间接制冷技术在冷库中的应用

张楠楠，宋 喆

（朝阳光达化工有限公司，辽宁朝阳122000）

引言

2013年以来，全国范围内连续发生多起涉氨制冷企业爆炸事故，行业内外 “谈氨色变”。国家出台了严厉的专项治理措施，地方安监部门对涉氨企业的安全监管力度达到了史无前列的高度，与此同时，各种类型的冷藏系统改造工程纷纷展开。有的企业仍然建设液氨直接蒸发制冷冷库，有的涉氨企业为了减少麻烦，直接将液氨直冷改为氟利昂直冷系统，有的制冷机厂家在推广二氧化碳制冷系统，有的企业采用间接制冷系统。在 “安全”、“环保”、“经济”的前提下，哪种方案更适合冷冻冷藏行业呢？目前行业内还没有达成共识。

1 国家监管政策及导向

1.1 关于氨制冷系统相关政策

国家明确要取缔关闭一批违法企业，治理整改一批隐患企业，提升一批较好企业。要求在人员较多的生产场所严禁采用氨直接蒸发制冷系统［1］。并规定氨构成重大危险源的临界数量为10吨［2］。国务院安委会办公室定于2017年2月至11月开展专项治理验收工作。对全国涉氨制冷企业液氨使用专项治理情况开展全面验收，彻底消除作业场所采用氨直接蒸发制冷的空调系统和快速冻结装置未设置在单独作业间内的两类重大事故隐患，全面提升企业液氨使用安全水平，有效遏制重特大事故发生［3］。

1.2 关于氟利昂制冷系统相关政策

截止到2010年1月1日，在全球范围内已实现了CFCs的全面淘汰。在CFCs淘汰转换工作提前完成的基础上，在2007年9月份召开的 《蒙特利尔议定书》第19届缔约方大会上，国际社会又进一步达成了 “加速淘汰 HCFCs”的调整案，该调整案规定：对于议定书第5条款缔约方 （即通常所说的中国等发展中国家），其HCFCs消费量与生产量到2020年削 减35%，到2025年削减67.5%，到2030年完成全部淘汰［4］。

2016年10月 《蒙特利尔议定书》第28次缔约方会议重点审议了关于 HFCs削减控制的修正案。最后形成了新的 “基加利修正案”，中国等主要发展中国家，自2024年HFCs开始冻结，2029年削减10%，最终2045年实现削减80%［5］。

以保护地球臭氧层不受破坏，我国先后下发《关于严格控制新建使用含氢氟氯烃生产设施的通知》、《消耗臭氧层物质管理条例》等对其进行管理。在专项治理过程中，应严格避免产生以 “氟利昂制冷剂代替氨制冷剂的简单化做法所带来的环境问题”；其中还明确要求：“对人员较多的生产场所的制冷系统要采用载冷剂间接制冷系统”［6］。

2 氨制冷系统

2.1 NH3制冷剂

1859年氨作为制冷剂的理论确立，1875年开始用于工业制冷。NH3凝固温度－77.7℃，标准沸点 －33.3℃，临界温度 132.4℃，临界压力11.52MPa。常温下冷凝压力一般在1.1～1.3MPa，夏季最高不超过1.5MPa，单位容积制冷量约2177kJ／m3。ODP＝0，GWP＝0。

2.2 NH3制冷系统优缺点

（1）优点：NH3制冷剂具有对环境友好性，破坏臭氧层潜能值 （ODP）为0、全球气候变暖潜能值 （GWP）为0。具有优良的热力学性质，其单位容积制冷量较传统的氟利昂制冷剂大。比重和粘度小。价格便宜、易获得；氨机造价低，由于单个氨机制冷量可达到250 kW甚至更大，而氟机 （低温工况）最大为100kW，若要用于大冷量工况，就必须多机并联，因此，在大功率 （100kW以上）的情况下，氨机明显较氟并联机组价格低；氨系统若发生泄漏易被发现。

（2）缺点：氨几乎不溶于矿物油，管道和换热器的传热面会积油，形成油膜，影响传热；氨制冷系统需配用复杂的油分离系统，造成产品体积庞大。氨在含油、含水时，对铜和铜合金 （磷青铜外）有腐蚀作用；氨毒性较大，对人体器官有强烈刺激作用，空气中氨的含量达到0.5%～0.6%时，人在其中停留半小时即可中毒，达到11%～13%即可点燃，达到16%～25%时遇明火就会爆炸；少量氨泄漏就可导致储藏品受到污染，大量泄漏则危及人身安全，需保持通风使空气中氨含量≤0.02mg／L［7］；在人员较多的生产场所严禁采用氨直接蒸发制冷系统。

