杜娟麗，田 紳，田長青

(1．中國科學院低溫工程學重點實驗室 理化技術(shù)研究所，北京 100190;

2．河南牧業(yè)經(jīng)濟學院，河南 鄭州 450011)

0 前言

冷庫作為冷鏈物流發(fā)展的核心基礎設施和保障食品低溫流通的中樞，是冷鏈物流建設的重點內(nèi)容。目前我國冷庫的總?cè)萘繛?00 多萬m3，每年全國對冷庫的需求量正在以30%的速度增長，預計到2017年，我國冷庫的容量增加至1．4 億m3，未來幾年冷庫建設仍處于蓬勃發(fā)展時期。但隨著近年來我國冷庫事故的頻頻發(fā)生，見表1，“血”的教訓喚起了人們對冷庫安全的高度重視，冷庫的安全研究成為了保障冷鏈物流健康發(fā)展的首要任務之一。

表1 2012 ～2013 年部分氨制冷劑泄露造成事故統(tǒng)計表

本文從安全角度對冷庫中制冷劑選擇進行分析，同時針對目前我國冷庫中廣泛應用的集中式氨制冷系統(tǒng)，總結(jié)減少氨制冷劑充注量的方法和措施，并給出了減少氨使用量的不同制冷系統(tǒng)，以提高其安全性能，為舊冷庫的改造、新冷庫的建設提供參考，為促進提高我國冷鏈物流安全體系發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 冷庫制冷劑的選擇及安全性分析

制冷劑是制冷系統(tǒng)的“血液”，其可燃性、毒性等安全指標直接影響到冷庫制冷系統(tǒng)的安全性。因此，本文基于冷庫中制冷劑的應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，對NH3(氨)、R22 和CO2制冷劑進行安全分析，其性能見表2。

1．1 冷庫制冷系統(tǒng)常用制冷劑

目前，我國冷庫系統(tǒng)中最常用的制冷劑有NH3和R22。其中80%的冷庫以氨為制冷劑，20%的冷庫(大部分是中、小型冷庫)采用R22 制冷劑［1］。但近年來一起起氨泄露產(chǎn)生的事故影響，造成一些人“談氨色變”，很多企業(yè)的冷庫投標工程也放棄了氨制冷劑的選擇而轉(zhuǎn)向R22。但R22 屬于HCFCs 系列，對臭氧層有破壞作用，是《維也納公約》和《蒙特利爾議定書》中規(guī)定要逐步淘汰的制冷劑。并且在2007 年9 月，《蒙特利爾議定書》第19 次締約方會議通過了加速淘汰HCFCs 的調(diào)整方案，方案規(guī)定發(fā)達國家2010 年削減75%，2015 年削減90%，2020 ～2030 年允許保留0．5%;發(fā)展中國家2015 年要完成削減基線水平10%的任務，2020 年削減35%，2020年削減67． 5%，到2030 ～2040 年也僅允許保留2.5%的維修用量［2］。由此可見，我國減少HCFCs的使用也近在咫尺，R22 不適合作為我國冷庫發(fā)展的長久選擇［3］。

雖然氨與其他制冷劑相比安全性能較低，但它屬于自然工質(zhì)，具有優(yōu)良的物性和良好的運行特性(見表2)，距今已有百年歷史，且其毒性、易燃可爆性也可通過技術(shù)手段來降低甚至消除。如氨系統(tǒng)中一般裝設有氨氣檢測報警系統(tǒng)用以檢測氨泄露問題;機房內(nèi)設置有安全標示和安全通道、緊急泄氨器、水噴淋裝置、防爆風機等安全保護裝置［4］。因此，氨制冷劑仍然是國內(nèi)外冷庫中冷制劑的主流［5］。

