斯特林型-80 ℃低温冷库研究

张安阔 吴 明 冯英珑 余文辉 熊 超 谢 晶

(1 上海海洋大学食品学院 上海 201306;2 上海超立安科技有限责任公司 上海 200240)

根据冷藏温度的不同可将冷库分为高温、中温、低温、超低温4大类:高温冷库-2～8 ℃,中温冷库-23～-10 ℃,低温冷库-30～-23 ℃,超低温库-80～-30 ℃,一般意义上把-30 ℃以下的超常温度的冷库称为超低温冷库[1-2]。

我国现有冷库多数为果品蔬菜保鲜的高温冷库和普通水产、肉类保鲜的中温冷库;由于人民生活品质的日益提高以及人民对医疗健康等方面的关注,超低温冷库在金枪鱼、沙丁鱼、鳕鱼等食品保鲜领域具有广泛应用需求以及在疫苗、药品、血液生物样本等的存储具有不可替代的优势[3]。超低温冷库的作用是实现对库内货物的快速降温并保持恒定低温,实现低温存储。

以海产品为例,国际营养组织将金枪鱼推荐为世界三大营养鱼类之一,金枪鱼应保存在约-55 ℃,更低的库温能够避免细胞之间形成冰晶体,更好地保证食品的品质[4]。mRNA疫苗在常温下的稳定性较弱、容易降解、半衰期短,需要超低温的储存条件来维持稳定性,避免疫苗里有效成分的降解,例如国外大范围使用的辉瑞新冠mRNA疫苗可在-70 ℃保存6个月[5-6]。此外,血液也需要使用超低温冷库进行存储,由于血液中包含血浆和各种不同功能的血细胞,在-60～0 ℃温区,细胞内的水分以冰晶形式存在,容易对细胞和组织的微观结构造成损害,一般不使用该温度来保存组织和细胞,且在组织样本内生物大分子受到细胞组织内多种因素的影响,稳定性可能明显降低,所以通常生物样本库不使用-60～0 ℃作为储存温度。血站保存血液的温度为-80～-70 ℃[7]。

目前,为了获得-80 ℃的制冷温度,采用的制冷方式仍以两级复叠式制冷方式为主[8]。上海理工大学制冷研究所建设的-60 ℃小型装配式实验冷库,库体采用200 mm厚的聚氨酯成型库板材料装配而成,库房内容积为27.5 m3,制冷系统采用R22的单机双级压缩和R23的单级压缩组合的复叠式制冷循环,可实现-60～-40 ℃无级调节,库温稳定,温度波动不超过±0.5 ℃[2,9]。目前对于超低温冷库制冷系统的研究包括复叠式制冷系统制冷剂替代技术发展、双级压缩制冷和复叠式制冷两种制冷方式应用于超低温冷库的对比等,科研人员进行了相关的理论研究和实验验证。温辰阳等[10]对R290/R170与R22/R23热物理性质和换热性能进行对比,并对相同工况下两种复叠式制冷系统的选型及系统循环性能和安全性进行对比分析,理论分析确认了R290/R170替代R22/R23的可行性;孙建军等[11]为模拟血液的超低温保存环境(-80 ℃),搭建了R404A/R508B复叠式制冷系统的超低温冷库,进行了系统性能研究:改变库内蒸发器入口的工质参数,研究系统降温曲线,分析了降温过程的高、低温级压缩机的压比及低温级压缩机排气温度随库温的变化情况;不同蒸发温度(-87、-77、-67 ℃)下,系统压缩机功耗、排气温度随蒸发温度等的变化情况。王方旭等[12]对超低温冷库应用环境下不同制冷系统进行对比分析,认为当蒸发温度为-60～-30 ℃时,采用双级压缩制冷系统效率高于复叠式制冷系统,当所需制冷温度为-80～-60 ℃时,相比于双级压缩制冷系统,复叠式制冷系统吸气压力更高、压缩机效率更高、蒸发温度更低,系统效率更高;郭耀军等[13]对双级压缩制冷系统和复叠式制冷系统的经济性进行了对比,发现蒸发温度为-65 ℃时,双级压缩制冷系统和复叠式制冷系统的压缩比和排气温度随冷凝温度的升高而升高,吸气压力和制冷剂质量流量随冷凝温度的升高无明显变化,在相同的冷凝温度下,复叠式制冷系统在上述性能方面优于双级压缩制冷系统;冷凝温度为40 ℃时,双级压缩制冷系统和复叠式制冷系统的压缩比和排气温度随蒸发温度的降低而升高,吸气压力随蒸发温度的降低而降低,制冷剂质量流量随冷凝温度的升高变化较小,在相同的蒸发温度下,复叠式制冷系统在上述性能方面优于双级压缩制冷系统;分别采用两种系统搭建某小型超低温制冷实验台,对比压缩机的初投资和运行费用,结果表明,采用复叠制冷系统可以降低能耗15.13%。

