已经商业化。跨临界运行 (即热量在高于临界点排热)在热泵热水器中获得了成功应用,因为它有良好的温度滑移去适应水和超临界CO2之间的匹配,有利于提高性能系数 (COP)。在汽车空调、超市陈列柜,以及自动售货机中正在提倡使用CO2制冷剂。在大型工业系统中,CO2作为复叠系统的低温级制冷剂使用,通常以氨或R-507A作为高温级制冷剂。在中型商业系统中,CO2也用作复叠系统的低温级制冷剂,以HFCs或HFCs作为高温级制冷剂。CO2热泵热水器商业化的成功经验,对开发CO2冷冻冷藏制冷系统是很好的借鉴。

CO2具有良好的安全性能,从环境问题、安全问题和成本差异等方面比较,它应用在较大用量的冷冻冷藏领域中是很理想的流体,尤其是它的价格便宜。在全世界许多地区超市中的应用正变得越来越流行,发展前景十分广阔。

2 使用CO2的例子

表1列举了一些应用的例子。

表1 食品冷冻冷藏领域一些CO2应用的例子

在食品冷冻冷藏领域,以往使用的是常规制冷剂(CFC和HCFC),由于它们的GWP很高,会产生气候变暖的直接效应和间接效应,因此已被淘汰或限制使用。

CO2是一种良好的替代制冷剂,在瑞典,1995年安装了第一个CO2系统。到2000年,已经安装了制冷量从10kW至280kW的40台装置。

CO2制冷剂率先在欧洲使用,尤其是在北欧国家和意大利正在发展,大约有100台装置使用CO2。

在澳大利亚,第一个超市CO2制冷系统于2007年12月在德雷克斯投产使用。自2005年以来,大约30个商业制冷和食品加工设施已安装了复叠式CO2系统。

在英国,第二大百货连锁店New Asda超市于2010年安装了CO2制冷装置。

在德国,截至2010年1月,南德意志集团的所有食品零售商阿尔迪的新店安装了开利公司的CO2OLtecTM跨临界CO2制冷系统。开利公司在全球已经安装了100台CO2系统。

在美国和加拿大,第一个系统于2006年中期安装,截至2008年底,已有9个低温CO2系统是在美国和加拿大运行,所有的均为两级,制冷量从22kW至160kW。

在日本,2005年几乎所有的日本各大饮料公司已经开始购买使用天然制冷剂的售货机,它在市场上的累计数量已超过30 000台。

全世界使用CO2的可口可乐售货机在2007年有8 525台,2008年有40 000台,2010年有110000台。

3 食品冷冻冷藏中的CO2循环系统

CO2的临界点是31℃,当环境温度高时,若CO2向环境放热时的温度高于31℃,则放热过程在超临界进行,循环成为跨临界循环,如图1所示。当环境温度低时,若CO2向环境放热时的温度低于31℃,则放热过程在亚临界进行,循环成为亚临界循环。

图1 CO2在压-焓图上的三相状态

3.1 间接布置

CO2在以往的商业使用中,主要是用作冻结温度间接式系统的二次制冷剂。由于工作温度低,运行工况远离临界点,工作压力不很高。例如,CO2在-35℃时的压力约为1.2MPa。间接布置的回路是将CO2通过它的蒸发/冷凝器与一次制冷剂循环回路偶合,在蒸发/冷凝器中,一次制冷剂在一侧蒸发,CO2在另一侧冷凝。图2示出了CO2两种间接布置的基本回路。

图2 两种CO2间接布置基本回路图

在图2上只画出了二次回路的流程,未画出通过蒸发/冷凝器与它偶合的一次回路。在图2A布置中,CO2依靠泵在回路中循环流动,通过向低温冷冻食品的冷源吸热蒸发,再通过蒸发/冷凝器,向一次回路放热,使CO2冷凝成液体,回到贮存容器。在图2B布置中,CO2是流过连接两个封闭回路的容器。冷凝器将进入的干度约0.5的CO2气液混合物冷凝成饱和液体,传热效果较图2A要好一些。可以使流过冷凝器的CO2质量流量降低,从而具有较低的压降和温差。