CO2制冷劑早在19 世紀90 年代開始應用于冷鏈系統(tǒng)，但由于當時技術(shù)不成熟，制冷能力較低，機械制造能力達不到要求，缺乏安全意識等因素，CO2制冷技術(shù)自1931 年CFCs 制冷劑產(chǎn)生后發(fā)展非常緩慢［6］，直到1989 年前國際制冷學會主席挪威的G．Lorentzen 設計了跨臨界二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)，提倡并推廣CO2制冷系統(tǒng)后［7］，CO2制冷劑又重新成為了近期研究的熱點。目前CO2技術(shù)在歐盟各國市場發(fā)展迅速。我國一些企業(yè)及科研機構(gòu)也在積極研究該項目，并在一些食品、物流企業(yè)開始實施，系統(tǒng)均運行可靠。

1．2 制冷劑安全性分析

1．2．1 NH3制冷劑

NH3制冷劑的OEL 值最小，LFL 值和HOC 值最高，且Std 34 safety group 等級為B2，說明氨的綜合危險性最高，它具有較強的毒性、可燃性和易爆性。毒性對人體的傷害見圖1 所示［12］，該圖用于有毒物質(zhì)排放情景模擬，圖的左邊線對應于由易感人群(老年人，體弱者和小孩)可忍耐的最大濃度，在該濃度范圍內(nèi)，人體健康不受損傷;右邊的兩條線是指對易感人群造成死亡影響的不同風險值;圖中心較短的線條是指技術(shù)人員從事工作活動時的風險范圍;一旦濃度超出了圖中所示的線，會對人身健康產(chǎn)生影響。氨的可燃性和易爆性，當氨蒸氣在空氣中容積濃度達到11% ～14%時，即可點燃，當濃度達到16%一25%時，遇明火爆炸。除此之外，當系統(tǒng)泄露時，飛濺到人體的液氨會對人體產(chǎn)生凍傷。鑒于此，國外很多國家對氨制冷劑的使用做了相關(guān)的安全規(guī)范，如表3 所示［3］。我國《重大危險源辨識》:GB18218 －2000 中規(guī)定氨的臨界量為40 t，而在《危險化學品重大危險源辨識》:GB18218 －2009中重新規(guī)定了有毒氣體氨的臨界量為10 t，嚴格控制了氨的充注量。

1．2．2 CO2制冷劑

CO2無毒，不可燃，對臭氧層無影響，溫室效應也較小。但通過物性參數(shù)和運行參數(shù)分析，CO2吸排氣壓差非常大，而壓比相對較小，且臨界溫度接近于環(huán)境溫度，這樣會造成CO2的運行工況比其他制冷劑更接近于臨界點，使得系統(tǒng)運行壓力較高，是一般普通制冷劑的5 ～10 倍［14］，這樣會對設備、管道及閥件等的承壓能力要求較高，對安全性能產(chǎn)生一定影響;雖然CO2視為無毒、環(huán)保氣體，但當特定空間內(nèi)CO2體積濃度達到2% ～3%時，會造成人的呼吸率增加，濃度達至4%便會影響人體的健康和生命［15］，濃度達到10%便會致人死亡［16］，在應用中，空間內(nèi)最大允許的體積濃度一般設定為5%［17］;由于CO2屬于酸性氣體，當泄露于空氣中時容易產(chǎn)生酸雨。

表2 NH3、R22、CO2制冷劑性能分析［8－11］

表3 幾個典型國家氨制冷劑的典型規(guī)范［13］

但Man －Hoe Kima，Jostein Pettersen［14］等學者通過研究提出，CO2三相點的壓力為0．52 MPa，在大氣環(huán)境下，系統(tǒng)泄露CO2會結(jié)成干冰固體，不會出現(xiàn)凍傷現(xiàn)象，且CO2制冷系統(tǒng)采用的設備及元器件制造是基于運行負荷、使用壽命、材料的結(jié)構(gòu)和處理工藝等理論為基礎，可以達到安全標準，國外一些企業(yè)已經(jīng)生產(chǎn)出了配套的壓縮機和零部件，因此CO2的危險系數(shù)可以控制。

圖1 NH3濃度暴露限值［12］

1．2．3 R22 制冷劑R22 與其他兩種制冷劑相比其安全性能最高，但它產(chǎn)生的溫室效應最大，對大氣臭氧層有破壞作用，對環(huán)境造成的影響是無法彌補的。目前還無法通過技術(shù)手段來解決。因此，目前R22 僅作為過渡制冷劑應用于中小型冷庫制冷系統(tǒng)中。

