[科普中国]-氨气制冷机

氨气制冷的发展

氨(Ammonia, NH3)是一种常见的廉价无机化合物，同时也是一种天然制冷剂(R717)。由于其具有良好的热力学性能和对大气层无任何不良效应，在制冷技术的发展进程中，一直起到重要的作用。以1859年Ferdinand Carré研发出氨吸收式制冷机为标志，氨应用于制冷技术已有148年的历史2，随后，1872年David Byole取得氨制冷压缩机的美国专利，1876年Carl von Linde制造出第一台氨压缩机，并于1877年对其进行了重大改进，使其效率得到大幅度提高且其质量大大减小，开创了氨蒸气压缩式制冷技术的技术路线;我国自主研发、制造氨制冷压缩机的时间较晚，是从1951年前后开始的3。由于氨具有毒性和在空间积聚的浓度达到一定程度时具有潜在的爆炸危险，使其在作为制冷剂使用时，其应用场合受到限制,而主要应用于大型工业制冷和商业冷冻冷藏领域。

近年来,由于发现氟利昂类制冷剂对大气臭氧层有破坏作用以及能产生温室效应等环境问题，国际上已达成完全禁用CFC、逐渐限制使用HCFC类制冷剂的共识。在全球积极研究氟利昂替代技术以解决对臭氧层破坏及“温室效应”问题的今天，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成功并批量生产,为氨制冷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。

氨制冷的主要特点氨制冷剂具有优良的环境性能和热力学性能氨是一种天然的中温制冷剂,具有优良的环境性能和热力学性能。

（1）氨的消耗臭氧潜能值ODP= 0，温室效应潜能值GWP= 0，是一种环境友好型制冷剂；

（2）氨的临界温度和临界压力分别为132.3℃和11.33MPa，高于R22(96.2℃ 4.99MPa)和R410A(70.2℃ 4.79MPa)，可在较高的热源温度和冷源温度下实现亚临界制冷循环;氨的标准沸腾温度(- 33.4℃)低，在蒸发器和冷凝器中的压力适中，单位容积制冷量大,导热系数大,蒸发潜热大(- 15℃时的蒸发潜热是R22的6.4倍,是R410A的5.5倍),节流损失小，制冷系数高，在相同工作温度和制冷量的条件下，与R22等制冷系统相比，其压缩机和换热器的尺寸可以更小，可节省材料；

（3）氨分子量为17，蒸气密度比空气小，泄漏时极易上升从屋顶逸出室外；氨极易溶于水，当遇到大量泄漏的紧急情况时容易排除，此外，氨允许的含水量为0.2%以下，即使有微量水存在，也不会像氟利昂容易出现“冰塞”，故对氨制冷系统管路系统的干燥要求不如氟利昂那样严格；

（4）氨的来源广泛、价格低廉,在相同充注体积下，其充注成本仅为R22的1 10左右；比R410A则更为廉价。

氨制冷剂存在缺点氨制冷剂并不十全十美，也存在以下缺点：

（1）氨的绝热指数较大(k= 1.40)，在蒸发温度较低、冷凝温度较高时压缩机的排气温度较高，为保证润滑油的润滑特性，必须采取相应的冷却措施；

（2）氨与矿物基润滑油和PAO润滑油不相容，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；

（3）氨对钢铁、铝等金属材料无腐蚀作用，但当氨中含有水分时，则对锌、铜、铜合金(磷青铜除外)有腐蚀作用，故在氨制冷系统的设备、管道、仪表、阀门具有“避铜”要求；

（4）氨具有刺激性气味且有一定的毒性和可燃性，在其安全性分类中属于B2类制冷剂。当其在某一空间积聚的浓度达到一定限度时，若人暴露在其中，将会对人的身体产生一定的危害；只有在较高温度下，氨和空气混合物体积浓度达到16%～ 25%时遇明火可引起爆炸；故在《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》中规定为II AT级，在《建筑设计防火规范》中规定为乙类[8],即氨属于最低爆炸危险等级。这些缺点都使其应用受到了一定的限制,不宜用于民用建筑的空调冷源系统。