由此可知,在-80 ℃制冷温区,目前国内关于复叠式制冷方式研究较多,但该制冷方式效率较低,制冷系统复杂,温度均匀可靠性较差,为实现-80 ℃低温存储环境需要耗费较多的电功,如表1所示[13]。

表1 -80 ℃超低温冷库的参数

2021年9月15日,《蒙特利尔书基加利修正案》对我国生效,旨在加强氢氟烃类(HFCs)等非二氧化碳温室气体管控,将逐步淘汰氢氯氟烃(HCFC)和氢氟碳化合物(HFC),这对冷藏冷冻等相关行业带来了技术上的升级要求[14-15]。双级压缩制冷系统在制冷温度低于-60 ℃时效率低于复叠式制冷系统,而复叠式制冷系统在-80 ℃时其性能系数一般不超过0.3,相比于斯特林制冷技术的高效率相形见绌,斯特林制冷机的制冷系数可达到0.4以上,并且复叠式制冷技术面临制冷剂更新替代的问题,无法得到长远发展[16]。斯特林制冷机由于采用板弹簧支撑技术、间隙密封技术、工质为氦气等,具有高可靠性、高效率、寿命长、绿色环保、宽温区等优势[17]。

针对-80 ℃低温冷库应用需求,设计了一个采用先进制冷技术的-80 ℃低温冷库,介绍了该冷库的结构特点,基于VIP(vacuum insulation panel)绝热技术的经验,核算了箱体在该温区的漏热情况,根据热负荷,选配课题组研制的满足其性能要求的-80 ℃斯特林制冷机,并通过实验验证了制冷性能,满足了低温冷库的设计需求,研究成果对于推动-80 ℃超低温冷库制冷技术的发展具有一定参考价值。

1 低温斯特林-80 ℃冷库设计

根据表1数据可知,天津大学采用复叠式制冷机搭建的-80 ℃的低温冷库效果最好。以此为基准,设计的低温冷库整体结构设计如图1所示,冷库为边长2 m的正方体,冷库腔体空间为8 m3。冷库主要由箱体、斯特林制冷机、风机、热管、冷库门、控制器及温度传感器组成。斯特林制冷机布置于冷库顶部后侧(目前选配2台,可根据冷库热负荷进行调整),采用直接风冷的散热方式对制冷机热端和机身散热,两台斯特林制冷机冷头对置布置,共用热管系统。两台斯特林制冷机与控制器之间通过电连接,控制器与布置于冷库内上部的温度传感器通过电连接,温度传感器将温度信号传送至控制器,控制器调节直线电机转速,控制斯特林制冷机的制冷量。冷库的启停通过控制器进行控制。通过以上设计,低温冷库具有容积大、开启方便、可靠性高、结构紧凑、寿命长、制冷量大、效率高等优点。

