自然制冷剂氨与二氧化碳

2013-09-13周子成

制冷 2013年1期

周子成

1 引言

近年来,自然制冷剂二氧化碳 (CO2)在我国的应用逐渐增多,除了在二氧化碳热泵热水器和汽车空调领域外,在食品冷冻冷藏业也逐渐增多。CO2一直被看作是一个适合于替代HFC应用于超市低温制冷装置的制冷剂,因为它具有高的容积制冷量、制冷剂充灌量比HFC低、制冷剂成本比HFC低。预计实现CO2系统后,每年的平均电力消耗可节省25%。由于节约能源,CO2系统提供了一个较短的投资回收周期,使食品零售商的较高安装成本能够在较短时期内回收。

世界上第一套冷库用NH3/CO2复叠式制冷系统是在1992年出现,安装在英国的Glasgow一家超市中,用于食品冷冻冷藏。之后,在欧洲的英国、法国、德国、荷兰、瑞士等国,以及美国、日本和澳大利亚等国的冷冻冷藏业中的应用相继增多。据统计,自1993年至2003年,在法国、英国、荷兰、德国、澳大利亚、挪威、美国等建立的NH3/CO2复叠式制冷系统已有10余套装置。

在我国,2012年大连正在建设中国的第一个采用NH3/CO2复叠式式制冷系统的冷藏物流基地,同一年,在山东省威海市也成功地安装了一套NH3/CO2复叠式制冷系统,上述设备均为螺杆式机组,由烟台冰轮集团与西安交通大学合作研发,烟台冰轮集团制造。

此外,许多外国在中国的食品零售商如乐购(Tesco)和家乐福,消费品牌如雀巢和可口可乐公司,都在中国的市场中增加他们采用CO2的制冷设备。英国零售商乐购在中国北京、上海、嘉善和厦门开设的购物中心,均采用了NH3/CO2复叠式制冷装置;其中2013年1月10日在福建省厦门市开设的超市,是乐购在厦门购物商场的一部分;乐购商场占地约14408平方米,是在该地区最大的购物中心;通过一系列的节能技术,如NH3/CO2制冷系统和LED照明,使商场节省了高达25%的使用能源,每年减少122万千瓦小时的电力消耗,节省17 699吨碳排放量。最近,雀巢公司在哈尔滨市安装了CO2低温冷库制冷系统。家乐福在中国的商店正在考虑使用CO2制冷系统。

在美国,CO2/NH3制冷系统在新建冷库中的应用也日益增多。据统计,自2006年以来,美国已建了50多个 CO2作载冷剂的NH3/CO2装置,自2008年以来,已建立了超过25个NH3/CO2复叠式制冷装置。其中在宾夕法尼亚州的美国冷库公司(USCS)设施是美国使用的第一个公共冷藏库(PRW),采用NH3/CO2复叠式制冷系统和高效率的热交换器,使氨的充灌量大大降低,而且使氨只限于在机房内流动。该系统与传统的制冷方式相比,可获得更低的运营成本。CO2作为低温侧制冷剂和NH3作为高温侧制冷剂,操作压力可保持在一个相对低的水平,并允许吸入压力低至相应于-53.8℃的饱和温度,比氨更有效。氨系统仅用于冷凝二氧化碳系统中的二氧化碳气体。费城冷库是美国第二个采用NH3/CO2装置的大型冷库,2004年设计,2005年投产运行。可贮存30000个标准托盘,约4万吨物品。有18米公路月台和14米铁路月台。此外,在加利福尼亚州和佛罗里达州也建立了类似的冷藏配送中心。在印第安纳州的USCS公共冷库已开始运行,这项耗资38亿美元的设施,提供一套从产品存储订单处理和当地区域配送的完整服务。

在日本,到2008年已超过100个NH3/CO2装置在运行。例如,安装在西友百货 (沃尔玛)配送中心的NH3/CO2系统中,CO2载冷剂系统的冷量为210kW,蒸发温度-40℃,NH3充灌量130kg,CO2充灌量1100kg,CO2泵消耗功率4.4kW。

2 自然制冷剂CO2和NH3

2.1 二氧化碳 (CO2)

CO2按照命名规则称为R744,它有以下性质:

(1)ODP=0(臭氧消耗潜能值);

(2)GWP=1(全球气候变暖潜能值);

(3)不易燃;

(4)没有毒性,但仍然需要采取相应的安全措施;

(5)低粘度:泵的流量小;