3 氟利昂制冷系统

3.1 氟利昂制冷剂

氟利昂是饱和烃类的卤族衍生物总称。20世纪30年代美国首先研究出氯氟烃类R12，随后CFCs和HCFCs陆续得到研发。根据氟利昂制冷剂分子结构，可分以下三类：氯氟烃类 （主要包括R11、R12、R113、R114、R115、R500、R502等）此类制冷剂含氯元素破坏臭氧层，被 《蒙特利尔议定书》列为一类受控物质，目前已禁止使用；氢氯氟烃类 （R22、R123、R141b、R142b等）制冷剂氯含量较少，被视为过渡性替代物质。R22被限定于2020年淘汰，发展中国家截止到2030年；氢氟烃类 （R134a、R125、R32、R404A、R407C、R410A、R152、R507等制冷剂不含氯元素，但在《联合国气候变化框架公约》京都议定书中定性为温室气体。

3.2 氟利昂制冷系统优缺点

（1）优点：氟利昂制冷剂与冷冻油互溶，氟机无需复杂的油分，结构简单，体积小；制冷剂充注量小，一般为氨机的1／2或1／3；机房要求高度低、机房占地面积小；压缩机并联运行，可实现自动能量调节；可实现全自动控制和远程监测报警；可保存库房各温度参数，机房无需专人值守。

（2）缺点：氟利昂无色无味泄露难发现，遇明火温度400℃以上会分解有毒气体。受两国际公约限制。价格相对氨较高。热工性能不如氨，单位换热效率低；氟机单机功率较氨小，在大功率的情况下要并联运行，从而使机组造价提高。

4 二氧化碳制冷系统

4.1 CO2制冷剂

二氧化碳制冷剂是在1850年，最初是由美国人Alexander Twining提出在蒸汽压缩系统中采用CO2作为制冷剂。1867年，Thaddeus S C Lowe首次成功使用CO2应用于商业机。CO2标准沸点－78.2℃，凝固温度 －56.55℃，临界压力7.372MPa，临界温度31.1℃。0℃时的容积制冷量22601kJ／m3，ODP＝0，GWP＝1。

4.2 CO2制冷系统优缺点

（1）优点：具有环境友好性。CO2是天然物质，破坏臭氧层潜能值为0，全球气候变暖潜能值为1；不燃、不爆。价格便宜 （不需要回收设备）；单位容积制冷量大 （系统体积小）；传热性能和流动性能好。CO2黏度小，流体的流动阻力小，传热性能比CFC类制冷剂好。

（2）缺点：运行压力高。CO2临界压力7.38MPa，CO2跨临界制冷循环的工作压力最高可达到10MPa约为传统制冷工质CFC或HCFC系统压力的6～8倍，对设计、设备尤其是阀门要求很高，且后期操作维护专业性要求高；CO2系统中如果有水分，不但会造成冰堵，CO2和水反应生产碳酸，对系统造成腐蚀；CO2的泄露危险性。大气中CO2和O2的浓度比为1∶700。O2浓度下降1%～5%不会引起致命的危害，CO2浓度上升1%～5%是致命的；CO2冲霜的问题。如果采用电融霜，运行费用非常高。采用水融霜，融霜时间长，并且冷库地面会出现冻冰现象。通常采用工质融霜；停电时CO2系统压力升高。一旦制冷系统停止运行，必须保证辅助制冷系统可靠运行；由于需采用双系统工作，初投资较大，系统复杂。

5 一种优化的间接制冷系统

5.1 间接制冷系统

二次制冷技术，即间接制冷技术，在制冷系统管路增加二次冷却液储液罐，使制冷剂可以在一个局部小的范围内，将冷量传递给载冷剂，然后再通过泵在常压下将载冷剂的冷量传递给冷库实现制冷。本系统设有载冷剂储罐与蒸发器连接，蒸发器吸收储罐中载冷剂的热量，将载冷剂降温，载冷剂储罐与冷却泵连接，冷却泵将载冷剂运输到冷库间释放冷量，以达到制冷的目的；同时该系统在压缩机后设有热交换器及除霜液储罐，压缩机放出的热量进行热交换后储存在除霜液储罐中，当冷库间进行除霜时，将除霜液通过泵输送到冷库间进行热除霜；该系统中载冷剂与除霜液均为冰河冷媒专利产品，该系统解决了传统直接制冷系统存在的安全性问题，暖液除霜系统利用压缩机余热除霜，达到节能的目的。

本系统的优点是设有载冷剂储罐，其容量为载冷剂循环量的一倍以上，需要冷量时，载冷剂在冷库间及操作间常压循环，解决了传统氨冷库的安全性问题，也方便以后进行管路维修，同时当夜间电价低时，可以将制冷机满负荷运行，冷量储存在载冷剂中，白天用电量大时，可以关闭制冷机组，让储存的冷量进行循环，实现了电力的移峰填谷。

