氨制冷系統小型化存在哪些問題？如何解決？

　　一、氨制冷劑性質

　　1.1 氨制冷劑的特性

　　（1）氨屬于天然制冷劑，具有良好的熱力學性能和熱物理性質；

　?。?）全球變暖潛能值(GWP)和臭氧消耗潛能值(ODP)為零；

　?。?）密度為0.771 g/L，臨界溫度132.4 ℃，融點-77.7 ℃，沸點-33.5℃，常溫下冷凝壓力一般為1.1 MPa～1.3 MPa。

　?。?）導熱系數大，傳熱性能良好，汽化潛熱大，在標準大氣壓力下為1164 kJ/kg，單位標準容積制冷量大約為2175.68 kJ/m3。

　?。?）氨液價格低，對比R22和R134a，2022年3月，1噸液態氨為4000～5000元，1噸R22制冷劑要18000元左右，1噸R134a要27000元左右。

　　（5）應用較早。早在2013年，美國氨在工業冷凍中使用超過95%，應用于食品與飲料加工和冷凍冷藏業。

　　（6）有毒性：人吸入氨氣時會出現流淚、呼吸困難等情況；

　?。?）可燃性：在空氣中濃度達到16%～25%時，遇明火可能會發生燃燒和爆炸；

　　但氨制冷劑已有多年應用歷史，其安全等級為B2。氨有強烈刺激性氣味，發生泄露時容易發現。同時，氨氣密度小于空氣，容易上升，當發生氨泄漏事故可通過通風排氣及噴淋裝置及時除去空氣中的氨。通過對氨系統進行規范設計、施工、操作，可保證氨系統的安全性、可靠性。

　　1.2 氨制冷劑與其他制冷劑的對比

　　（1）氨的潛熱極高，在-15 ℃時汽化潛熱是R22的6.4倍，是R410A的5.5倍，因此在單位質量流量上比蒸汽壓縮制冷系統中使用的鹵代烴制冷劑的制冷效果都好。

　　（2）氨的氣體密度相對較低，這是由于其分子量低，與較重的碳氟化合物制冷劑相比，壓縮機吸氣體積有所增加，但是把潛熱和密度的結合來看，在相同典型工作條件下氨的單位體積制冷效果比R134a高約60％。

　?。?）氨的聲速遠高于所有其他制冷劑，在-10 ℃時，氨的聲速為397.5 m/s，而R134a為146.9 m/s，R404A為143.4 m/s，這意味著管道、閥門和配件的設計氣體流速可以更高，且不會造成過度的損失；對壓縮機設計產生積極影響，進氣口和排氣閥的效率損失要比其他制冷劑低得多。

　　（4）與氟碳類制冷劑相比，氨制冷劑受水和油等污染物的影響更小。水會積聚在系統的低壓側，對系統效率產生不利影響，但不會使氨系統停工，而R22系統中多余的水可能會在膨脹閥結冰形成冰堵使系統無法工作。

　　1.3 安全性   

　?。?）氨制冷劑極易泄露，一旦泄露很容易發生危險；

　?。?）氨對銅和橡膠具有腐蝕性，因此氨制冷系統密封需要使用專門的高效密封件。

　?。?）氨極易溶于水，可以使用水來處理氨泄露，使之變成氨水，氨水可以作為高效載冷劑等進行再利用。

　　日本制冷委員會對168件氨系統泄漏事件統計發現，人為操作事故高達45%，要提高系統自動化水平，加強工作人員專業素質，盡量降低事故發生概率。

　　二、氨制冷系統應用

　　氨制冷系統輔助設備較多，系統相對復雜，但是對大負荷下制冷工況變化的適應能力較強，所以廣泛應用于食品行業的低溫速凍及低溫貯藏環節：如屠宰及速凍加工常用-40 ℃～-25 ℃的速凍間、0 ℃左右的高溫冷藏庫等。在冷庫規模大、負荷高時，都可以采用氨系統直接或間接的冷卻方式。

