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| 冷库氨制冷系统的现状与发展趋势解析 |
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冷库氨制冷系统的现状与发展趋势解析
最近几年,以氨为代表的天然制冷剂受到了越来越多的制冷科技工作者的青睐,人们对氨制冷剂开始重新评价,并已投入大量的人力物力,致力于氨的安全性能和制冷系统及其设备技术的研究。一些具有核心技术的氨制冷设备、控制元器件等已研发并批量生产,为冷库氨制冷系统的技术进步创造了有利条件。如何更广泛地加快氨制冷系统的研究与应用,已成为全世界制冷科技工作者的重要课题之一。
以下内容分析了国内外冷库氨制冷系统的应用现状和存在的问题、氨制冷技术的发展趋势和应逐步解决的问题提出我国在氨制冷技术方面需进一步开展的工作。
一、氨制冷剂的主要特点
氨在一百多年前已被用作制冷工质，目前仍是很重要的中温制冷工质之一。其正常蒸发温度为-33.4℃使用范围是5℃-70℃，当冷却水温度高达30℃时冷凝器中的工作压力一般不超过15kg/cm2。压力比较适中。 氨的临界温度较高tkr132℃氨的汽化潜热大，在大气压力下为327.5kcal/kg，单位容积制冷量也大，所以氨制冷压缩机的尺寸可以较小。
纯氨对润滑油无不良影响。但有水分时会降低冷冻油的润滑作用。氨易溶于水，在常温下一个单位容积的水可以溶解700个单位，容积的氨因此排除了系统形成冰塞的可能性。 纯氨对钢铁无腐蚀作用，但当氨中含有水分时将腐蚀铜及铜合金（磷青铜除外），故在氨制冷系统中对管道及阀件不得采用铜及铜合金。
氨的蒸汽无色有强烈的刺激臭味。氨对人体有较大的毒性，当氨液飞溅到皮肤上时会引起冻伤。当空气中氨蒸汽的容积浓度达到0.50.6时可引起中毒。因此车间内空气中氨的浓度不得超过0.02mg/L。
氨在常温下不易燃烧，但加热至530℃时则分解为氮气和氢气氢与空气中的氧混合会发生爆炸。
氨在其安全性分类中属于B2类制冷剂。在《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》中规定为ⅡAT级，在《建筑设计防火规范》中规定为乙类即氨属于最低爆炸危险等级。这些特点都使其应用受到了一定的限制，所以不宜用于民用建筑的空调冷源系统。
氨与矿物基润滑油和PAO润滑油不相容，故随排汽进入制冷系统的冷冻油易在换热壁上形成油膜影响换热。且因氨的密度比润滑油小，润滑油沉积在制冷系统的管道、容器的底部故通常采用满液式蒸发器和氨泵供液，形式并结合采用油分离器和集油器等设备，通过手动与自动控制使润滑油安全返回压缩机。为保证润滑油的润滑特性必须采取相应的冷却措施。
氨容易制造，价格低廉，便于购买。其广泛应用于蒸发温度在-65℃以上大型、中型、活塞式、螺杆式制冷系统中。
二、冷库氨制冷系统的应用现状
2.1 制冷系统
氨制冷系统在食品冷冻冷藏领域多为直接制冷系统。但也有少量间接制冷系统。采用间接制冷系统主要是从安全角度考虑，在特大型的贮藏果蔬的冷库中为防止氨制冷剂泄漏，于冷却物冷藏间内、且尽量减少系统的用氨量，采用以氨为制冷剂、乙二醇为载冷剂的间接制冷系统。
近年来各地已开始应用NH3和CO2的复叠式制冷系统。其高温级采用NH3，低温级采用CO2，避免了因地震等意外原因可能导致的氨在库房内意外泄漏而影响贮存食品的安全问题，同时也减少了整个制冷系统的用氨量提高了冷库系统的安全性。
现阶段氨制冷系统的供液方式多为直接膨胀供液、重力供液和氨泵强制供液且系统自控能力较强。
我国在上个世纪50年代以前，为食品冷冻冷藏配置的氨制冷系统多为直接膨胀供液，从70年代开始我们开始自行研制，并从国外引进制冷自控元件，直接膨胀供液逐步被重力供液和氨泵强制供液所取代。80年代后，以可编程序控制器PLC及用PLC组成的集散式控制系统，DCS控制系统控制的采用氨泵强制供液方式的全自动或半自动氨制冷系统开始逐渐投入使用。
2.2 制冷部件
目前在氨制冷系统中，制冷压缩机多为活塞式和螺杆式制冷压缩机。前者出现较早使用广泛，其优点在于使用方便、运行可靠、管理经验成熟冷量范围大、单位制冷量耗电量较低加工较简单造价较为低廉，维修方便。其缺点是压缩机体积大、易损部件多，单台制冷量相对较低。而螺杆式压缩机的结构简单、体积小、易损部件少、重量轻振动小容积效率高、具有能量调节，其缺点是单位冷量耗电比活塞式稍高，喷油冷却使润滑油系统复杂而庞大，耗油高，噪声大，螺杆的加工精度要求高。相对而言因螺杆式压缩机能方便地控制排气温度，在氨制冷系统中将会更加广泛地应用。
