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1、NH /CO覆叠式制冷及其在冷库上的应用综述32郝敬熙 唐建国 江苏天缘物流集团连云港市摘要：本文在对二氧化碳的性质，用作制冷的进展历史，CO的三种制冷循环及其与其他制冷剂的优缺 点进展介绍之后，着重就NH CO覆叠式制冷的几种流程，发其在冷冻、冷藏上的应用做了了重点表达。 3/2关键词：二氧化碳氨氟利昂覆叠式制冷压焰图制冷循环了历 但由 技术 料基 在高力号所1，7年.9.“东区茂 书.Ktrns用使用1WT*:京央该年.H时HbCS的俊用U 1 刖百去年下半年以来，国内局部省市的涉氨制冷企 业接二连三地发生了多起氨（NH ）泄露事故，造 3成人员重大伤亡。业界局部人士谈“氨”色变， 甚至有
2、将“氨”妖魔化的倾向。从而产生了用其 他制冷剂替代氨的诉求，因此，二氧化碳制冷再 次被人提起，并在局部企业付诸使用。由于co以其良好的环保特性、优良的传热 2特性和相当大的单位容积制冷量等优点，前国际 制冷学会主席洛伦森（G.Lorentzen）先生认为二 氧化碳是无可取代的制冷工质，并提出跨临界循 环理论，指出其可望在汽车空调和热泵领域发挥 重要作用。他的主见得到众多学者的大力支持， 从而在全球范围内掀起了一股CO制冷工质的再 2开发与争辩热潮。本文拟就co的物理化学性质 2和制冷特性，制冷循环的根本原理、进展历程及 其应用，作以综合地阐述。一、二氧化碳CO 2 /R744制冷的进展过程 与
3、再次兴起二氧化碳制冷剂应用于压缩制冷，最初是由 美国人特维宁（A. Twining）在1850年提出的，并获 得英国专利。1869年，美国人撒迪厄斯（Thadde us S.C.Lowe）利用二氧化碳作为制冷剂制造了一 台制冰机，由此拉开了应用二氧化碳制冷之序幕。 1930年，80%的船舶承受二氧化碳制冷机,到达史的顶峰。 于受当时 水平与材 础的限制, 压下防止泄漏很难做到，二氧化碳制冷技术并没有进一步 开发运用。特别是1931年以R12为代表的CFCs（氯 氟烽）制冷剂一经开发，便以其无毒、不行燃、 不爆炸、无刺激性、适中的压力和较高的制冷效 率，很快取代了二氧化碳在制冷剂方面的位置， 迎
4、来“氟利昂时代”。后来觉察氟利昂对臭氧层有 破坏作用，co反过2 来又要 替代氟 利昂。其 进展的 历程如 上图所Zj o这一轮改用二氧化碳制冷初衷，首先是为了 替代氟利昂制冷剂。依据1987年蒙特利尔协议和 1997年京都议定书，由于氟利昂制冷剂对臭氧层 有破坏作用，并影响全球气候变暖，将其列入淘 汰或过渡性淘汰的品种一见上图。CFC （如R12） 我国已于2022年停顿生产；HCFCs （而R22）在 欧美也已停顿使用，虽然规定进展中国家可以延 长到2030年，但已开头限产。中国2022年开头 实施HCFCs生产和使用配额许可证制度;2022年9 月14日我国政府对含氢氯氟烽生产行业淘汰打
5、 算正式启动;而在此之前国家主席同美国总统奥巴 马在庄园会晤中，也曾就气候变化等全球性问题 上进展了有效地沟通和协调。随着我国综合国力 的提高，我们随时都可能宣布其提前进入HFCS 物质的淘汰冻结期，削减与终止它的使用。因此, 查找氟利昂的替代物已为当务之急，二氧化碳制 冷的再起，缘此而生。其次、2022年6月份以来国内局部食品企业 的泄氨事故，造成重大人员伤亡，让人揪心。事 故之后企业法人首当其冲受到刑责处理。因而， 业界局部人士产生了用其他制冷剂替代氨的诉 求。氨（NH/R717）本是一种最抱负的制冷剂， 它的ODP与gWP都为0,不会破坏臭氧层及影响 气候变暖；但氨有一种猛烈的气味，会对
6、人造成 损害。不过氨的异味也有其两重性，它不要任何 仪表即可感受到氨的泄漏，而准时实行应急措施 处理。因此，只要加强治理，“氨”亦可安！ 二、二氧化碳及其制冷循环1、co的性质 2二氧化碳是空气中常见的化合物，它由两个 氧原子与一个碳原子通过共价键构成。其化学式 为C02,相对分子质量为44O所以作为制冷剂的 符号为R744。CO2在常压、常温下它是一种无色无 味的气体，密度比空气大。空气中有微量的二氧 化碳，约占0. 03%o人呼出的气体中二氧化碳约 占4%。大气中的二氧化碳含量随季节变化，这 主要是由于植物的光合作用消耗二氧化碳，而有 所升降。2、二氧化碳的压焰图及其制冷循环系统CO的压焰