图3表示了常规的DX系统 (A)和单级二氧化碳间接系统 (B)的流程图。与常规制冷剂的系统 (图3A)相比,这种CO2系统 (图3B)工作压力较高,其密度比其他制冷剂高,导致CO2在管道内的低流速,从而使压降和温度降很小,回路的管径和部件尺寸缩小,管道隔热层的热损失减小,制冷剂充注量减小,使陈列柜下方的管道更小,安装连接更方便。但是间接回路与常规的直接膨胀(DX)系统 (图3A)相比,在冷凝器/蒸发器有一个额外的温差,使压缩机需要在较低的蒸发温度下运行,因而要消耗更多的能量。

图3 常规的DX系统(A)和单级二氧化碳间接系统 (B)示意图

3.2 复叠系统

图4 CO2复叠系统的流程图

CO2作为复叠系统的低温级,已经在一些超市中应用并正在成为一个越来越有竞争力的替代系统。这种系统的高温级制冷剂通常是丙烷、氨或R404A。中温级(冷藏食品)和低温级(冷冻食品)使用CO2作为二次回路的制冷剂。如图4所示。

B和C是复叠式联接的替换布置方案。D和E为蒸发器的替换布置方案。

在复叠系统中,复叠式蒸发/冷凝器和蒸发器可以有不同的布置方案。蒸发/冷凝器可能是一个板式、壳板式或管壳式换热器。当CO2是用作中温位的制冷剂时,单容器可以作为积累液体的中温级和低温级回路的贮液器,冷凝是发生在蒸发器/冷凝器外面容器的地方,如图4A中标记复叠联接(I)。这个图显示了带有CO2作为低、中温位的复叠系统的原理图。

图4B和图4C是两个复叠联接的替换方案。在复叠联接 (I)中,降低低压级排气过热度的低温级循环,可以通过热气管路进入复叠式冷凝器前从容器闪发某些液体与其相混合来实现。另外可以是饱和蒸气进入复叠式冷凝器。如图4B中复叠联接(II)所示。作为第三种替换,所有的热量交换可以被安排在容器里,在那里只有高温级制冷剂是管内蒸发和CO2在贮液器内的管外冷凝和贮存在贮液器内,如图4C的复叠回路联接 (III)。

当中温位用盐水载冷剂而不是用CO2时,一次制冷剂可以被安排在两个不同的换热器中,提供中温和低温回路需要的冷量,如图5A、图5B所代表的复叠级联接,其中两个级都是通过载冷剂盐水循环连接。这意味着将有高温级蒸发和低温级冷凝之间的高温度差,它将会增加装置的能源消耗。尽管这种布置有明显的高温差的缺点,但这种布置仍然在一些装置中使用,两个冷藏柜用于低温和高温级,并由中温回路连接。

图5 一个载冷剂盐水作为中温水平制冷剂的复叠系统的示意图 (A和B是复叠联结替换布置)

对于直接膨胀的CO2低温蒸发器,可在其出口实现某些需要的过热度,如图4E。或可以在间接CO2回路中使用满液式蒸发器,如图4A中蒸发器的布置 (I)。这将导致更好的蒸发器传热,但将会带来额外的循环泵消耗微小的能量。

还有一种低温级蒸发器布置是如图4D所示。其中容器是用来过冷膨胀阀前的制冷剂,且制冷剂没有达到过热,而进入压缩机的蒸汽是饱和蒸汽。如在图4A和4D的蒸发器布置 (I)和 (II),对于温度非常低的长供给管和返回管,须要很好地予以隔热。满液式蒸发器的布置方式与在大型装置及工业制冷应用中的相似。

假设压缩过程为等熵压缩,对于运转在-8℃与-37℃和带有7℃过热的工况下,CO2在压缩机出口的温度是30℃左右,因此,可以使用一个在装置附近、自来水、房间或环境空气较冷的热汇将热量移去,从而降低了对高温级循环的制冷负荷,如图6所示。

图6 带有一个降低过热度换热器的复叠系统图

据报导,CO2制冷剂的复叠系统比常规系统的能源消耗要小。通常情况下,是与带盐水载冷剂的氨两级系统的间接系统或与R404A的DX系统相比较。在CO2系统中,高温级循环的制冷剂通常是丙烷、氨或R404A。如图7、图8和图9所示,从而可得出结论,当丙烷是用在高温级系统时,CO2与DX相比具有较好的能源消耗情况。当R404A的是用在高温级时,它具有较高的安装成本,但能源消耗明显降低,且R404A的充灌量小,从而使该系统的运行费用降低。