在上世纪80年代以前，壳管式换热器应用较为普遍。但是其质量、占地面积、换热性能及拆卸灵活性等不如板式换热器。板式换热器应用于氟利昂系统已有20余年的历史，此前未在氨系统中应用的根本原因是焊接钎料含有铜。近年来随着社会经济和科学技术的发展，为减少系统中氨的充灌量，人们又倾向于使用板式换热器，因此在传统板式换热器的基础上进行了大量改进，可作为冷凝器、蒸发器、油冷却器、过冷换热器和载冷剂冷却器等。如瑞典的Alfa Laval公司，实施每两片不锈钢板片用激光焊接成封门模槽流道组，然后在组与组之间用橡胶封圈密封，有螺栓施加密封压力这样就避免了传统方式中封闭氨的边框橡胶封圈，大大减少氨的渗漏，为杜绝氨的微量渗漏该公司又研制了采用镍合金为焊料的焊接板式换热器。德国GEAECOFLREX公司在瑞典工厂生产99.99铜钎料的焊接板式换热器SUS316板片在氨的流通模槽中采用耐氨腐蚀涂层其****工作压力温度分别达3.0MPa/200℃。 为减少制冷系统中氨的使用量，90年代的欧洲和美国在氨制冷空调领域开始采用风冷冷凝器，随着蒸发式冷凝器的节能优势及防腐除垢技术的提高，目前蒸发式冷凝器已成为应用主流，采用干式蒸发器取代传统的满液式蒸发器，可减少氨充灌量90%-95%，在食品冷冻装置（食品单体速冻装置、螺旋式食品速冻装置、食品平板式冻结装置、网带单体速冻装置、板带单体速冻装置、全流态化速冻装置、隧道式超低温速冻装置等）中采用干式蒸发器，直接或间接冷却食品，将大副削减氨制冷剂的充灌量，提高氨制冷系统的安全性。[本文转自：www.daleng.cc]
2.3 润滑油
润滑油是润滑、冷却、密封运动部件的介质，是制冷压缩机安全、可靠运行延长使用寿命的重要条件。目前氨制冷系统的润滑为矿物质油，虽然其性能优良，但它的****缺点是不能与氨相溶，因而氨系统不可缺少油分离器、集油器等设备，使氨系统的油路系统非常复杂、机组自动控制非常困难，使用氨充灌量少的干式蒸发器困难重重。欲在氨制冷系统中使用干式蒸发器或简化油路系统，就必须找到与氨相溶润滑油如PAG油。
目前国际上已开发出能溶于氨的合成润滑油。据报道，在日本前川制作所开发的新型分体式氨制冷剂冷水机组中，采用了与氨互溶的润滑油，这样氨制冷系统不仅可以省去油氨分离器、集油器以及相应的管路，而且从工程造价和操作维护方面也将得到相应的收益，同时可以使制冷系统更加简单、紧凑这对开发小型氨制冷装置及简化现有的氨制冷系统非常有利。
三、冷库氨制冷系统中存在的问题
3.1 理论上认识不足、重视不够
氨制冷压缩机在我国较早地得到发展，为我国的工业、食品冷冻冷藏发挥了重大作用，但发展缓慢，尤其研发成果较少。以利用余热的吸收式制冷来说，溴化锂吸收式制冷技术的研究很多，而能够制取零度以下的氨水吸收式制冷机等却很少有人研究，到目前为止国内虽有一些就氨制冷在冷冻冷藏等方面应用性的文章，但很少见到关于氨制冷技术研发方面有关氨制冷剂的强化传热传质技术，也很少有研究报道，而氨冷水机组的研究制造几近空白。
3.2 设计、操作中存在不足
我国对氨制冷技术的应用一直没有中断，积累了很多氨制冷系统及装置的应用经验，但还缺乏对氨制冷系统的理论和综合性的研究。在现行的《冷库设计规范》GB50072-2001和设计手册中，有关氨制冷系统的计算公式等，尚采用大量的经验系数，经理论计算和实验验证的数据相对较少。
长期以来氨的毒性和可燃性被人为夸大了。一是由于氨的气味具有强烈的刺激性，二是发生过一些氨泄漏及管路爆裂等事故。分析事故原因完全可以从设计、工程安装和操作上避免。一些事故是由于操作人员缺乏有关技术知识，工人未经培训就上岗、专业素质较差、不遵守操作规程等所致，大多数事故是操作不当导致的，另一方面，非正规安装单位安装工程无法保障安装质量，还有设备制造质量问题也是导致事故的重要原因。对此有关机构也加强了这方面国家标准的立项工作。
3.3 防护措施相对较弱
