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| 冷庫氨制冷系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)解析 |
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冷庫氨制冷系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)解析
最近幾年,以氨為代表的天然制冷劑受到了越來越多的制冷科技工作者的青睞,人們對(duì)氨制冷劑開始重新評(píng)價(jià),并已投入大量的人力物力,致力于氨的安全性能和制冷系統(tǒng)及其設(shè)備技術(shù)的研究。一些具有核心技術(shù)的氨制冷設(shè)備、控制元器件等已研發(fā)并批量生產(chǎn),為冷庫氨制冷系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步創(chuàng)造了有利條件。如何更廣泛地加快氨制冷系統(tǒng)的研究與應(yīng)用,已成為全世界制冷科技工作者的重要課題之一。
以下內(nèi)容分析了國(guó)內(nèi)外冷庫氨制冷系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀和存在的問題、氨制冷技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)逐步解決的問題提出我國(guó)在氨制冷技術(shù)方面需進(jìn)一步開展的工作。
一、氨制冷劑的主要特點(diǎn)
氨在一百多年前已被用作制冷工質(zhì)，目前仍是很重要的中溫制冷工質(zhì)之一。其正常蒸發(fā)溫度為-33.4℃使用范圍是5℃-70℃，當(dāng)冷卻水溫度高達(dá)30℃時(shí)冷凝器中的工作壓力一般不超過15kg/cm2。壓力比較適中。 氨的臨界溫度較高tkr132℃氨的汽化潛熱大，在大氣壓力下為327.5kcal/kg，單位容積制冷量也大，所以氨制冷壓縮機(jī)的尺寸可以較小。
純氨對(duì)潤(rùn)滑油無不良影響。但有水分時(shí)會(huì)降低冷凍油的潤(rùn)滑作用。氨易溶于水，在常溫下一個(gè)單位容積的水可以溶解700個(gè)單位，容積的氨因此排除了系統(tǒng)形成冰塞的可能性。 純氨對(duì)鋼鐵無腐蝕作用，但當(dāng)氨中含有水分時(shí)將腐蝕銅及銅合金（磷青銅除外），故在氨制冷系統(tǒng)中對(duì)管道及閥件不得采用銅及銅合金。
氨的蒸汽無色有強(qiáng)烈的刺激臭味。氨對(duì)人體有較大的毒性，當(dāng)氨液飛濺到皮膚上時(shí)會(huì)引起凍傷。當(dāng)空氣中氨蒸汽的容積濃度達(dá)到0.50.6時(shí)可引起中毒。因此車間內(nèi)空氣中氨的濃度不得超過0.02mg/L。
氨在常溫下不易燃燒，但加熱至530℃時(shí)則分解為氮?dú)夂蜌錃鈿渑c空氣中的氧混合會(huì)發(fā)生爆炸。
氨在其安全性分類中屬于B2類制冷劑。在《爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定為ⅡAT級(jí)，在《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中規(guī)定為乙類即氨屬于最低爆炸危險(xiǎn)等級(jí)。這些特點(diǎn)都使其應(yīng)用受到了一定的限制，所以不宜用于民用建筑的空調(diào)冷源系統(tǒng)。
氨與礦物基潤(rùn)滑油和PAO潤(rùn)滑油不相容，故隨排汽進(jìn)入制冷系統(tǒng)的冷凍油易在換熱壁上形成油膜影響換熱。且因氨的密度比潤(rùn)滑油小，潤(rùn)滑油沉積在制冷系統(tǒng)的管道、容器的底部故通常采用滿液式蒸發(fā)器和氨泵供液，形式并結(jié)合采用油分離器和集油器等設(shè)備，通過手動(dòng)與自動(dòng)控制使?jié)櫥桶踩祷貕嚎s機(jī)。為保證潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑特性必須采取相應(yīng)的冷卻措施。
氨容易制造，價(jià)格低廉，便于購(gòu)買。其廣泛應(yīng)用于蒸發(fā)溫度在-65℃以上大型、中型、活塞式、螺桿式制冷系統(tǒng)中。
