常見的冷庫系統根據其制冷劑不同可以分為氨制冷系統、復疊式制冷系統和氟利昂制冷系統。
本期我們就一起來看一看這3種冷庫制冷系統各自特點和發展趨勢。
1 、氨制冷系統
1.1氨制冷系統特點
(1)氨制冷系統是目前大型冷庫應用最廣泛的制冷系統。
(2)天然的制冷劑，其ODP 和GWP都為零。
(3)物理性質與R22近似。
(4)蒸發壓力與冷凝壓力適中，標準大氣壓下蒸發溫度-33.3℃，在冷卻水溫30℃～35℃ 范圍內冷凝壓力為1.1～1.3
MPa，不超過1.5MPa。
(5)單位體積制冷量是氟利昂類制冷劑的2倍，在制取同等的制冷量時，氨制冷壓縮機的體積最小，且氨制冷劑造價低廉容易制取。
(6)安全等級為B2，有毒，空氣中氨濃度升高達到16%～25%時遇明火會發生爆炸。
因此各國都出臺相應的政策與規范限定冷庫中氨制冷劑的充注量。我國規定對使用氨作制冷劑的冷庫制冷系統，氨的充注量不應超過40噸;作為重大危險化學品源，氣體氨的臨界量為10噸。
氨制冷系統在低溫冷庫中一般采用兩級壓縮中間完全冷卻循環。圖1是雙級壓縮氨制冷系統原理圖，典型的氨冷庫設備繁多，除了制冷循環的主要部件外，還要增設多種輔助設備。
氨是一種典型的無機物制冷劑，不溶于潤滑油，需要在壓縮機出口設置油分離器，還要在各個主要儲氨裝置設置放油管。為收集系統內的制冷劑需要時設置高壓儲液器、低壓液體循環桶以及排液桶。
1.2 氨制冷系統的優化與改進
1.2.1 減少系統內氨的充注量
目前國內氨冷庫一般采用集中式設計，各個冷間共用一臺冷凝器，按照制冷量需求的不同由高壓液體調節站統一分配調節，多余的制冷劑液體儲存在高壓儲液桶內。冷庫的機房設置在庫房的外側，由機房到冷庫內長距離的輸送管道也會存有大量的制冷劑。
集中式氨冷庫內存有大量的制冷劑，根據國際氨制冷學會提供的相關數據，一座6.5萬㎡的冷藏庫，約需充注30噸的氨制冷劑，雖然沒有超過我國相關標準，但仍然會給企業和當地政府帶來一定壓力。在氨制冷系統中降低氨的充注量，是提高系統安全性的有效方法。
SHANMUGAMSKG等提出了“一種用于工業制冷的分布式超低氨充注系統(ULC)”，其原理如圖2所示。
ULC系統是一種模塊化的分布式制冷系統，它將開式驅動螺桿壓縮機和蒸發器風扇結合在一個集成模塊中，并且采用封閉耦合式單元以及自動化的電子制冷劑供液控制技術，有效縮短了制冷劑進入蒸發器的管程。與單級中央制冷系統相比較，ULC系統能減少7%的能源消耗、3%的用水量以及98%的氨充注量，單個分布式單元最壞的情況下氨泄漏量低于45kg，提高了氨冷庫的安全性與經濟性。
歐美國家也有在凍藏間采用直膨式供液方式。凍藏間庫房內冷負荷穩定，溫度波動較小，因
此其可以采用直膨式供液。直膨式供液為單倍供液，相較于氨泵供液不需要設置低壓液體循環桶，可以減少75%的氨充注量(以循環倍率β=4計)。
這種供液方式需要更精準的自動化控制系統。為減少系統氨充注量可以在蒸發器部分采用低充注量排管控制氨充注量，或者冷間采用冷風機代替頂、墻排管，這樣不僅可以降低氨充注量還可以降低凍品的干耗，提高凍結間的周轉率，同時可以不設高壓儲液桶。
1.2.2 提高氨制冷循環的效率
低溫冷庫冷凍間庫內貨物在凍結前后溫差大，庫內溫度波動較大。因此，在氨冷庫的凍結間蒸發器宜采用泵供液的方式，氨泵供液的循環倍率一般取5～6。多倍供液加泵供液的模式可以提高蒸發器內的傳熱系數且不會出現氨制冷劑氣
體的過熱，同時由于泵供液高流速沖刷可以防止在較低的蒸發溫度下潤滑油積存在蒸發器管道內影響換熱效果。如何獲取更大的過冷度是提高制冷循環cop的關鍵因素之一。研究表明，對于氨制冷系統，單位制冷量隨過冷度的增加變化最大，過冷度每增加1℃，氨制冷量約增加4.9kJ/kg。
2、 復疊式制冷系統
2.1 復疊式制冷系統的特點
冷庫中為了達到更低的庫溫，需要達到更低的蒸發溫度。制冷劑的熱力性質決定了其不可能
在具有較低的沸點溫度的同時兼有較高的臨界點溫度。在低溫制冷循環中，低溫制冷劑雖具有較低的蒸發溫度，但水冷冷凝器無法滿足其冷凝溫度。
為解決上述問題，復疊式制冷循環分為高溫部分和低溫部分，兩個獨立的循環共用一個蒸發冷凝器，在其中高溫級制冷劑
蒸發冷卻低溫級制冷劑。在蒸發冷凝器內高溫級與低溫級的溫差應盡量取較小值(5
℃)以提高制冷循環的經濟性。對于復疊式制冷系統低溫部分的蒸發溫度變化對系統COP的影響比高溫部分冷凝溫度變化對其影響大。低溫級壓縮機能耗受蒸發溫度的影響很大，如何降低低溫級功耗是提升復疊式制冷效率的關鍵。