1箱体(含VIP);2斯特林制冷机;3风机;4热管;5冷库门;6控制器;7温度传感器。

为简化低温冷库的制冷系统,降低冷库的整体制造成本,针对性地设计了一套制冷机冷头冷量输出装置,冷头对置结构主要由冷头、导冷铜套、绝热材料、热管组成,两台制冷机冷头对置布置,冷头处安装导冷铜套,热管缠绕导冷铜套外部,并在冷头、导冷铜套热管的外部布置绝热材料,降低热损。通过上述设计,能够有效降低制冷系统的复杂程度。

两台斯特林制冷机采用氦气作为工作介质,制冷机冷头对置布置,共用一套热管系统,热管采用铜材料制成。热管由冷库顶部引入,热管中采用制冷剂R170进行制冷量的传输,热管在冷库腔体内采用“W”形状的布置方式,对称布置于冷库内部的左、后、右侧,如图1中的4所示。通过上述设计,能够使制冷剂在热管中循环流动,在一定程度上能够保证冷库内部冷量分布的均匀性。热管由冷库上部引入,制冷剂在热管内部自上而下循环流动。

2 低温斯特林-80 ℃冷库热损计算

设计的低温冷库为-80 ℃,冷库腔体与外界环境之间的温度梯度大,易造成冷库冷量的损失。为降低冷量损失,提高低温冷库的整体性能,冷库箱体的绝热层设计尤为关键。VIP具有良好的绝热性能,导热系数通常为0.003～0.004 W/(m·℃),甚至更低[18],但VIP对外部的机械压力和冲击力承受能力较差,不能单独作为箱体绝热材料使用。聚氨酯绝热材料具有一定的结构强度,与塑料及金属的黏合力强,且渗入能力强,能够将需要填充的空间填满。而VIP通常制成板状,不具备填充能力,因此将VIP与聚氨酯绝热材料构成复合绝热层,该复合绝热层具有导热系数低、结构强度强的优点[19]。

图2所示为VIP与聚氨酯绝热材料构成的复合绝热层结构。通过聚氨酯绝热材料发泡技术将VIP全部覆盖,填满需要填充的空间,并将复合绝热层的所有构件黏结在一起。在该复合绝热层中,VIP主要起绝热作用,聚氨酯材料主要起保护和支撑作用,真空绝热技术能够有效抑制气体导热和对流换热,使总传热量大幅减少[20]。

VIP布置于低温冷库内箱体与外箱体之间。将多孔介质材料真空密封于保护薄膜内制成VIP,在相同的保温效果下,其厚度相较于主流材料可以降低50%以上,是目前最先进的保温材料之一[21]。在冷库内-80 ℃、环境温度25 ℃情况下,结合VIP绝热技术经验,通过理论计算得到冷库的漏热损失,此为冷库在维持稳定温度工作时,理论上斯特林制冷机所需提供的最小制冷量。计算方法如下[22]:

冷库正常运行时,库内温度为-80 ℃,冷库外温度为环境温度,较大的温度差异,造成大量的冷量损失。假设冷库腔体内、外空气温度和露点温度分别为t2、t1和td(℃),库体内、外表面温度分别为tw2和tw1(℃),腔体内、外表面与空气间的传热系数分别为h2和h1[W/(m2·℃)],隔热材料的导热系数为λtotal[W/(m2·℃)]。根据热平衡条件可得:

(1)

式中:L为绝热层厚度,mm,保温层厚度应大于该绝热层厚度。

具体边界条件设置如表2所示。

表2 冷库边界条件

低温冷库的热量损失主要包括冷库库体的传热损失、库门开关时的热量损失、储物发热损失和其他传热损失等。冷库腔体的传热损失主要由库体表面的传热损失,库门漏热损失和库门门吸封条的漏热损失等三部分组成[23]。

传热面积A按照外围尺寸进行计算,冷库边长为2 m,A包括上下两底面以及四侧面的面积:

A=2×2×2+2×2×4=24m2

(2)

传热温差Δt按照设计工况进行计算,环境温度为25 ℃,冷库内温度设计为-80 ℃,则温差为:

Δt=环境温度-冷库内温度

=25-(-80)=105 ℃

(3)