国内外氨气制冷机的应用现状1876～ 1877年间，Linde制造的氨压缩机就配置在慕尼黑的斯巴坦布罗啤酒厂，用于麦芽和发酵桶的冷却；1890年英国采用氨直接膨胀供液方式并在墙上设置冷却盘管保存肉类制品，从此，氨制冷技术在食品冷冻冷藏领域逐步得到了快速发展。除了啤酒生产和食品的冷冻加工、食品冷冻贮藏、食品保鲜贮藏、冰激凌的制作以及大型制冰等应用了氨制冷系统外，氨制冷技术也为化工领域、建筑领域、水利建设、远洋捕捞及特种实验场所提供制冷服务。如：化工厂原料生产用冷、空调系统、大坝混凝土浇筑前的冷却水或制冰用冷、船用制冷、饮料生产、制药等。另外在一些有大量余热利用的企业，如化工、冶金和轻工业部门，氨水吸收式制冷机也有较广泛的应用。

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，采用有以氨为制冷剂、乙二醇为载冷剂的间接制冷系统，如烟台复发中记装配式冷库。近年来，欧洲和美国已开始应用NH3和CO2的复叠式制冷系统4，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。在国外，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，由于自控系统落后，一般采用人工调节，因劳动强度过大、不安全因素极多；从70年代开始，随着我国自行研制的制冷自控元件的问世以及引进国外自控元件，直接膨胀供液逐步被重力供液和氨泵强制供液所取代5；80年代后，随着计算机微电子控制技术的不断发展，国内出现了以可编程序控制器(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，2000年，我国在大连的一座水产品加工厂的氨制冷系统中第一次采用了DANFOSS公司的氨电子膨胀阀，从而再次实现了直接膨胀供液，与50年代前期的制冷膨胀供液相比，系统的安全性和控制方式及自动化程度得到了极大的提高。但由于当时尚无与氨互溶的合成润滑油，制冷系统仍配置的油分离系统,未能实现制冷系统的完全简化。即使如此，也使系统的用氨量大大的降低。氨制冷系统在化工、大型空调系统、啤酒厂、制药厂中多为间接制冷系统，如我国于1988年在南京开发出利用工业废热的双级氨水吸收式制冷机，并应用于- 20℃和- 30℃两个蒸发温度制冷系统6。

氨气制冷机结构目前，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，使用也最为广泛，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；其缺点是压缩机体积大、耗金属多、占地面积大,易损部件多，维护费用高，单机产量不能太大，能量无级调节比较困难。而螺杆式压缩机机的结构简单、体积小、易损部件少、重量轻,振动小，容积效率高、对湿压缩不敏感，能实现无级调节；其缺点是单位冷量耗电比活塞式稍高，喷油冷却使得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6。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。当CFC和HCFC限制禁用后又重新使用氨时，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闭模槽流道组，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采用99.99%铜钎料的焊接板式换热器(SUS316板片)，在氨的流通模槽流道中采用耐氨腐蚀涂层，其最大工作压力 温度分别达3.0MPa200℃。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%，在食品冷速冻装置(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，将大幅度削减氨制冷剂的充灌量，提高氨制冷系统的安全性。

氨气制冷机发展趋势氨制冷系统中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CFCs替代方面具有很强的优势。氨制冷技术在安全应用的基础上将会有很大的发展空间7。

氨气制冷机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。据文献介绍,国外有关公司已研制出100HP以下的全封闭氨制冷压缩机8，而对100HP以上的机组已研制出高效密封机构；新型钎焊型热交换器和相溶性冷冻油的应用，使换热量比此前使用矿物油时增加了160%，体积大大减小。可以预见,随着对氨制冷剂强化传热技术、氨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。在我国，由西安交通大学和烟台冰轮集团联合研制的拥有10项国家专利技术的新型螺杆式制冷压缩机已批量生产，与国内同类产品比较，其能效比提高6.7%，噪声下降10dB，该技术于2006年和2007年分获中国制冷学会科学技术进步一等奖和国家科学技术进步二等奖；在换热器方面，冷凝器、蒸发器生产质量不断提高，已开发出氨用铝合金带翅片排管，并可配备人工扫霜和电加热融霜等特色专利技术等，它不但解决了常规蒸发器排管采用无缝钢管光管用钢量大、质量大、建筑荷载大的问题，同时也提高了相同占用库房面积下的换热效率。上述技术将有助于进一步提高我国氨制冷系统与设备的品质和能效指标，伴随相溶性润滑油的应用，也将还原氨制冷剂所具有的良好热力学性质。