　　氨制冷在國內已有多年應用歷史，自1955年，我國建造第一個4萬噸大型冷庫起，氨制冷系統一直是我國大中型冷庫建造的首選。但受限于當時的技術水平，在氨制冷系統安全控制和自控方面很落后。但對比當地鹵代烴類制冷系統的冷庫，氨系統冷庫在能效方面依然具有一定的優勢。

　　2.1 將氨制冷劑集中于機房的應用

　　有研究者介紹了以CO2為載冷劑的氨制冷系統原理，該系統大大減少了氨制冷劑的充注量，且氨制冷劑只存在于機房中，將人員密集區和機房分離開，防止氨污染產品且提高了系統的安全性。

　　CO2為自然工質，作為載冷劑具有不燃不爆、對人和環境無害、價格低廉的特點，且CO2泵運送功率低，管道尺寸小，傳熱性好，無腐蝕性，與傳統非相變載冷劑相比，成本更低。CO2的傳熱性能良好，因此可以設計高效緊湊的換熱設備，降低系統耗能。

　　目前商用CO2做載冷劑的氨制冷系統已經在大型商場和部分工業制冷領域應用。氨在復疊式制冷系統中也有良好的應用。氨作為氨/CO2復疊式制冷系統的高壓級，CO2作為低壓級，CO2容積制冷量較高，系統具有良好的性能，并且系統將氨集中在機房，所以氨/CO2復疊式制冷系統環保安全，廣泛應用在制冷行業多個領域。

　　2.2 氨制冷劑在低品位能源方面的應用  

　　FarayiMusharavati等人將氨-水吸收式制冷系統和地熱發電結合進行熱電聯產，發電的同時還為建筑提供冷量，提高了系統整體效率。

　　Muammer Ozgoren等人研究了土耳其南部地區太陽能驅動的氨-水吸收式制冷裝置，制冷需求和太陽輻射強度是一致的，這是太陽能制冷的最大優勢，光照越強、冷負荷越大，系統的制冷量就越大。但太陽能吸收式制冷系統需要高性能集熱器，才能使系統高效運行，并降低集熱器面積。

　　S. Du 等人研制了一種用于柴油機排氣余熱利用的氨水吸收式制冷裝置。主動開放式熱管技術可以保證在排氣條件快速變化的情況下平穩運行。冷凝和吸收過程結合在一起，并通過循環預冷溶液進行冷卻，高密度噴淋增強傳熱和傳質。此外，所有部件均采用了高比表面積的小直徑管束換熱器，這種設計加上組合單元使系統體積變小。

　　實驗結果表明：

　　該樣機的新穎設計是建立緊湊、可靠、高效的氨水吸收式制冷系統的有效途徑。世界上許多研究小組都在研究利用發動機尾氣以及燃料電池的余熱驅動汽車上的制冷或空調裝置。為了使汽車應用的蒸汽吸收式制冷系統成功商業化，需要開發體積更小的各種制冷系統設備，可以安裝在不同類型的車輛上。

　　Staedter和Garimella開發了基于微通道換熱器技術的小型制冷機，其制冷量為7 kW，所開發系統的總體積為0.28 m3，可以在多種場景使用。汽車尾氣或燃料電池產生的熱量用于制冷，不僅可以提高整個系統的效率，還可以間接降低碳排放量。

　　2.3 氨制冷系統低充注量應用  

　　研究案例一：

　　José Antonio Expósito Carrillo等人對一種用于中溫工業應用的新型超低充注量風冷式制冷機的制冷劑充注量和性能進行了實驗分析。

　　該設備采用了多項新技術，如微通道冷凝器、半密封螺桿壓縮機、可互溶潤滑劑、單級油分離器等用于降低氨制冷劑充注量，并且評估了氨充注量對系統性能的影響，結果表明：

　　存在一個最佳充注量，可使機組的制冷能力和性能系數最大化，在最大制冷量約為233 kW的情況下氨充注量為17.5 kg，即比裝料量為75 g/kW。此系統較普通氨系統性能提升20%，系統的超低氨充注量可以減少與泄漏相關安全問題，且運行維護成本也降低。