(6)容积制冷量高,相当于R22和NH3的5～8倍以上;可采用小管径的管道;

(7)适度的压力:大多数泵系统在40～45 bar。

液态二氧化碳作为载冷剂 (间接)代替乙二醇或盐水是优秀的,尽管液体CO2的工作压力 (约4MPa)是超出了典型的制冷系统中的高压力侧压力范围,但是,当它工作在-50℃至+10℃范围时,不超过现代液压系统所用的压力。虽然在设计上有一定的挑战,但是对于专为使用CO2的系统,这些挑战都是可以克服的。

二氧化碳是无色,无味,比空气重。二氧化碳的安全分类 (相同于大多数氟碳制冷剂)等级为A1,表明它具有低毒性,不可燃。

二氧化碳制冷剂在大气中寿命长,不会导致严重影响环境的任何副产物的生成或衰变产物。

二氧化碳对常用的制冷系统的某几种润滑油兼容,它不适合用于多元醇酯 (POE)和聚乙酸乙烯醚(PVE)润滑油,它只有限地与聚亚烷基二醇(PAG)润滑油兼容。

虽然它被普遍认为是一个便宜和容易获得的制冷剂,CO2制冷系统仍然只在较小的食品储存和加工行业使用,尤其是在那些对氨的使用受到限制的地区。

CO2的工业制冷设备在发达国家中的市场份额是10%,目前在发展中国家中几乎是0%。

2.2 氨 (NH3)

NH3按照命名规则称为R717,它有以下性质:

(1)ODP=0;

(2)GWP=0。氨是工业制冷系统最常见的制冷剂,尤其是在食品与饮料加工和存储业。

在美国,目前,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。在一些欧洲国家,氨享有很高的占有率,因为它是公认的作为经济上可行、环境友好、非常节能的制冷剂。

氨是一种无色气体,在大气压力下,大气中寿命短,它不形成任何对环境的负面影响的副产物或分解产物。

氨是与一些常用的制冷系统的润滑剂相容。但它特别不适合用于POE和PVE润滑油,它只有限地适用PAG润滑油。

传统上,氨为基础的工业制冷设备应用于食品加工和保鲜等行业,由于其相对较低的投资成本,加上出色的经营业绩,在发达国家80%以上的工业冷冻和冷藏业——与二氧化碳和碳氢制冷剂复叠——使用氨制冷设备,而在发展中国家的市场份额为40%。在食品加工行业,氨可以应用于鱼类、肉类和家禽加工厂、糖果工厂、新鲜的牛奶和奶制品生产设施,以及在酿酒厂和啤酒厂。

从地理分布看,NH3系统主要用于美国、北欧、中欧和西欧。中国和印度也使用NH3系统。

尽管NH3具有无可争议的能源效率的优势,但由于它有较高的毒性和低可燃性,氨被限制在某些应用区域中,而被禁止在人们居留空间内使用,但可以用在非居留区域或外部。

然而近年来,为了尽可能地减少对人类健康的风险,出台了很多预防措施,尤其是对于在人口密集的地区的氨装置。这些措施包括使用氨与其他制冷剂耦合,以减少和隔离氨的影响,例如,在载冷系统采用先进的安全设备、部署围堵外壳和氨吸收系统。

氨具有强烈的气味,使泄漏容易检测。需要额外的安全设备,显然会增加成本,但是,从长远来看,氨装置所节约的能源和维护费用将有可能超过初投资的增加。

由于世界各地大型设施受到越来越严格的安全法规管制,以及受到氨装置尺寸大小和制冷剂充灌量的限制,大型设施的业主开始将氨与一个载冷剂如二氧化碳 (CO2)耦合使用,使这种系统的氨制冷剂充灌量比单一的氨系统减少了90%。

各国对使用氨制冷系统的业主和运行者设立了严厉的法规。在美国,达到或超过一定充灌量限值的氨设备,必须向当地应急规划委员会报告。此外,达到或超过此限值的氨设备,必须向美国环境保护局提交风险管理计划。在加利福尼亚州的氨充灌量限值为227公斤,美国其他各地的限值为4536公斤。对于所有的氨制冷系统,不论充灌量多少,当泄漏到大气的损失超过45公斤时,发现损失的设备指挥人员必须在15分钟内向国家应对中心报告。