二、冷庫氨制冷系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀
2.1 制冷系統(tǒng)
氨制冷系統(tǒng)在食品冷凍冷藏領(lǐng)域多為直接制冷系統(tǒng)。但也有少量間接制冷系統(tǒng)。采用間接制冷系統(tǒng)主要是從安全角度考慮，在特大型的貯藏果蔬的冷庫中為防止氨制冷劑泄漏，于冷卻物冷藏間內(nèi)、且盡量減少系統(tǒng)的用氨量，采用以氨為制冷劑、乙二醇為載冷劑的間接制冷系統(tǒng)。
近年來各地已開始應(yīng)用NH3和CO2的復(fù)疊式制冷系統(tǒng)。其高溫級(jí)采用NH3，低溫級(jí)采用CO2，避免了因地震等意外原因可能導(dǎo)致的氨在庫房?jī)?nèi)意外泄漏而影響貯存食品的安全問題，同時(shí)也減少了整個(gè)制冷系統(tǒng)的用氨量提高了冷庫系統(tǒng)的安全性。
現(xiàn)階段氨制冷系統(tǒng)的供液方式多為直接膨脹供液、重力供液和氨泵強(qiáng)制供液且系統(tǒng)自控能力較強(qiáng)。
我國(guó)在上個(gè)世紀(jì)50年代以前，為食品冷凍冷藏配置的氨制冷系統(tǒng)多為直接膨脹供液，從70年代開始我們開始自行研制，并從國(guó)外引進(jìn)制冷自控元件，直接膨脹供液逐步被重力供液和氨泵強(qiáng)制供液所取代。80年代后，以可編程序控制器PLC及用PLC組成的集散式控制系統(tǒng)，DCS控制系統(tǒng)控制的采用氨泵強(qiáng)制供液方式的全自動(dòng)或半自動(dòng)氨制冷系統(tǒng)開始逐漸投入使用。
2.2 制冷部件
目前在氨制冷系統(tǒng)中，制冷壓縮機(jī)多為活塞式和螺桿式制冷壓縮機(jī)。前者出現(xiàn)較早使用廣泛，其優(yōu)點(diǎn)在于使用方便、運(yùn)行可靠、管理經(jīng)驗(yàn)成熟冷量范圍大、單位制冷量耗電量較低加工較簡(jiǎn)單造價(jià)較為低廉，維修方便。其缺點(diǎn)是壓縮機(jī)體積大、易損部件多，單臺(tái)制冷量相對(duì)較低。而螺桿式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、易損部件少、重量輕振動(dòng)小容積效率高、具有能量調(diào)節(jié)，其缺點(diǎn)是單位冷量耗電比活塞式稍高，噴油冷卻使?jié)櫥拖到y(tǒng)復(fù)雜而龐大，耗油高，噪聲大，螺桿的加工精度要求高。相對(duì)而言因螺桿式壓縮機(jī)能方便地控制排氣溫度，在氨制冷系統(tǒng)中將會(huì)更加廣泛地應(yīng)用。
在上世紀(jì)80年代以前，殼管式換熱器應(yīng)用較為普遍。但是其質(zhì)量、占地面積、換熱性能及拆卸靈活性等不如板式換熱器。板式換熱器應(yīng)用于氟利昂系統(tǒng)已有20余年的歷史，此前未在氨系統(tǒng)中應(yīng)用的根本原因是焊接釬料含有銅。近年來隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為減少系統(tǒng)中氨的充灌量，人們又傾向于使用板式換熱器，因此在傳統(tǒng)板式換熱器的基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量改進(jìn)，可作為冷凝器、蒸發(fā)器、油冷卻器、過冷換熱器和載冷劑冷卻器等。如瑞典的Alfa Laval公司，實(shí)施每?jī)善讳P鋼板片用激光焊接成封門模槽流道組，然后在組與組之間用橡膠封圈密封，有螺栓施加密封壓力這樣就避免了傳統(tǒng)方式中封閉氨的邊框橡膠封圈，大大減少氨的滲漏，為杜絕氨的微量滲漏該公司又研制了采用鎳合金為焊料的焊接板式換熱器。德國(guó)GEAECOFLREX公司在瑞典工廠生產(chǎn)99.99銅釬料的焊接板式換熱器SUS316板片在氨的流通模槽中采用耐氨腐蝕涂層其****工作壓力溫度分別達(dá)3.0MPa/200℃。 為減少制冷系統(tǒng)中氨的使用量，90年代的歐洲和美國(guó)在氨制冷空調(diào)領(lǐng)域開始采用風(fēng)冷冷凝器，隨著蒸發(fā)式冷凝器的節(jié)能優(yōu)勢(shì)及防腐除垢技術(shù)的提高，目前蒸發(fā)式冷凝器已成為應(yīng)用主流，采用干式蒸發(fā)器取代傳統(tǒng)的滿液式蒸發(fā)器，可減少氨充灌量90%-95%，在食品冷凍裝置（食品單體速凍裝置、螺旋式食品速凍裝置、食品平板式凍結(jié)裝置、網(wǎng)帶單體速凍裝置、板帶單體速凍裝置、全流態(tài)化速凍裝置、隧道式超低溫速凍裝置等）中采用干式蒸發(fā)器，直接或間接冷卻食品，將大副削減氨制冷劑的充灌量，提高氨制冷系統(tǒng)的安全性。[本文轉(zhuǎn)自：www.semjy.com]