图7 丙烷/CO2利用重力循环的复叠系统图

图8 一个丙烷/CO2复叠的系统图

不同的CO2复叠式系统的安装成本不同。在氨一次回路的工业装置中,其成本几乎是与一个采用传统的氨二次液体的系统相同,如图9所示。

而在另一种情况,CO2复叠式的安装成本比R404A的DX系统高100%以上,对于使用丙烷作为一次制冷剂的系统,需要的安全预防措施将会增加安装成本。

在另一个例子中,一个具有丙烷和乙二醇在中温位的CO2复叠式系统的初始安装费,比一个R404A的DX系统增加了20%。

图9 CO2/氨复叠装置流程图

CO2是一种化学不活泼的物质,且与大多数其他物料不起反应作用,但CO2与润滑油的溶解性是一个需要考虑的问题,通常油是比液态CO2轻,浮在CO2液体表面上,因此难以将它们分开。

POE油是能与CO2相混合,能确保在蒸发器良好的流动性,但它与氨不兼容。PAO和AN油也能与CO2相混合,且与氨兼容。

CO2压缩机需要的油量远远小于氨压缩机需要的油量,这将节约运行成本。

3.3 单一CO2系统

整个系统中只使用CO2制冷剂的系统称为单一CO2系统。它与复叠式系统相比较的优点是没有蒸发/冷凝器,因而也就不存在蒸发/冷凝器的温差。其缺点是,高温级循环的冷凝压力会比使用常规制冷剂的系统高很多;例如在25℃时CO2的冷凝压力为6.5MPa,而R404A的冷凝压力为1.25MPa。当环境温度高时,则二氧化碳将在超临界的跨临界区域运行,如图1所示。

一般而言,较高的冷凝/冷却温度将导致COP的损失。对于在跨临界运行的循环,对应于不同环境温度是存在一个相应于最高COP的最佳值,如图10所示。

图10 最佳气体冷却器出口温度为40℃的压力曲线

这种系统最适合于在寒冷的气候或温度较低的热汇时工作。这时装置将主要在亚临界区运行。从而提高循环的整体效率。

为了减少在高温级CO2循环的压缩损失,可以使用带中间冷却器的二级压缩循环。通过附加的中间冷却器可实现降低最佳压力,并可以从中间冷却器移走一定的热量,这将有效地改善循环效率。图11表示了一个带中间冷却器和内部热交换器的CO2多级系统,在图4中所描述的不同蒸发器布置也适用于多级系统的替代系统。

图11 二氧化碳多级系统的示意图

另一种多级循环是在环境温度之间具有几个分开的CO2回路并联运行,在高温侧和中温以及其他方面的冻结温位,见图12。工作在环境温度和冻结温度之间的二氧化碳回路是一个带有中间冷却器和内部热交换的两级设备。如果环境温度在15℃以下,那么工作在中间温度和环境温度之间的回路可以是单级压缩,当环境温度较高时,则必须由带中间冷却器和内部热交换器的两级压缩来完成,以便不降低效率。

在带有 “完美”中间冷却的两级压缩CO2循环中,中间冷却器出口的制冷剂温度是假设等于环境温度。当在CO2临界点以上运行时,最佳中间压力不按照常规循环的关系。最佳中间压力比常规循环更高,且超过临界点,这是为了使中冷器移走有效的热量和通过高温压缩机的小焓差,使循环接近等温压缩。

只有单一CO2系统的成本至少比R404A系统高10%。

图13是另一种CO2跨临界系统原理图。从理论上分析,由于没有冷凝/蒸发器的温差,在一般情况下,单一CO2多级系统的COP要高于复叠式CO2系统。

4 不同低温系统流程的比较

下面列举两个分析比较的例子。它们是通过对实际装置试验测试和计算机仿真得出的。

4.1 例1

戴维·黑特 (David Hinde)等对图14所示的下列三种低温系统做了分析比较:

1)低温HFC DX(直接膨胀)系统;如图14中左面的系统。是一个现有系统,以它作为比较的基准线;

2)低温CO2二次冷却剂系统,如图14中的中间一个系统;

3)低温CO2DX(直接膨胀)复叠系统,如图14中的右面一个系统。

图14所表示的1)的HFC DX基线系统和2)的低温HFC系统只是一种低温系统,它可以被几种常规的中温系统冷却。

图14 三个低温系统基本管路配置分析

低温HFC DX基线系统回路和管道尺寸是基于当前生产的现有回路的配置。对各种CO2系统是专门选择了管道尺寸作为当前分析的基础,在两个系统蒸发器中分别安装了环型控制阀,而不是HFC系统常用的蒸发器压力调节器。所有管道均采用需要厚度的专用铜管,且所有管道均假设处在建筑围护结构内和恒定的环境温度为24℃的空调空间内运行。

对每个系统通过管道从环境传入热量 (得热量)进行了分析。如图15所示。分析表明,CO2二次冷却剂系统的管道温度较低,HFC DX系统由于管径较大并且安装的铜管较长,具有较高的得热量。CO2复叠系统由于管径较小和管温较高导致得热量进一步减少。

图15 进入低温系统分布管道的得热量

表2综合了每种类型系统铜管的安装长度和铜管重量。对低温CO2复叠系统除了单吸气组外,增加了一个双吸气组配置,以便比较。从表2看出,CO2系统与HFC基线系统相比,安装铜管的长度降低了52%至55%,安装重量减少了73%至79%。

表2 每种类型系统铜管的安装长度和铜管重量

至于CO2的复叠系统中单组和双组的比较,可明显看出,单组比双组节省相当小 (安装长度减少7%,安装铜管重量减少了4%)。

图16表示了分析中用到所选择城市的天气数据。

图17表示了CO2系统相对于HFC系统的能耗比较。图18表示了所分析的不同系统管道有、无得热量对能耗的影响。

图16 对所选城市的天气数据

图17 相对于HFC系统的能耗比较

4.2 例2

下列三个系统是在2007年3月开始运行的超市系统。设计低温制冷量为10kW(-30℃)和中温制冷量24kW(-10℃)。

1)R404A系统

R404A系统是作为参考用的标准系统,以便和CO2系统进行比较。具有中、低温并行系统。已运行了两年,未出现问题。

2)复叠系统

复叠系统高温级使用R410A制冷剂。冷凝器为板式换热器,与干式蒸发器相匹配。中温和低温是由两个平行系统提供,它们具有一个公共的冷凝器。CO2系统使用了LG的R410A压缩机,将它转换成CO2压缩机。

该系统在测试之前已运行了大约一年,一直没有出现问题。

图18 所分析的不同系统管道有、无得热量对能耗的影响

3)亚临界系统

亚临界系统的设计是一个带有中压贮液器和高压压缩机吸入侧之间旁通的增压系统。该系统安装后在2007年3月1日开始运行。

图19 整个时期的能量消耗

图20 三个系统能量消耗的比较

对上述三个系统进行了测试,其能量消耗见图19。图20是对这三个系统的能量消耗比较,可以看出,它们彼此很接近。复叠式的能量消耗大约是R404A系统的99%。CO2亚临界系统的能量消耗约是R404A系统的96%左右。

5 结论

自然制冷剂CO2是一种安全、环保的制冷剂,它具有独特的相变特性。在一般情况下运行的制冷循环是跨临界循环。当在冷冻冷藏领域内作为复叠式循环的低温级运行时,它是处在亚临界循环,工作压力比跨临界循环有明显降低,是当前替代CFCs、HCFCs和HFCs的理想制冷剂,有着广阔的应用前景。相信在不久的将来会在我国超市中出现。

[1] David Hinde,Shitong Zha,Lin Lan:Carbon Dioxide In North American Supermarkets.ASHRAE Journal,Vol.51,February 2009

[2] Transcritical CO2system in a small supermarket,REFRIGERATION&AIR CONDITIONING DIVISION,Danfoss,Danfoss A/S(RA Marketing/MWA),Dec.2008

[3] Jaime Arias etc.,Effektivare Kyla En inventering,KHT energiteknik 2004