2.2 CO2 作為低溫制冷劑的復疊式制冷系統
用于食品冷凍的低溫冷庫設計蒸發溫度通常在-50℃～-30℃，標準大氣壓下沸點溫度為-56.6℃，可以制取最低溫度為-50℃以上的低溫。在-34
℃蒸發溫度下CO2 的絕對壓力相較于氨和R134a具有較高的飽和壓力，相同低溫工況下不會產生負壓。
R744的ODP和DWP分別為為0和1，是天然的環境友好型制冷劑。其安全等級為A1級，無色無味，化學性能穩定。R744具有較高的汽化潛熱，在0
℃時其單位容積制冷量約為22.6MJ/m3，是傳統制冷劑的5～8倍。
CO2符合一般制冷劑的特點，具有較低的蒸發溫度的同時其臨界溫度也較低，超過臨界溫度無法液化，因此CO2作為制冷劑主要應用于跨臨界制冷循環與復疊式制冷循環。CO2跨臨界制冷循環容易受到地區環境溫度的制約，而以CO2作為低
溫制冷循環的復疊式制冷循環越來越多的被應用于工業和商業制冷中。R744/R717復疊式制冷系統在蒸發冷凝器中以氨作為高溫制冷劑來冷凝低溫的CO2制冷循環。以CO2作為低溫制冷循環相較于氨冷庫能得到更低的庫溫，減少凍結時間，降低了食品干耗;同時相較于氨制冷系統僅需要充入其1/8的氨量，大幅度提高了系統的安全性。
2.3 復疊式制冷系統應用于超低溫冷庫
超低溫冷庫(深冷庫)的溫度區間標準為-80℃
～-45℃，可以存放速凍食品或者承擔快速制冰任務，也可以速凍金槍魚等名貴海鮮食品，更低的庫溫能避免肉類細胞之間形成冰晶體，更好的保證食品的品質。但是氨及CO2制冷劑達不到相應要求的蒸發溫度。因此R744/R717復疊式制冷系統不能用于庫溫-50
℃以下的超低溫冷庫。
目前較為常見的應用超低溫冷庫的制冷系統多采用R22/R13復疊式制冷系統，其低溫部分設計蒸發溫度可以達到-80℃以下。為制取更低的庫溫，使用R14作為超低溫制冷劑的三元復疊式制冷系統，可以達到-120℃以下的蒸發溫度。氟利昂類制冷系統必然會增加環境負擔。目前常用R170作為R13的替代品，其標準大氣壓下沸點溫度為-88.9
℃。但 R170易燃通常只用于充液量較少的低溫制冷設備中，或者和其他制冷劑組成低溫混配制冷劑，不適合用于大、中型冷庫設備。
溫能避免肉類細胞之間形成冰晶體，更好的保證食品的品質。但是氨及CO2制冷劑達不到相應要求的蒸發溫度。因此R744/R717復疊式制冷系統不能用于庫溫-50℃以下的超低溫冷庫。
目前較為常見的應用超低溫冷庫的制冷系統多采用R22/R13復疊式制冷系統，其低溫部分設計蒸發溫度可以達到-80℃以下。為制取更低的庫溫，使用R14作為超低溫制冷劑的三元復疊式制冷系統，可以達到-120℃以下的蒸發溫度。氟利昂類制冷系統必然會增加環境負擔。目前常用R170作為R13的替代品，其標準大氣壓下沸點溫度為-88.9℃。但R170易燃通常只用于充液量較少的低溫制冷設備中，或者和其他制冷劑組成低溫混配制冷劑，不適合用于大、中型冷庫設備。
3、 氟利昂制冷系統
3.1 氟利昂制冷系統的特點
應用于大型商場或建設在人員較密集地區的中小型冷庫一般采用氟利昂制冷系統。采用氟利
昂系統冷庫優勢在于氟利昂類制冷劑無毒無刺激氣味且機組的配置經過幾十年發展非常完 備，只需簡單的接管即能投入運行。系統的設備簡單且體積小，大幅度節省了建設空間，機
組低噪聲運行，在閥件密閉良好的情況下制冷劑不會泄漏。
缺點在于氟利昂制冷劑一旦泄漏會對環境產生破壞，且緩慢泄漏時難以檢測，同等設計下系統運行 效率低于氨制冷系統。
3.2 幾種R22的替代制冷劑及其性質
R22目前在氟利昂制冷系統中應用最為廣泛的制冷劑，但其會對臭氧層產生一定的破壞，根據《蒙特利爾議定書》規定2030開始，發展中國家不再使用R22制冷劑。目前已經開發出一些R22的替代品，這些制冷劑的ODP為0，但卻仍具有很高的
GWP值。R407C與 R404A是最常用的R22替代制冷劑，其中R404A是公認的廣泛使用在低溫冷庫中取代R22的標準制冷劑。
雖然這些制冷劑可以代替R22應用于氟利昂冷庫而不對臭氧層產生破壞，但仍需注意不
能在原有的R22制冷系統中采取直接“換血”式的制冷劑取代方式，因為各個制冷劑的物
化性能存在差異，需要對制冷系統進行相應的改造。表2為3種制冷劑的熱力性質表。
通過研究發現對于較低的制冷劑流量，R410A在直接膨脹式蒸發器比R22表現出更好的性能，從觀察到的壓降和用前者記錄的過熱可以得出，R407C是直接膨脹蒸發器中取代R22的最佳流體。但是對于高制冷劑流量為了盡量減少壓降，R410A將是采用直膨式供液方式的冷庫更好的選擇。