2.3 潤(rùn)滑油
潤(rùn)滑油是潤(rùn)滑、冷卻、密封運(yùn)動(dòng)部件的介質(zhì)，是制冷壓縮機(jī)安全、可靠運(yùn)行延長(zhǎng)使用壽命的重要條件。目前氨制冷系統(tǒng)的潤(rùn)滑為礦物質(zhì)油，雖然其性能優(yōu)良，但它的****缺點(diǎn)是不能與氨相溶，因而氨系統(tǒng)不可缺少油分離器、集油器等設(shè)備，使氨系統(tǒng)的油路系統(tǒng)非常復(fù)雜、機(jī)組自動(dòng)控制非常困難，使用氨充灌量少的干式蒸發(fā)器困難重重。欲在氨制冷系統(tǒng)中使用干式蒸發(fā)器或簡(jiǎn)化油路系統(tǒng)，就必須找到與氨相溶潤(rùn)滑油如PAG油。
目前國(guó)際上已開發(fā)出能溶于氨的合成潤(rùn)滑油。據(jù)報(bào)道，在日本前川制作所開發(fā)的新型分體式氨制冷劑冷水機(jī)組中，采用了與氨互溶的潤(rùn)滑油，這樣氨制冷系統(tǒng)不僅可以省去油氨分離器、集油器以及相應(yīng)的管路，而且從工程造價(jià)和操作維護(hù)方面也將得到相應(yīng)的收益，同時(shí)可以使制冷系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單、緊湊這對(duì)開發(fā)小型氨制冷裝置及簡(jiǎn)化現(xiàn)有的氨制冷系統(tǒng)非常有利。
三、冷庫氨制冷系統(tǒng)中存在的問題
3.1 理論上認(rèn)識(shí)不足、重視不夠
氨制冷壓縮機(jī)在我國(guó)較早地得到發(fā)展，為我國(guó)的工業(yè)、食品冷凍冷藏發(fā)揮了重大作用，但發(fā)展緩慢，尤其研發(fā)成果較少。以利用余熱的吸收式制冷來說，溴化鋰吸收式制冷技術(shù)的研究很多，而能夠制取零度以下的氨水吸收式制冷機(jī)等卻很少有人研究，到目前為止國(guó)內(nèi)雖有一些就氨制冷在冷凍冷藏等方面應(yīng)用性的文章，但很少見到關(guān)于氨制冷技術(shù)研發(fā)方面有關(guān)氨制冷劑的強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)技術(shù)，也很少有研究報(bào)道，而氨冷水機(jī)組的研究制造幾近空白。
3.2 設(shè)計(jì)、操作中存在不足
我國(guó)對(duì)氨制冷技術(shù)的應(yīng)用一直沒有中斷，積累了很多氨制冷系統(tǒng)及裝置的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，但還缺乏對(duì)氨制冷系統(tǒng)的理論和綜合性的研究。在現(xiàn)行的《冷庫設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50072-2001和設(shè)計(jì)手冊(cè)中，有關(guān)氨制冷系統(tǒng)的計(jì)算公式等，尚采用大量的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，經(jīng)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的數(shù)據(jù)相對(duì)較少。
長(zhǎng)期以來氨的毒性和可燃性被人為夸大了。一是由于氨的氣味具有強(qiáng)烈的刺激性，二是發(fā)生過一些氨泄漏及管路爆裂等事故。分析事故原因完全可以從設(shè)計(jì)、工程安裝和操作上避免。一些事故是由于操作人員缺乏有關(guān)技術(shù)知識(shí)，工人未經(jīng)培訓(xùn)就上崗、專業(yè)素質(zhì)較差、不遵守操作規(guī)程等所致，大多數(shù)事故是操作不當(dāng)導(dǎo)致的，另一方面，非正規(guī)安裝單位安裝工程無法保障安裝質(zhì)量，還有設(shè)備制造質(zhì)量問題也是導(dǎo)致事故的重要原因。對(duì)此有關(guān)機(jī)構(gòu)也加強(qiáng)了這方面國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的立項(xiàng)工作。