　　研究案例二：

　　江森自控提出了創新氨冷庫超低充注解決方案。采用集中式制冷系統和遠程分布式冷凝模塊，將冷凝器置于冷庫上方附近，減少了制冷劑從冷凝器到冷庫液體管路長度，增加了制冷劑從壓縮機到冷凝器氣體管路長度，整個系統的氨充注量降低至0.2 kg/kW～0.4 kg/kW，氨充注量可減少80%～95%。

　　研究案例三：

　　Senthilkumar等人評估了一種分布式超低氨充注量(ULC)制冷機組，與現有設施中同工況的集中式機房系統相比，它使用相互耦合的部件和電子控制噴射器制冷等技術，可使設備中氨的充注量減少了98%，即使最壞的情況下氨泄漏量也不足一百磅（45 kg）。

　　該評估將ULC配置的初始成本、能源使用效率、用水量、操作和維護成本與等效的集中機房系統進行了比較。使用ULC配置可以將能量消耗減少7%，水使用量減少3%。能源和水的成本降低，再加上運營和維護相關的節約，對ULC技術的投資可以在3年內收回成本。

　　該研究表明ULC系統是一種有效的替代技術，可降低工業制冷方面的成本，對人身安全和環境效益也有幫助。

　　研究案例四：

　　姜亞琳等人介紹了啤酒制冷系統中節能和安全措施，利用峰谷電蓄冷技術降低生產成本，用變蒸發溫度來制取生產原料，使用U型氣液分離器、虹吸式儲液器減少系統氨的充注量；通用富士也設計了低充注氨系統啤酒冷凍站且已經投產，將原31噸的氨充注量降低至7.5噸（10噸以上被列為重大危險源），該系統完全自控，高效安全，可以供飲料生產等用冷行業借鑒。

　　2.4 氨制冷系統應用相關國家標準  

　　使用氨制冷劑，其安全性是需要重視的。設計氨制冷系統時，工藝、安全和對環境產生影響等要求必須考慮，盡量減少氨的充注量，系統更要滿足溫度、制冷量和能效的要求。

　　要加強氨液泄露的檢測，《冷庫設計標準》中要求：“采用氨為制冷劑時，當空氣中氨氣濃度達到1.5×10-4時，氨氣指示報警設備發出的報警信號應能自動啟動制冷設備間或制冷閥站間的事故排風機，并應將報警信息傳送至相關制冷機房的控制室進行顯示和報警”。

　　制冷機房排風裝置、照明燈具應為防爆型，且事故排風裝置獨立供電不受設備影響。冷庫材料方面規定不僅要保溫隔濕，還要滿足防火要求選用難燃材料。氨制冷系統在設計應用時，應該嚴格按照相關標準。

　　三、氨制冷系統小型化存在的問題

　　為促進氨制冷系統的小型化，必須研發出高效小型氨用壓縮機，強化換熱器的傳熱性能，縮小換熱器尺寸的同時優化設計，簡化與完善制冷循環。去除或縮小貯液器、氣液分離器等壓力容器以降低氨充注量，實現氨制冷裝置的集成化和小型化。

　　3.1 壓縮機

　　氨制冷劑極易泄漏，要想低充注量系統穩定運行，壓縮機需要有嚴格的密封性；氨對銅具有腐蝕性，壓縮機電機中的銅線圈不可以和氨制冷劑接觸。

　　如今已開發出半封閉式單機雙級螺桿壓縮機：

　?。?）福建雪人的SRS系列使用特殊材料可有效防止氨對電機的腐蝕，提高安全性和密封性并使其整體結構更加緊湊。半封閉壓縮機相比傳統氨壓縮機來說，由于壓縮機和電機之間無需機械密封，可以最大限度地減少泄漏。

　?。?）比澤爾新推出的ACP系列氨螺桿壓縮機組，這個系列可以提供多種功率和配件以滿足不同情況下的制冷要求。新型氨制冷壓縮機的出現，可以解決氨制冷壓縮機腐蝕、泄漏等問題，對氨制冷系統的小型化的發展起積極的作用。