VIP的厚度d1=28 mm,导热系数λ1=0.004 W/(m·℃);聚氨酯发泡材料的厚度d2=50 mm,导热系数λ2=0.02 W/(m·℃),则

(4)

若冷库库体的总传热系数K取0.095 W/(m2·℃)(该取值较为保守),则低温冷库壁面的漏热损失为:

Q1=AKΔt=24×0.095×105=239.4W

(5)

冷库内外门可设计成耐低温塑料材料,两层门可按照多层保温结构处理,漏热量Q2约为8 W。门吸封条为硅胶材料[24],气密性好,可减小冷量损失,热量会通过密封条渗透至冷库腔体内部,该部分的热量没有明确的计算公式和计算方法,一般采用经验值进行估算,其大小取Q1和Q2总和的15%[22],即:

Q3=(Q1+Q2)×15%=37.11W

(6)

因此,低温冷库总的传热损失主要为上述三种热负荷之和,即:

Qtotal=Q1+Q2+Q3=284.51W

(7)

3 低温冷库用斯特林制冷机选配

斯特林制冷机在-80 ℃以下温区具有较好的制冷效率,相关制冷方式的实现尤为关键。理想斯特林制冷循环在相同制冷温度与热端温度下具有与逆卡诺循环相同的制冷效率,且高于复叠式制冷系统所采用的朗肯循环,从理论层面而言,自由活塞斯特林制冷机用于低温冰箱具有一定的优势。理想斯特林制冷循环在一定条件下,能够具有与逆卡诺循环相等的效率。但在实际制冷循环中,难以达到理想斯特林制冷循环所需的条件,例如:制冷机中,压缩活塞和推移活塞运动遵循往复式简谐运动规律,而非跳跃式间断运动;制冷机内回热器、换热器中空体积的存在导致热力循环过程复杂;气缸与换热器等零件的制作材料具有一定热阻,无法真正实现等温压缩及等温膨胀过程;制冷机运行过程,流体与固体、固体与固体摩擦等产生了一系列损失。

为了更好地冷却-80 ℃低温冷库,选配了课题组研制的自由活塞式斯特林制冷机,结构如图3所示。斯特林制冷机主要由冷头、冷端换热器、回热器、热端换热器、推移活塞、热端散热器、压缩活塞、直线电机、板弹簧、减振装置等部件组成。为实现制冷机整体的紧凑化设计,自由活塞斯特林制冷机采用推移活塞连杆贯穿压缩活塞的方式将推移活塞、压缩活塞布置于同一气缸,实现压缩腔、膨胀腔的同轴。

1冷头;2膨胀腔;3冷端换热器;4回热器;5推移活塞;6热端换热器;7热端散热器;8压缩腔;9压缩活塞;10直线电机;11压缩板弹簧;12推移板弹簧;13减振装置。

使用同轴结构,气体经压缩后产生的气动力能够直接驱动推移活塞,避免了冷指侧直线电机的引入,有效防止了制冷机体积、质量的进一步增加。压缩活塞、推移活塞均采用单侧板弹簧支撑。由于活塞质量大,且重心距离板弹簧连接处较远,因为重力,易使活塞相对于气缸的同轴度产生偏离,导致径向接触,因此,同时采用板弹簧和气体轴承技术,能够更好的保证活塞和气缸的同轴度,压缩机得以长寿命运行。同样由于同轴结构,压缩机振动能够径直传递至冷头,干扰制冷机可靠运行。为了抑制制冷机振动,通常需在其一端配置减振装置,减振装置一般可采用内置或外置方式,内置方式较为美观、运输方便,但不易调节;外置方式利于调节板簧数量及刚度,有助于原理样机的研究,但易受到运输过程中外部因素的影响,如碰撞、生锈等。

图4所示为自由活塞斯特林制冷机测试实验台。斯特林制冷机冷头上分布Pt100铂电阻(监测温度)和陶瓷加热片(静平衡法监测冷量),制冷机冷头(冷端)内置于保温罩内,采用翅片加风冷散热方式,对热端换热器及机体进行散热;六位半欧姆表测试Pt100铂电阻阻值,通过换算得出对应冷端制冷温度;直流电源加热陶瓷加热片,调控制冷量大小;交流电源驱动制冷机内电机,控制系统功率、频率等运行参数。