在欧洲,各国对氨装置充灌量的限制值不同,如德国某一城市对氨的限值是3吨。在法国,对氨的限值是150到1500kg,氨装置到相邻地区的最小距离是10m。在机房中冷凝器、贮液器和高压贮液器的回路中,氨的充灌量限值是50kg。在法国的公共场所,如超市,氨只允许在一个位于机房里的间接系统中循环流动,总量不超过150kg。

3 NH3/CO2复叠式系统

NH3/CO2复叠式系统应用在冷冻冷藏和冻干中,当以CO2作为低温级制冷剂时,可达到-40℃到-52℃的低温。它可以比相同制冷量的氨双级系统的氨充灌量减少约90%。

另一个重要的区别是CO2与氨的工作压力不同。在-30℃典型的蒸发温度时,氨的吸气压力为0.119MPa,而CO2为1.428MPa。在大多数工业用复叠系统中,氨充灌量受到压缩机机房和冷凝器平面面积以及在生产领域和冷藏室降低渗漏风险的限制。

复叠式换热器是该系统的主要组成部分,在换热器中有两个彼此独立的制冷剂系统。通过氨液体蒸发成蒸气,使二氧化碳蒸气冷凝成液体。这种复叠式热交换器必须制造成能承受高压力和温度波动,同时满足两种制冷剂的要求。此外,两种制冷剂不兼容,相互交叉污染的结果会造成氨回路的阻塞,并且可能使系统较长的时间不能工作。复叠式换热器的设计必须防止可导致两种制冷剂在一起反应的内部泄漏。

图1表示了一个简化的NH3/CO2复叠式系统。

图1 带有二氧化碳热气除霜的NH3/CO2复叠系统

由于在食品冷冻冷藏工业中不允许氨与食品相接触,因此,氨只用于复叠式的高温级,并且仅限于在远离食品冷藏的机房内流动。

A.Hiren等人通过计算机编程,考虑一个系统的其它参数为常数,找到特定参数系统的性能变化。计算结果的参数设定如下。

1)低温级循环的蒸发温度TE,LT=-50℃;

2)低温级循环的冷凝温度TC,LT=0℃;

3)高温级循环的冷凝温度TC,HT=40℃;

4)复叠冷凝器的温差(△T)CC=2.5℃;

5)高温级和低温级的吸气过热度(△T)sup=0℃;

6)高温级和低温级的过冷度(△T)sub=0℃;

7)高温级和低温级压缩机的等熵效率 ηisen=0.8;

8)复叠换热器的效率ε=1。

假定用于低温循环的制冷剂质量流量为0.2kg/min。计算的参数按如下变化:

1)低温级循环的蒸发温度TE,LT的变化=-55℃至-30℃;

2)高温级循环的冷凝温度TC,HT的变化=30℃到45℃;

3)复叠冷凝器的温差(△T)CC=1℃至13℃;

4)低温级循环的冷凝温度TC,LT的变化=-30℃到10℃;

5)过冷度(△T)sub和过热度(△T)sup的变化=0℃至6℃。

计算结果如图2至图 4所示。可以看出,R744/R717复叠制冷剂对相对于其他三种制冷剂对R744/R134a、R744/R290和 R744/R404A具有较高的COP。图 2表示当冷凝器的温度 (TC,HT)从30℃变化到45℃(HT循环)时、图3表示蒸发器温度(TE,LT)从-55℃变化至-30℃(LT循环)时、图4表示当低温级冷凝温度(TC,LT)从-30℃变化至10℃,同时保持其他参数不变时,复叠式制冷系统R744/R717的制冷剂对相比于 R744/R134a、R744/R290和R744/R404A具有更高的COP。

图2 当复叠冷凝温度TC,HT变化时,不同制冷剂对的COP变化

图3 当低温级蒸发温度变化时,不同制冷剂对的COP变化

图4 当低温级冷凝温度变化时,不同制冷剂对的COP变化

4 CO2作为载冷剂的NH3/CO2系统

结合NH3作为制冷系统的制冷剂,液体二氧化碳是特别适合于在冷库或冰柜和冷库的联合设备中输送低温冷量的载冷剂:在冷藏应用中,当温度在-25℃到5℃时,系统可以用NH3单级+CO2载冷剂;在冻结和冷藏应用中,当温度在-40℃到-25℃时,系统可以用NH3双级+CO2载冷剂。