7、图：压缩式制冷是co制冷应用的主要方式。co 22的临界温度为31. 1,接近环境温度。依据循环“ 的外部条件可以实现以下三种制冷循环。亚临界制冷循环一其循环过程如图1压熔图1-2-3-4 压缩机 压力都 压力，蒸 冷凝温 临界温 吸、放热 亚临界 行，换热以以下图的 所示。此时 的吸、排气 低于临界 发温度和 度也低于 度。循环的 过程都在 条件下进 过程主要依靠潜热来完成。亚临界循环时CO常用2在低温冷冻设备的复叠制冷系统的低温级，而高 温级使用氨或氟利昂。跨临界制冷循环一如图 换热过程主耍依靠潜热来完成；但压缩机的排气 压力要高于临界压力，工质在高压侧的换热过程 通过显热交换来完成，这与
8、亚临界状态下的冷凝 完全不同，此时高压换热器不再成为冷凝器， 由于在此换热器中没有相态的变化，而称之为气体 冷却器。超临界制冷循环一如图1压焰图上图的1 ” -2 ” -3-4”，即全部的循环都在临界点之上，工质的 循环过程没有相变，不能变为液态，实际上是气 体循环。3、二氧化碳（CO /R744）作为制冷的优缺点： 2co在常温常压下为无色、无臭、不助燃、不 2可燃的气体。是一种自然的制冷剂。其优点具体 有以下几点：良好的环保特性，它的ODP为 零，GWP为1,远远小于CFCs和HFCs； 它安全 无毒、并具有良好的热稳定性和化学稳定性，即 使在高温下也不会分解出有害的气体。万一泄漏 对人员
9、、食品、生态都无损害；可适应各种润滑 油和常用机械零部件材料；具有优良的传热特性，动力粘度低（是河的5.2%）,设备压降损 3失较小；单位容积制冷量相当高，是氨的5倍， 可减小制冷设备与管道的尺寸； CO制冷循2环的压缩比要比常规工质制冷循环低，压缩机的 容积效率可维持在较高的水平；NH /CO覆叠 32式制冷使用氨的数量约为氨系统的1/10。C0的缺点是：co临界点温度很低，仅为 2231.在传统的C0亚临界循环下要求冷凝温度2低于31.1C,这也使循环过程很接近临界点，导 致相变过程线较短，使得循环的单位制冷量较小， COP低;三相点压力较高,为0.518MPa,因此 在常压下C0只有固相
10、和气相，而不存在液相，仅 2有固、气两相的转化，也就是我们生疏的干冰升 华；无论亚临界循环还是跨临界循环，二氧化 碳制冷系统的运行压力都高于传统的氨制冷系 统，这给系统及设备部件的设计带来很多的要求。但是，co不能作为单一工质用作制冷，由于 21压熔图中以以下图的1-2,-3-4,所示。此时压缩机的吸气压力低于临界压力，蒸发温度低于临 界温度，循环的吸热过程仍在亚临界条件下进展，80%。C0单级理论循环NH单级理论循环 光合作用即光能合成作用，是植物、藻类在可见光的 照耀下，经过光反响和碳反响，利用光合色素，将二氧化 碳和水转化为有机物，并释放出氧气（或氢气）的生化过 程，是生物赖以生存的根底
11、。 最近也有学者提出了CO2蒸气固体颗粒的制冷循环。-Calculated:QekJilg130.649Oc kykg201.596COR1 84Wkjykg:70.947Pressure rolio 日4714QeKV108a328Qc kJ如Hl 4 062OOP331Wk4iKg:J27I34一网 tw rorw 计B0713其效率较低。从下表工况为（-28/30）可以看 出，氨的单级制冷比二氧化碳单级制冷COP高出注：Pressure ratio-压缩比4、CO与其他制冷剂性能与毒性的比较2大家都期望制冷剂在安全性、循环效率、价格 等方面均佳，但实际上并没有一种十全十美的制 冷剂。与其
12、它制冷剂相比，co有其优势也有其不2足见表一、表二）。表一几种主要制冷剂的性能比较儿钟切用1国竹健比较杈RM4R717R22RIM.分子我CO:NbhCHF2aClkFCTi三Q力Hi力Mr0.518O.(HXM)6-56 55-77.7-160.101.0mite 帆 u：常 it000.0550101700130031.113396101.7界限力mn737211.424.9 F4.0552260043604344I860表二几种制冷剂毒性比较州1 钱毓让虹交It言旅始码的虢翱（林0.M2Moa灯蹲W6NHIS0H6科蹴mRI22HM90麻糊烧iR222u郴烯5、NH /CO复叠式制冷的原
13、理及根本流程：32CO /NH复叠制冷系统的原理（结合流程图 23理解）在CO/NH复叠制冷系统中,CO用作低温段制 232冷剂,NH用作高温段制冷剂。两个制冷循环通过3一个冷凝蒸发器联系在一起，构成完整的复叠循环。高温段NH循环是常规的制冷循环，NH在33冷凝蒸发器中蒸发，使高温co气体冷凝通2俗地说NH系统相当于CO的冷却塔）。在冷凝32蒸发器中，冷凝后的co ,进入气液分别器，液2态co通过co循环泵，送到co蒸发器（如单冻机 222或冷血机）；盔过蒸发器后的两相co返回气液分 2离器，气态CO被压缩机吸入，经过压缩后进入冷2凝蒸发器冷凝。如此循环反复，完成整个复叠制 冷循环。氨/一.氧