3.3 防護(hù)措施相對(duì)較弱
根據(jù)氨的要求，除了必備的穩(wěn)步還應(yīng)不斷完善其防護(hù)措施。安全措施在以往的氨制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮得較為周全，且得到不斷完善。如系統(tǒng)雙安全閥的使用、壓力控制器在系統(tǒng)壓力超過規(guī)定值的報(bào)警停機(jī)、液位控制器的正常液位控制及超高液位報(bào)警停機(jī)、《氨制冷系統(tǒng)安裝工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》SBJ12-2000對(duì)管路焊接和系統(tǒng)氣密性試驗(yàn)的要求等。但是國(guó)內(nèi)氨制冷系統(tǒng)的安全措施相對(duì)較弱，雖然在以往的設(shè)計(jì)中設(shè)有緊急泄氨器但缺乏連鎖控制，且防護(hù)要求和必備設(shè)施也不夠完備。如美國(guó)的氨制冷系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)的用氨量，設(shè)置有不同容量的水罐和相應(yīng)的控制系統(tǒng)，以備事故時(shí)的緊急泄氨應(yīng)急和措施，在機(jī)房或可能需要檢修的地方如低壓循環(huán)桶、氨泵附近設(shè)有手拉式沐浴器和洗臉?biāo)栌糜谌松矸雷o(hù)，在機(jī)房和庫房?jī)?nèi)均設(shè)有吊頂消防噴淋裝置，由獨(dú)立的水系統(tǒng)組成，一旦發(fā)生泄漏立即供水處理被泄漏房間。該防護(hù)系統(tǒng)由設(shè)在易漏氨區(qū)域的漏氨檢測(cè)儀時(shí)時(shí)監(jiān)控確保氨制冷系統(tǒng)在緊急事故時(shí)的人員與設(shè)備安全、做到萬無一失。
四、冷庫氨制冷系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)
氨制冷系統(tǒng)的應(yīng)用已有百余年歷史，應(yīng)該說人們對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)都有足夠的認(rèn)識(shí)。當(dāng)前為推進(jìn)我國(guó)制冷空調(diào)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)保、節(jié)能步伐，氨作為一種性能優(yōu)良的天然制冷劑在制冷行業(yè)有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。氨制冷系統(tǒng)在安全應(yīng)用的基礎(chǔ)上將會(huì)有很大的發(fā)展空間。
4.1 氨制冷設(shè)備的質(zhì)量和能效將得到提高
隨著研究工作的不斷深入一些科研成果、專利技術(shù)不斷涌現(xiàn)。隨著對(duì)氨制冷劑強(qiáng)化傳熱技術(shù)用金屬材料和潤(rùn)滑油、高效氨用壓縮機(jī)等科研成果的完善和加工工藝的進(jìn)一步改進(jìn)，氨制冷設(shè)備的整體質(zhì)量將更有保障，運(yùn)行能效比也將不斷提高。
4.2氨制冷系統(tǒng)將機(jī)組化、小型化。
為促進(jìn)氨制冷系統(tǒng)的廣泛使用，必須進(jìn)行氨用換熱器的強(qiáng)化傳熱研究，縮小換熱器尺寸，研發(fā)氨用電子膨脹閥和小型全封閉氨壓縮機(jī)，同時(shí)通過優(yōu)化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化與完善制冷循環(huán)，實(shí)現(xiàn)氨制冷裝置的機(jī)組化和小型化。
4.3大型氨制冷系統(tǒng)將進(jìn)一步簡(jiǎn)化。
與氨相溶的潤(rùn)滑油開發(fā)成功后，在設(shè)計(jì)中就可省去油氨分離器、集油器以及管路和閥門，通過氨膨脹閥或氨電子膨脹閥便可省去低壓循環(huán)桶等一些附屬設(shè)備。如此設(shè)計(jì)師們便可采用氟利昂制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路來進(jìn)行氨制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并在氨制冷系統(tǒng)的高壓側(cè)采用機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)思路，氨制冷系統(tǒng)便可得到進(jìn)一步的簡(jiǎn)化。