氨制冷系统将机组化、小型化小型氨商用制冷系统在30～ 40年前曾相当普及，但时至今日，没有较大的实质性改进,而当时那种简陋的系统决不可能为今天的市场所接受。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。我国在2000年已首次将氨电子膨胀阀应用于氨制冷系统，目前已研制出制冷量为0.58kW以上氨用全封闭式制冷压缩机(包括活塞式、涡旋式、转子式)样机，加之相溶性润滑油和氨用高效换热器技术已开始应用，为氨制冷装置的机组化和小型化提供了重要条件。

大型氨制冷系统将进一步简化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、集油器以及相应的管路和阀门，通过氨膨胀阀或氨电子膨胀阀，便可省去低压循环桶和氨等一些附属设备。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，氨制冷系统便可以得到进一步的简化。

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。

氨制冷系统的安全性、可靠性将更加完善安全使用是一项技术应用的前提。由于氨具有一定的毒性、且在一定的条件存在爆炸的可能性，因此采用氨制冷系统时，保证系统安全和不发生泄漏是至关重要的。系统中的氨充灌量与其发生危险的可能性密切相关，使用板式换热器可以使制冷剂的充注量大幅度减少。如德国开发的紧凑型氨制冷装置，由于采用了板式换热器,使整个系统充注制冷剂的容量小于蒸发器的体积，单位制冷量所需氨制冷剂的容量仅为65g kW，这样就意味着新型氨制冷装置在制冷量高达700kW时其充灌量也不超过50kg。另外，采用直接膨胀供液和与氨互溶的润滑油简化的大型氨制冷系统也会因系统的简化，用氨量大大降低,安全性相应得到进一步的保证。为减少氨的泄漏，除了对常用的开启式压缩机轴封进行技术改进外,研究和开发封闭式压缩机，是科研、制造部门当前值得考虑的一个重要问题，日本(株)前川制作开发的屏蔽电机(cannedmotor)一体化(整体式)螺杆式压缩机就是冷媒完全密封化的结构。另外，为了减少制冷装置泄漏的可能性,在设计、安装制冷系统时，将所有的管道连接尽量采用焊接，不用或少用法兰盘连接。系统中不设置可有可无的阀门，对一些控制、关闭阀门采用带密封帽的专用阀。在系统的低压部分，特别是在库房内,不应设置任何阀门，以防氨的泄漏而污染库藏物品。目前研发的新型氨冷水机组装在带密封装置的通风箱中，其良好的通风性能和检测控制性能大大提高了氨压缩制冷的安全性。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。随着控制元件控制功能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；由于氨属于天然工质，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、安全、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。

氨制冷技术的应用范围将更加广泛由于氟利昂制冷剂受限、受控,重新认识和评价天然制冷剂的问题成为世界性的课题。过去，氨的一些危害性被人们不恰当地夸大；而现在，人们越来越认识到保护大气臭氧层和减少温室效应气体效应的紧迫性，氨制冷剂在制冷空调领域的应用也将越来越广。联合国环境保护署(UNEP)曾在1992年的年度报告中，肯定了氨是一种性能非常良好的制冷剂替代工质；美国环保局认为氨是一种可行的替代工质；ASHRAE也一直认为氨是一种理想的制冷剂，并始终鼓励和促进氨制冷剂的安全使用，认为氨制冷剂在CFC和HCFC代的替代过程中必将起到重要作用；德国政府则建立了一系列有关鼓励和促进氨制冷剂使用的法规和政策,数家德国的制冷设备制造企业相继研制成功了以氨为制冷剂的紧凑型冷水机组,并在民用的空调系统中使用；在荷兰也有氨制冷机应用于空调系统的案例；在日本，虽然有政府法规的约束、行政的干预，但有关部门正在进一步研究、制造大型氨制冷剂冷水机组和氨-水吸收式制冷机。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。