1冷头及保温罩;2散热翅片;3制冷机外壳;4六位半欧姆表;5直流电源;6交流电源。

图5所示为自由活塞斯特林制冷机的降温曲线。斯特林制冷机冷头呈圆形,尺寸较大,热负载大,需要的降温时间较长。当制冷机输入功率分别维持在200 W恒定值运行,冷端温度在20 min后,降温速度明显变慢,在50 min后基本达到平衡点,最低制冷温度可分别维持在约-160 ℃。因此,斯特林制冷机具有较强的降温能力,可以根据不同冷库的温度需求,选配斯特林制冷机。

图5 斯特林制冷机的降温曲线

图6所示为斯特林制冷机制冷性能图。由图6可知,随着制冷量的增加,输入电功率也需对应增加,斯特林制冷机对应输入电功增至500 W,制冷温度为-86 ℃测量的制冷量为180 W,对应 COP为0.36;因此,选用的2台斯特林制冷机在-86 ℃温区的制冷量为360 W,需要斯特林制冷机耗电功率约为1 kW,可以满足所设计的-80 ℃低温冷库的热负荷284.51 W。斯特林制冷机冷头温度-86 ℃与冷库内部温度-80 ℃的温差为6 ℃,为传热温差,可根据实际情况进行调整。考虑到低温冷库内部还有血浆、器官等生物样本的胴体负荷,所设计的-80 ℃低温冷库也可采用多台斯特林制冷机的联供方案。

斯特林低温技术先进,制冷工质为氦气,绿色环保,可实现-80 ℃及以下低温区快速制冷,具有高效率、高可靠、长寿命等优点[25]。因此,为响应国家“碳达峰、碳中和”的重大战略布局,对标文献中采用复叠式制冷机搭建容量为7.8 m3的-80 ℃高效率低温冷库,设计的斯特林型-80 ℃低温冷库,每天耗电量进行对标研究,结果如表3所示。可知,冷库为实现-80 ℃低温,采用斯特林制冷机是一种技术革命,高效可靠,容积为8 m3冷库每天耗电量低至24 kW·h,即使考虑冷库内血浆、器官等生物样本的胴体负荷,其耗电量也较为理想,是未来-80 ℃低温冷库的发展方向。

表3 -80 ℃超低温冷库的耗电量对比

4 结论

低温技术将有效地构建生物医药冷库或箱体,低温存储如疫苗、血浆、细胞、骨髓、组织、核酸等生物样本。-80 ℃斯特林型低温冷库近些年发展迅速,但其制冷技术局限于传统的复叠式(两级复叠或自复叠)制冷。针对我国该领域低温技术亟待提升的研究现状,本团队设计了一座-80 ℃ 斯特林型低温冷库,开展了斯特林制冷机和低温冷库的理论分析和实验研究,得到如下结论:

1)研制并实验测试了一台高性能-80 ℃斯特林制冷机,该制冷机降温迅速,在200 W输入功空载条件下10 min内可降温至-80 ℃,在500 W输入功条件下可提供制冷温度-80 ℃下180 W的制冷量,对应COP为0.36,降温快且具有较高的制冷效率,可以充分满足低温冷库制冷温度和库体漏热损失要求。

2)研究了VIP和聚氨酯发泡层组成复合绝热层结构以及低温冷库库体的漏热损失计算方法,计算该箱体在-80 ℃的工况下理论漏热损失为284.51 W,具有良好的保温性能。

3)提出了低温斯特林-80 ℃冷库设计方案,充分考虑负荷的阈值,采用两台斯特林制冷机联和供冷的方案,对于冷库上侧,冷头冷量通过热管内工质的气液转换,将冷量传递至冷库箱体周围,实现冷量高效传输和分布均匀性。