14、化碳复叠式制冷系统流程图：NH /CO复叠式制冷组合于一起的（双）压焰图： 326、NH /CO复叠式制冷系统的优点： 32它削减了 NH的担忧全因素：NH3/CO23复叠式制冷系统，大大的降低NH工质的充注量，3它约是传统氨系统用量的1/10 ；把NH，限制 存在机房、设备间里，相当于把“老虎”关在 ,笼子里，由专业技术人员看管；充分利用NH3在高温区良好传热性能，用于冷却CO o2co作为介质进入人员密集的操作间如单冻 2机）和库房，保证了人员及财产的安全。co作为低温级工质应用： 可以抑制其压力2高的缺点 充分利用co在低温工况换热效2率高的优势。7、CO载冷剂系统2CO载冷剂系统的概念
15、：2下面二个图所示，为NH / CO制冷系统的CO322作为二次制冷剂,通过重力循环完成冷凝与换热 的过程。C02载冷剂系统的流程图1 :CO载泠剂的流程图、压燃图 2有中温区时co中间带负荷的流程图:CO2JL 临机NH3KMCO,作为载冷剂的特点：用车主制冷循环的二次回路；（2）C0是相2变载冷；在传递同等冷量的前提下，循环量远小于其他载冷剂。总之，co作为载冷剂与其他载冷剂比较：具2有粘度低、换热COP高、比热大、流量小等优点。8、CO在单冻机的冲霜系统2单冻机用于食品加工车间，这里是人员密集的 场所。假设使用氨制冷，一旦发生事故将会造成 大量人员死亡。上海8. 31事故、乳山11. 2
16、8事故就 是出自单冻机的管帽被炸开脱落，而产生的缘由 又是冲霜时压力变化所致。单冻机改用CO制冷，2即使泄露也不会发生人员死亡事故。低温co热气冲霜的原理与氨系统一样。其 2方法是利用压缩机排出的高温高压气体，进入单 冻机蒸发器），利用排气的热负荷把蒸发器外表 的冰溶化。冲霜时要把握进入蒸发器内气体压力， 当co压缩机排气压力低,对应的co饱和温度低，22不能使蒸发器外表冰溶化；而co压缩机排气压力2高，对应co气体饱和温度高，冲霜效果较好，但 2压缩机排气压力高，压缩机运行条件恶劣。单冻机冲霜管路的做法如以以下图上面 一根黄色管线就是热气管：9、维持机组的应用在CO单冻机压缩系统中，当设备停
17、用时间较 2久，压缩机长期不运行时（一般在夏季为3天、其它季节则可更长时间），由于温差的存在，CO系2统从环境不断吸取热量，CO液体汽化、系统压力2上升。当到达设定压力时，需要将关心制冷机 组开启如以以下图），对co气体进展冷却、冷 凝，2确保系统压力在安全范围内。冷库温度相对稳定，可以不考虑维持机组。林助制。机用只用风冷比洋尔 话塞冷星机组怩7三、NH /CO复叠式制冷的综合优势32co制冷的的优势一般归纳为环保、安全与节2 能三个方面。环保方面：由于它的臭氧层潜能值ODP）为 0,全球气候变暖潜能值GWP）为1,根本上对环 境没有影响。安全方面，CO在常温常压下为无色、无臭、 2不助燃、不
18、行燃的气体，假设是气态泄露，它融 入一般的大气；假设是液态泄漏它将变成干冰， 对人员不好产生损害。节能方面：据冰轮集团与Danfoss公司的资 料介绍，NH /CO复叠式制冷运行电费，随着蒸发 32温度的降低，节能幅度增大。如以以下图“复叠系 统效率比较图”所示：从图中可以看出，复叠系统与其他系统相比 较，在COP有以下优势：NH /CO螺杆复叠制冷系统，在蒸发温度为 32-45工况下，COP比NH双级制冷系统（理论计3算的最正确配搭）高8. 8%。比实际常规配搭高10% 以上；在-40/+25工况下，比NH的双机配搭高13. 5%；3比122双机配搭高17.2%；在-50/+25,比NH的双机配搭高29如 比R223双机配搭高25机后记至2022年九月底为止，国内已经建成的冷库有 烟台丰润食品公司、威海久业食品公司和大连獐 子岛海洋水产公司三个工程。丰润已经运行五 年， 久业与獐子岛分别是2022年与2022年上半年建成 的。不久前我们考察了烟台丰润食品、威 海久业食 品两家企业，他们的设备运行状况良好、全部做到 了无人值守。据了解北京、重庆、福建、大连、徐 州等地有十几个二氧化碳冷库在建，我公司三期工程一万吨冷库也改用了 NH /CO复叠32式制冷，目前正在紧急地安装设备，估量马上投 入试运行。2022.4