根据氨的要求，除了必备的稳步还应不断完善其防护措施。安全措施在以往的氨制冷系统设计中考虑得较为周全，且得到不断完善。如系统双安全阀的使用、压力控制器在系统压力超过规定值的报警停机、液位控制器的正常液位控制及超高液位报警停机、《氨制冷系统安装工程施工及验收规范》SBJ12-2000对管路焊接和系统气密性试验的要求等。但是国内氨制冷系统的安全措施相对较弱，虽然在以往的设计中设有紧急泄氨器但缺乏连锁控制，且防护要求和必备设施也不够完备。如美国的氨制冷系统根据系统的用氨量，设置有不同容量的水罐和相应的控制系统，以备事故时的紧急泄氨应急和措施，在机房或可能需要检修的地方如低压循环桶、氨泵附近设有手拉式沐浴器和洗脸水盆用于人身防护，在机房和库房内均设有吊顶消防喷淋装置，由独立的水系统组成，一旦发生泄漏立即供水处理被泄漏房间。该防护系统由设在易漏氨区域的漏氨检测仪时时监控确保氨制冷系统在紧急事故时的人员与设备安全、做到万无一失。
四、冷库氨制冷系统的发展趋势
氨制冷系统的应用已有百余年历史，应该说人们对其优缺点都有足够的认识。当前为推进我国制冷空调产业可持续发展和环保、节能步伐，氨作为一种性能优良的天然制冷剂在制冷行业有很强的优势。氨制冷系统在安全应用的基础上将会有很大的发展空间。
4.1 氨制冷设备的质量和能效将得到提高
随着研究工作的不断深入一些科研成果、专利技术不断涌现。随着对氨制冷剂强化传热技术用金属材料和润滑油、高效氨用压缩机等科研成果的完善和加工工艺的进一步改进，氨制冷设备的整体质量将更有保障，运行能效比也将不断提高。
4.2氨制冷系统将机组化、小型化。
为促进氨制冷系统的广泛使用，必须进行氨用换热器的强化传热研究，缩小换热器尺寸，研发氨用电子膨胀阀和小型全封闭氨压缩机，同时通过优化设计简化与完善制冷循环，实现氨制冷装置的机组化和小型化。
4.3大型氨制冷系统将进一步简化。
与氨相溶的润滑油开发成功后，在设计中就可省去油氨分离器、集油器以及管路和阀门，通过氨膨胀阀或氨电子膨胀阀便可省去低压循环桶等一些附属设备。如此设计师们便可采用氟利昂制冷系统的设计思路来进行氨制冷系统设计，并在氨制冷系统的高压侧采用机电一体化的设计思路，氨制冷系统便可得到进一步的简化。
4.4氨制冷系统控制将更趋自动化。
21世纪的控制技术、计算机网络技术、远程监控等为系统的自动控制提供了相应的技术支持和保证，也为氨制冷系统的全自动控制提供了发展空间。自动化问题涉及到油的开发、氨用电子节流阀的研制、系统循环设计、制冷系统的静态与动态特性等问题，而这些问题的逐步解决将推进氨制冷系统的自动化进程，对制冷系统的高效节能运行、制冷系统的安全使用和安全防护、降低生产成本等都将带来新的变革。
4.5 氨制冷系统的安全性、可靠性将更加完善。
安全措施和防护措施兼备是氨制冷系统安全使用的必备条件。随着控制元件控制及其精度和质量的不断提高，安全措施也将得到进一步保障。由于氨属于天然易溶于水，形成的氨水可成为农田的肥料，通过合理的技术手段将危险事故的处理转化为合理、有益的应用。有这些安全防护措施再加上严格氨的使用、操作、维护规程，加强氨系统管理人员的培训，氨制冷系统的应用将更加完善。
4.6 氨制冷技术的应用范围将更加广泛。
随着适用于氨系统的新材料的开发，制冷设备质量和效率的不断提高，制冷系统机组化、小型化，大型氨制冷系统的简化自动化控制程度不断提高以及氨制冷剂使用安全性更有保障，氨在制冷技术的应用领域将更加广泛。 [本文转自：www.daleng.cc]
五、总体结论
我国氨制冷技术的发展趋势及今后的研究方向
5.1 在氨核心设备螺杆式制冷压缩机生产技术有重大突破的基础上，不断加强氨用换热器的传热技术研究，不断研发适合各种制冷环境需要的高效换热器等设备，研发氨用电子膨胀阀和与氨互溶的润滑油以提高系统的整体性能 。
5.2 研发适用于氨制冷系统的新材料、深化小型氨制冷压缩机的研发，加强氨制冷循环及其运行特性，研究提高自动控制水平，实现氨制冷装置的机组化、小型化和自动化及大型氨制冷系统的简化 。
5.3 加强氨制冷系统的安全保护及防护措施，在系统设计中通过优化系统、采用板式换热器、采用氨直接膨胀供液方式、采用NH3/CO2复叠式制冷循环等措施减少氨的用量，提高操作系统维修人员的技术水平，减少因操作带来的氨泄漏，在防护系统中设置应急水系统及氨回收系统以应对突发事故的发生。
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| 来源：互联网 |
作者：互联网 |
日期：2014年5月16日 |
浏览量：1096 |
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