优化的二次制冷改造方案如图1所示。

此优化方案中所用载冷剂为朝阳光达化工有限公司专利产品冰河冷媒，其特点是用量省 （如图2，LM－1冰河冷媒与乙二醇对比。在同一使用温度 （－30℃）下LM－1使用浓度为38%，乙二醇浓度为50%。LM－1用量较省）、载冷能力强 （见表2氯化钙、乙二醇、酒精、冰河冷媒在同一冰点下冰河冷媒导热系数较高、粘度较小）、防锈性能突出 （表1为中科院金属研究所权威检测，A3钢在25%乙二醇、LM－1、LM－4溶液中腐蚀168h后的重量变化。A3钢在25%乙二醇锈蚀严重，在LM－1、LM－4溶液中几乎无变化）、无毒 （较环保）、无闪点 （不然、不爆）解决了传统载冷剂存在的问题，使设备使用寿命至15年以上。

相关物性参数对比见图2、表1、表2。

5.2 优化间接制冷系统案例

（1）案例1：

松林啤酒 （LM－1型冷媒替代酒精）

松林啤酒1997年以前，一直使用酒精做载冷剂，工艺温度－10℃，啤酒年产量5万吨左右，每

表1 A3钢在不同载冷剂中的腐蚀失重 （mg／cm2 3）

年做载冷剂用酒精50吨以上。该公司1998年扩建，啤酒产量每年达到20万吨，扩建后选用LM－1型冰河冷媒，年用量仅10～20吨，1997年以前制冷系统每年要大修一次，使用冰河冷媒后，五年以上才需要大修一次。

结论：由以上数据可以看出，使用冰河冷媒后，无论是载冷剂消耗量还是系统维修费用都大大降低，到目前为止，该公司已使用冰河冷媒10年以上，系统中的载冷剂仍然清澈透明，系统寿命显著提高，同时也节约了大量的电力，提高了生产效率。

（2）案例2

上海津沛物流 （氨系统改优化间接制冷系统）

上海津沛物流，2015年建设。库容：22.5万m3装货：38000吨，－18℃冷藏库，4台氨机改造的氟机：两开，两备每台200kW，自制热交换器，储液罐200 m3，载冷剂LM－450，储液罐循环泵4台、入库循环泵6台 ，风机冷却，常温水除霜：每日除霜一次，晚间制冷蓄冷，白天不制冷，保温严、管理严、高端货物－12℃入库。冬季每月电费10万元、夏季每月电费40万元。一人看机。经客户反馈，比以前氨直冷系统省电。

表2 冰河冷媒与传统制冷剂物性参数对比

图2 两种载冷剂的冰点曲线图

结论：效果良好，制造成本经济，维护简单，运行成本、人工成本低。

5.3 间接制冷系统优缺点

（1）优点：安全 （只有载冷剂进入冷藏车间，常压循环，安全无害）；环保 （制冷剂仅在机房循环，用量仅为直接制冷方式的1／10以内，常压环保型载冷剂在车间循环，有效避免环境污染）。

表3 不同制冷系统性能比较

（2）缺点：间接制冷难免会有能量损失劣于直膨系统；一旦载冷剂选用不当会造成设备腐蚀，要选用专业载冷剂。

优化间接制冷系统、氨系统、氟系统、CO2系统对比见表3。

6 结论

随着我国冷藏冷冻食品市场发展快速增长，对安全、环保、节能、高效制冷技术的需求急剧上升。氨制冷系统需严格监管，少量氨泄漏会导致储藏品受到污染，大量泄漏则危及人身安全。氟利昂系统CFCs、HCFCs制冷剂破坏臭氧层，是 《蒙特利尔议定书》中限制并最终停止使用的制冷剂。HCFCs2030年我国完成全部淘汰，HFCs作为过渡性制冷剂2045年实现削减80%。CO2制冷系统运行压力高于传统的制冷系统，系统管路、配件需耐高压。阀门、配件大多进口，整体运行成本、造价较高。系统中如果有水分还会有腐蚀问题。

本文提出了一种优化的间接制冷系统，此系统安全、环保、经济，响应了国家安监局 “对人员较多的生产场所的制冷系统要采用载冷剂间接制冷系统”的要求，为冷冻冷藏行业的绿色发展带来切实的意义。

参考文献：

［1］国务院安委会关于深入开展涉氨制冷企业液氨使用专项治理的通知》安委 （2013）6号文件 ［G］.

［2］《危险化学品重大危险源辨识》GB 18218－2009［S］.

［3］《涉氨制冷企业液氨使用专项治理验收工作的通知》安委办 〔2017〕8号文件 ［G］.

［4］《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》缔约方第十九次会议报告 ［R／OL］.联合国环境规划署，［2017－1－7］.http：∥ ozone.unep.org／en／meetings／mop／mop19.

［5］关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书修正 ［R／OL］.联合国环境规划署， ［2017－1－7］.http：∥conf.montreal－protoco.org／meeting／mop／mop－28／final－report／sitepages／中文 .aspx.

［6］《涉氨制冷企业液氨使用专项治理技术指导书 （试行）》管四函 （2013）28号文件 ［G］.

［7］王亚东 于志浩 Eric Youngdale等.制冷剂产品市场分析 ［J］.制冷技术，2017，37（增刊）：47－49.