由此可見，NH3仍然是冷庫制冷劑的主流，R22僅作為過渡且不適用于大系統(tǒng)，CO2有發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2 冷庫制冷系統(tǒng)安全性分析

制冷劑充注量的多少主要取決于制冷系統(tǒng)。目前我國冷庫以大中型氨系統(tǒng)居多，主要采用的是集中式氨泵強制供液制冷系統(tǒng)，因此，下文以集中式氨制冷系統(tǒng)為基礎，分析提高冷庫制冷系統(tǒng)安全性的方法和措施。

2．1 集中式氨制冷系統(tǒng)

集中式氨制冷系統(tǒng)是指將制冷裝置的主要機器、設備集中安裝于特定的機房內(nèi)，通過氣、液調(diào)節(jié)站，回氣、供液管道將各庫房的冷卻設備連接起來。該系統(tǒng)一般應用于大型冷庫系統(tǒng)中，其系統(tǒng)如圖2所示。這種系統(tǒng)供冷量大，且供冷均勻，但設備多、系統(tǒng)復雜，制冷劑充注量大，管道長，管道阻力大，自動控制化程度低［18］。因此，系統(tǒng)泄漏率較高，危險性較大。

2．2 集中式氨制冷系統(tǒng)的安全性措施

要提高集中式制冷系統(tǒng)安全性，可通過簡化系統(tǒng)、管路以降低泄露概率，優(yōu)化系統(tǒng)、設備來減少制冷劑充注量，提高系統(tǒng)自動化程度降低人為因素發(fā)生的事故率。如庫內(nèi)蒸發(fā)器選用高效變片距不銹鋼盤管冷風機代替光排管，在相同冷量下制冷劑充注量只占傳統(tǒng)光滑排管注氨量的5%，減少95%注氨量［1］;采用冷風機取消高壓貯液桶，中間冷卻器與高壓級循環(huán)桶合并，取消排液桶，減少壓縮機臺數(shù)，盡量縮短管道長度等措施，在簡化系統(tǒng)的同時，可減少氨的充注量［19］。但這些方法對系統(tǒng)安全性的提高是有限的。

2．3 減少氨充注量的制冷系統(tǒng)

2．3．1 分散式直接膨脹制冷系統(tǒng)

分散式制冷系統(tǒng)是指將壓縮機、冷凝器、節(jié)流裝置等設備組裝為一體，通過管路直接與庫房內(nèi)的冷卻設備進行連接。這種分散式系統(tǒng)不需要機房，布置靈活，其系統(tǒng)如圖3 所示。這種系統(tǒng)通常采用直接膨脹式，具有系統(tǒng)簡單、設備少、管路短、制冷劑充注量少、自動化程度高、安全性能好等優(yōu)點。但制冷量較小，適合應用于小型冷庫系統(tǒng)。這種制冷系統(tǒng)目前主要是采用R22 作為制冷劑，但隨著螺桿式氨壓縮機的出現(xiàn)，板式換熱器、干式蒸發(fā)器的使用，氨膨脹閥及與氨互溶的潤滑油的研制成功，使得氨制冷系統(tǒng)中小型化成為可能。據(jù)研究表明，采用干式蒸發(fā)器取代傳統(tǒng)的滿液式蒸發(fā)器可減少氨充注量90% ～95%［20］。為了增大分散式冷庫的制冷能力，該分散式直接膨脹氨制冷系統(tǒng)可采用多機頭并聯(lián)機組，它秉承了分散式系統(tǒng)的優(yōu)點，同時兼?zhèn)淞思惺较到y(tǒng)的長處，具有很好的應用前景。

圖2 集中式氨泵供液制冷系統(tǒng)圖

圖3 分散式直接膨脹制冷系統(tǒng)圖

2．3．2 二次回路載冷系統(tǒng)