4.4氨制冷系統(tǒng)控制將更趨自動(dòng)化。
21世紀(jì)的控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控等為系統(tǒng)的自動(dòng)控制提供了相應(yīng)的技術(shù)支持和保證，也為氨制冷系統(tǒng)的全自動(dòng)控制提供了發(fā)展空間。自動(dòng)化問題涉及到油的開發(fā)、氨用電子節(jié)流閥的研制、系統(tǒng)循環(huán)設(shè)計(jì)、制冷系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性等問題，而這些問題的逐步解決將推進(jìn)氨制冷系統(tǒng)的自動(dòng)化進(jìn)程，對(duì)制冷系統(tǒng)的高效節(jié)能運(yùn)行、制冷系統(tǒng)的安全使用和安全防護(hù)、降低生產(chǎn)成本等都將帶來新的變革。
4.5 氨制冷系統(tǒng)的安全性、可靠性將更加完善。
安全措施和防護(hù)措施兼?zhèn)涫前敝评湎到y(tǒng)安全使用的必備條件。隨著控制元件控制及其精度和質(zhì)量的不斷提高，安全措施也將得到進(jìn)一步保障。由于氨屬于天然易溶于水，形成的氨水可成為農(nóng)田的肥料，通過合理的技術(shù)手段將危險(xiǎn)事故的處理轉(zhuǎn)化為合理、有益的應(yīng)用。有這些安全防護(hù)措施再加上嚴(yán)格氨的使用、操作、維護(hù)規(guī)程，加強(qiáng)氨系統(tǒng)管理人員的培訓(xùn)，氨制冷系統(tǒng)的應(yīng)用將更加完善。
4.6 氨制冷技術(shù)的應(yīng)用范圍將更加廣泛。
隨著適用于氨系統(tǒng)的新材料的開發(fā)，制冷設(shè)備質(zhì)量和效率的不斷提高，制冷系統(tǒng)機(jī)組化、小型化，大型氨制冷系統(tǒng)的簡(jiǎn)化自動(dòng)化控制程度不斷提高以及氨制冷劑使用安全性更有保障，氨在制冷技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏訌V泛。 [本文轉(zhuǎn)自：www.semjy.com]
五、總體結(jié)論
我國(guó)氨制冷技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及今后的研究方向
5.1 在氨核心設(shè)備螺桿式制冷壓縮機(jī)生產(chǎn)技術(shù)有重大突破的基礎(chǔ)上，不斷加強(qiáng)氨用換熱器的傳熱技術(shù)研究，不斷研發(fā)適合各種制冷環(huán)境需要的高效換熱器等設(shè)備，研發(fā)氨用電子膨脹閥和與氨互溶的潤(rùn)滑油以提高系統(tǒng)的整體性能 。
5.2 研發(fā)適用于氨制冷系統(tǒng)的新材料、深化小型氨制冷壓縮機(jī)的研發(fā)，加強(qiáng)氨制冷循環(huán)及其運(yùn)行特性，研究提高自動(dòng)控制水平，實(shí)現(xiàn)氨制冷裝置的機(jī)組化、小型化和自動(dòng)化及大型氨制冷系統(tǒng)的簡(jiǎn)化 。
5.3 加強(qiáng)氨制冷系統(tǒng)的安全保護(hù)及防護(hù)措施，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中通過優(yōu)化系統(tǒng)、采用板式換熱器、采用氨直接膨脹供液方式、采用NH3/CO2復(fù)疊式制冷循環(huán)等措施減少氨的用量，提高操作系統(tǒng)維修人員的技術(shù)水平，減少因操作帶來的氨泄漏，在防護(hù)系統(tǒng)中設(shè)置應(yīng)急水系統(tǒng)及氨回收系統(tǒng)以應(yīng)對(duì)突發(fā)事故的發(fā)生。
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| 來源：互聯(lián)網(wǎng) |
作者：互聯(lián)網(wǎng) |
日期：2014年5月16日 |
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