　　3.2 潤滑油

　　潤滑油是運動部件潤滑、冷卻、密封的介質，是保證制冷壓縮機安全、可靠運行，延長使用壽命的重要條件，潤滑油的性質對制冷系統的影響很大。

　　近年來，許多企業和科研人員都在探索氨制冷系統中潤滑油問題，采用互溶潤滑油可以解決回油問題，提高蒸發器的傳熱效率。

　?。?）Chaddock和Buzzard發現，直徑為13.39 mm的氨換熱管中加入不互溶潤滑油使傳熱熱阻提高了7倍。

　　（2）Boyman等人研究發現，在直徑為14 mm的管道中，不到1%的不互溶油也會導致流動沸騰平均傳熱系數（HTC）的嚴重減小。

　　這些研究人員將其歸因于不互溶油作為額外的一層熱阻粘附在管壁上。前人研究表明，不互溶潤滑油對流動沸騰HTC有負面的影響。

　?。?）Gao等人研究了互溶潤滑油對8 mm管中流動沸騰HTC的影響。結果顯示，互溶油對傳熱也有不利影響，但其影響明顯低于不互溶油。此外還研究了R717混合油在4毫米光滑管內的流動沸騰換熱特性，通過實驗結果和分析，揭示了不同濃度油對傳熱的影響。

　　在低油濃度（即1.99%）的整個蒸氣干度區域和在較高油濃度（即3.99%和5.78%）的低蒸氣干度區域中，HTC幾乎不受油的影響。

　　然而，當蒸氣干度高時，較高的油濃度會導致傳熱略有下降，這主要是由于與無油狀態相比，氨-油混合物的熱導率明顯降低。所以和不互溶油相比，與氨互溶的潤滑油可以提高氨制冷系統的效率，讓系統更加簡化，對系統產生積極作用。

　　目前已研發出了與氨相容的潤滑油，但國內大部分氨制冷系統并未應用。如Ar Chine Ammotech  NTG 46潤滑油。

　　3.3 換熱器及其它設備

　　整個氨制冷系統需要多個換熱設備，制冷劑在蒸發器中吸熱蒸發，氨的管路內流動沸騰換熱系數對換熱器的效率有很大影響。

　?。?）Yuping Gao等人研究了氨在水平小直徑管內沸騰時的傳熱和壓降特性，實驗結果表明，流動沸騰換熱系數隨著蒸汽干度和熱流密度的增加而增大。在低干度區域，質量流量越大，換熱系數越高；

　　而在低飽和溫度下，高干度區域的換熱系數則相反。雖然從目前技術來說，小型氨制冷系統通過使用緊湊的熱交換器（如板式蒸發器（>700 m2/m3））來減少制冷劑的充注量，但這些熱交換器的成本較高。

　?。?）Garcia-Valladares等人對一種外置低翅片管的殼管式蒸發器進行數值和實驗評估。結果表明，在發展中國家，這種表面積與體積比為270.7 m2/m3蒸發器是替代昂貴的緊湊式換熱器和傳統的光滑管殼式蒸發器的中間解決方案。蒸發器是制冷系統的重要組成部分，高效可靠的換熱器往往可以明顯提升系統效率，有利于降低氨充注量。

　?。?）冰輪環境生產的U-turn氣液分離器的可以替代傳統圓筒型氨液分離器，減少壓降損失，降低氣液分離器內的氨量。隨著對氨制冷系統研究工作的深入，涌現出了越來越多的科研成果、專利，氨制冷系統的性能和安全性也將不斷提高。

　　四、結束語

　　結合氨制冷技術存在的問題和政策，分析我國的氨制冷技術發展趨勢并提出建議，供相關技術人員參考。

　　（1）國內存在大量老舊氨制冷系統，急需對其改進，發揮它們的能效和環保優勢，而非使用鹵代烴制冷系統替代。

　?。?）氨制冷系統的小型化在冷鏈技術中有非常重大的意義，小型化氨制冷系統可以安裝在冷鏈運輸車、船舶以及田間冷庫等，系統方便高效且不會對環境造成破壞。

　?。?）目前已經有多項技術可以實現系統低充注量，這是解決安全問題的關鍵因素之一。氨制冷技術的合理運用，不僅對環保產生積極作用，而且由于氨制冷系統的高效性，也會產生良好的經濟效益。