对于具有两个或更多个温度的冷库,可以使用上述系统的组合。例如二氧化碳可作为制冷剂用于冻结低于-40℃,和作为载冷剂在-25℃冷藏中使用。在冷库应用中,NH3/CO2系统的效率有可能略低于两级压缩的NH3系统,CO2作载冷剂的NH3/CO2系统的效率与单级NH3经济器系统的效率处在同一水平,由于CO2相比于其他传热流体如乙二醇、盐水等的泵送成本要低得多,故CO2作载冷剂的系统具有更高的整机效率。

通常NH3/CO2载冷剂系统的制冷量范围可以在500 kW到3000 kW。氨是仅被隔离在机房内,这种系统可使氨制冷剂的充灌量减少90%,同时减少氨制冷剂的成本,并提高了安全性。

该系统不需要CO2压缩机,只需要CO2泵。由于CO2在蒸发器中的蒸发是相变热交换,在相同的制冷量下,需要的CO2流量要比无相变换热的其他载冷剂小得多,从而使CO2管道也小得多,例如,挥发载冷剂CO2的铜管或钢管用Dg65,而不挥发载冷剂如乙二醇等用钢管或塑料管的管径则需要Dg125至Dg150。

图5示出了使用了CO2作为载冷剂与氨作为制冷剂的系统流程图。

图5 使用CO2作为载冷剂的NH3/CO2系统流程图

该系统的制冷剂充灌量,约为50～100 kg的氨和3 000 kg的二氧化碳。

表1提供了对一台500 kW制冷量运行在两个温度等级、在使用不同载冷剂的情况下,泵运行时估算的功率消耗比较。可以看出,CO2作为载冷剂的泵功率消耗要比其他载冷剂小得多。其中HYCOOL是一种对环境友好、节能15%～20%、传热容量大、低粘度、无毒、不燃、化学稳定、冰点-50℃的低温载冷剂。

表1 不同载冷剂的情况下,泵运行时估算的功率消耗

图6表示了CO2与乙二醇作为低温载冷剂时的生命周期成本比较,可以看出,CO2有明显的成本优势。

图6 CO2和乙二醇的生命周期成本比较

在一个典型的CO2作为载冷剂的NH3/CO2低/中温度系统中,导致比其他系统更节能的主要原因有以下三个:(1)减少泵的能量;(2)增加吸入压力;(3)减少辐射损失。

4.1 减少泵所需的能量

机械泵送能量与循环流通的流体质量流量有关。以水为基础的盐水溶液的容积流量要比CO2的容积流量大得多,因为它只利用流体的比热变化传递蒸发器的热量,而CO2是利用蒸发时相变的气化潜热传递蒸发器的热量,导致相当低的流量和泵功消耗。图7表示了CO2所需的功率和一些最常用的盐水类载冷剂所需的功率的比值的比较。可以看出,CO2所需的功率平均只占盐水类载冷剂所需功率的10%。

图7 CO2循环泵所需的功率消耗占常用盐水类载冷剂功率消耗的百分比

4.2 增加吸入压力

比较使用盐水和使用CO2作为载冷剂时,它们对吸入压力的影响是在蒸发器中的温度差和在复叠热交换器中的温度差。可以认为,CO2在系统中的温度基本上是恒定的,因为CO2是挥发性的载冷剂,压降只有轻微的影响温度的上升。而盐水载冷剂需要有一个从进口到出口之间的温度差。对于标准的盐水,通常的温差是4K。如果CO2温度被保持在盐水载冷剂的理论平均值,结果是较蒸发温度高2K。因此CO2载冷剂系统可使蒸发压力增加,即压缩机的吸入压力增加。在实践中此差异将会更大,因为CO2的内部的传热系数是远高于盐水类载冷剂。图8表示了实际流动条件基础上的传热效率系数的比较。

图8 实际流动条件基础上的传热效率系数的比较

4.3 减少管路的辐射冷量损失

管路冷量损失对装置能量消耗的影响是相当显著的,它可能等于制冷量的5%～15%。一个主要的因素是由于吸收外界传入的热量,尤其是泵系统。因为供给管道和返回管道都是处在低温下,并要求保温。显然,随着管道直径的增加,传入的热量增加。毫无疑问,无论在热量的吸收和包括保温CO2的管道的投资,CO2载冷剂系统远小于所有其他的盐水和HFC制冷剂系统。作为挥发性载冷剂的CO2的泵送系统提供了一个数量巨大的节能的应用潜力。除了更节能,CO2系统相对地更为简单。

为了更加直观,比较了一台高温500kW和中温500kW的冷库,用CO2作为载冷剂循环要比用HYCOOL和丙二醇节省20%至24%的费用。