二次回路載冷系統(tǒng)是由主回路氨制冷劑循環(huán)系統(tǒng)和載冷劑循環(huán)系統(tǒng)兩個獨立子系統(tǒng)組成，載冷劑可以采用乙二醇水溶液、鹽水溶液、氨等。CO2載冷系統(tǒng)如圖4 示，該系統(tǒng)與鹽水溶液、乙二醇水溶液等常規(guī)載冷系統(tǒng)相比，具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢(如圖5示);與直接冷卻式制冷系統(tǒng)相比較，系統(tǒng)設計簡單，縮短了制冷劑系統(tǒng)的循環(huán)管路，減少了制冷劑的充注量和泄漏率。Delventura 對超市制冷系統(tǒng)采用二次回路系統(tǒng)與傳統(tǒng)直接蒸發(fā)制冷系統(tǒng)進行比較，其結(jié)果見表4 所示［21］，二次回路中制冷劑側(cè)的充注量僅是直接膨脹式制冷劑充注量的10%，制冷劑排放量僅是直接膨脹系統(tǒng)的1/6。可見安全性能獲得了顯著提高。

表4 直接蒸發(fā)式制冷系統(tǒng)與二次回路系統(tǒng)的比較［22］

圖4 二次回路CO2載冷系統(tǒng)圖

圖5 相同500 kW 冷量下，NH3直冷式與常規(guī)載冷系統(tǒng)和CO2載冷系統(tǒng)壓縮機功耗比較圖［22］

2．3．3 CO2/NH3復疊式制冷系統(tǒng)

CO2/NH3復疊式制冷系統(tǒng)是由兩個獨立的制冷系統(tǒng)組成，其系統(tǒng)如圖6 示。NH3制冷劑應用于高壓端，可避免低溫(－50℃)下，系統(tǒng)產(chǎn)生負壓而使空氣滲入帶來的一系列問題;CO2應用于低壓端，避免冷凝壓力超臨界，起到了揚長避短的功效。如圖7 示，CO2/NH3復疊制冷系統(tǒng)與NH3直冷系統(tǒng)在相同冷量下的壓縮機功耗圖［23］，隨著溫度的降低，CO2/NH3復疊式制冷循環(huán)系統(tǒng)機組的功耗越來越接近于直冷式機組的功耗，當溫度低于－ 34℃時，CO2/NH3機組功耗逐漸低于直冷式。

因此，CO2/NH3復疊系統(tǒng)不僅具有二次回路的優(yōu)點，同時低溫下更節(jié)能，更安全。如某工況:CO2的蒸發(fā)溫度為－42℃，冷凝溫度－11℃，CO2充注量2 500 kg，NH3的充注量240 kg;CO2回路配備兩臺往復式壓縮機，制冷量分別為210 kW 和140 kW，循環(huán)貯液器4．745 m3，采用殼管式冷凝—蒸發(fā)器;將該系統(tǒng)與相應的兩級壓縮式NH3/NH3系統(tǒng)進行安全性能分析，其結(jié)果見表5 所示［23］。

圖6 CO2/NH3復疊式制冷系統(tǒng)圖

圖7 相同500 kW 冷量下，NH3 直冷系統(tǒng)與NH3/CO2系統(tǒng)壓縮機功耗對比圖［23］

表5 CO2/NH3復疊式制冷系統(tǒng)與傳統(tǒng)兩級壓縮氨系統(tǒng)的安全水平比較［23］

3 結(jié)論

通過前述對冷庫制冷劑和制冷系統(tǒng)的綜合分析，可得到以下結(jié)論:

(1)冷庫中制冷劑:NH3仍然是主流，R22 僅作為過渡且不適用于大系統(tǒng)，CO2有發(fā)展?jié)摿?

(2)集中式氨制冷系統(tǒng):簡化系統(tǒng)、減少充注量、加強泄漏檢測，可提高系統(tǒng)安全性;

(3)系統(tǒng)改變:采用分散直膨式、二次回路CO2載冷劑、CO2/NH3復疊式等制冷系統(tǒng)簡化工藝，減少氨制冷劑充注量，提高系統(tǒng)自動化，增強系統(tǒng)安全性。

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