中型超市的制冷系统中的应用

CO2在大、中型超市的制冷系统中的应用王振超1),2)陈江平1)陈洪祥1),2)张曙光2)1)（上海交通大学制冷与低温工程研究所上海,200240）2)（西克制冷亚洲有限公司，上海,200030）摘要本文介绍了大、中型超市的制冷需求和超市制冷中制冷剂的应用现状，回顾了CO2的特性，总结和分析了CO2用于大、中型超市的制冷系统的基本方式。在文献的基础上，本文对CO2在国内外大、中型超市制冷系统的应用现状作了分析，最后，对CO2在大、中型超市制冷上的应用作了展望。关键词:CO2，二氧化碳，制冷，超市THEAPPLICATIONOFCO2INREFRIGERATIONSYSTEMSOFLARGE/MEDIUMSIZESUPERMARKETZhenchaoWang1),2)JiangpingChen1)HongxiangChen1),2)ShuguangZhang2)1)(InstituteofRefrigerationandCryogenics,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai,200240)2)(HeatcraftRefrigerationAsiaShanghaiRep.office,Shanghai,200030)ABSTRACTInthispaper,therefrigerationrequirementsinLarge/MediumsizesupermarketsarepresentedandtheapplicationstatusofrefrigerantinLarge/Mediumsizesupermarkets’refrigerationisintroduced.Also,thepropertiesofCO2arereviewed,andbasictypesofCO2refrigerationsystemsinLarge/Mediumsizesupermarketaresummarizedandanalyzed.Basedonliteratures,theapplicationstatusofCO2refrigerationsystemsinworldwidesupermarketsissummarized.AlsoprospectofCO2intherefrigerationsystemsofLarge/Mediumsizesupermarketsisdiscussedattheendofthispaper.KEYWORDSCO2,CarbonDioxide,Refrigeration,Supermarket0引言CO2用作制冷剂有着130多年的历史，并曾作为主要制冷剂广泛用于蒸汽压缩式制冷，特别是船用制冷。卤代烃制冷剂出现以后，限于早期的技术水平，CO2在制冷上的应用逐渐被性质优良、制冷效率高、压力适中的卤代烃所取代[1]。最近几十年来，随着人们对卤代烃具有破坏臭氧层的副作用和具有较高温室效应的认识，人们重新将目光投向了对环境友好的五类自然制冷剂：氨、二氧化碳、空气、水和碳氢类化合物。其中，由于二氧化碳不可燃、无毒、并且能应用于低温制冷，在最近十几年里得到了各国专家学者的广泛关注，并在一些领域取得了十分突出的进展，特别是在汽车空调、热泵热水器、商用制冷和工业制冷领域[1][2]。超市制冷，特别是大、中型超市的制冷应用是CO2在商用制冷上最主要的应用领域，有鉴于此，本文在相关文献的基础上，对CO2在大、中型超市制冷上的应用作一个回顾和分析。1大、中型超市的制冷应用需求及超市制冷中的制冷剂应用情况大、中型超市的制冷负载一般包括：中、低温陈列柜，冷冻物冷藏冷库和冷却物冷藏冷库，中、高温加工间和制冰机等。按应用温度范围可分为中温和低温两个温区：中温区：蒸发温度一般在-10~-15℃，中温陈列柜、冷却物冷藏库或加工间温度在-2℃~+10℃；低温区：蒸发温度一般在-30~-40℃，低温陈列柜、冷冻物冷藏库温度在-30℃~-20℃；由于大、中型超市制冷的冷量需求较大，并且负荷变化范围较宽，两个温区一般都采用一套或多套并联机组(每套并联机组由多台压缩机并联组成)集中供冷，且多采用直接膨胀式供液。在美国地区，现有超市大部分都采用R22制冷剂，新建超市以R404A或R507制冷剂为主。而在欧洲地区，由于政府部门对环保问题特别重视，绝大部分新建超市都采用R404A或R507制冷剂等HFC制冷剂，同时正积极尝试采用CO2制冷系统，并且已有相当数量的应用。在中国市场上，除国外著名的大型连锁超市如沃尔玛(Walmart)、家乐福(Carrefour)、乐购(Tesco)、欧尚(Auchan)等采用R404A作制冷剂外，大部分内资中、大型超市都采用R22作制冷剂。目前，超市制冷系统的制冷剂泄漏严重，欧洲超市每年平均的制冷剂泄漏率在15~30%，美国为25%左右[3]，大量的HFC/HCFC制冷剂泄漏给我们生存的环境带来了潜在威胁。目前，零售业及相关行业的许多企业已经提出尽快淘汰常规合成制冷的计划[4]。2007年3月，英国几大连锁超市集团宣布要在他们制冷设备中逐步淘汰HFCs，而改用自然制冷剂；沃尔玛、玛莎百货、特易购、森斯伯瑞、塞莫菲尔德等全球著名超市集团也都纷纷表示，在商业制冷领域继续使用HFCs会与人们日益关心气候变化的趋势背道而驰[5]。因此，Girotto[6]认为在超市制冷系统中采用自然制冷剂是必然的方向。其中特别地，由于CO2具有很多优秀的热物理特性，发展CO2超市制冷系统受到了特别重视。2CO2的特性CO2具有很多优秀的热物理特性，如无毒、不可燃，ODP为0、GWP为1，良好的化学稳定性：即使在高温的情况下也不会分解出有害气体等等。其中特别突出的性能有：单位容积制冷量高：3~10倍于HCFC、HFC和HC制冷剂[7]。如在-35℃时其单位容积制冷量为R404A的6倍，为R22的7倍[8]。在满足相同制冷量需求时，CO2系统的压缩机排量远小于R404A和R22。气化潜热大：在-35℃时，CO2的气化潜热分别比R22和R404A高36%和60%；在-10℃时，分别比R22和R404A高20%和46%。热导率高：20℃时液体热导率分别为R22和R404A的3倍和2倍；-10℃时液体热导率分别比R22和R404A高23%和50%；-35℃时液体热导率分别比R22和R404A高38%和64%[9]。很高的导热性能和气化潜热使得CO2的换热效率明显高于R22和R404A，文献[10]指出，在同等蒸发器换热面积的情况下，CO2很高的换热效率使得CO2系统的蒸发温度至少可以比R404A高2K，从而提高了CO2系统的效率。粘性小：在-35℃~-10℃范围，CO2液体粘性仅为R22和R404A的40~60%[9]。相对于R22和R404A系统，在保证同等压降的前提下，CO2系统可以选用更高的的流速、可以选择更小的管径，从而节约了管道成本。成本低廉：CO2为工业副产品，价格约为HFC的1/5~1/10[6]。CO2应用在制冷上的不足之处主要是其临界温度低(31.1℃)，压力水平很高(跨临界循环的高压高达120~140Bar)，节流损失大，绝热指数偏高(1.3)。此外，CO2在空气中的限量值（0.1Kg/m3）比HFCs制冷剂低3.5~6倍；混入润滑油中后会导致润滑油粘性急剧下降。CO2具有的众多优秀特性决定了其在超市制冷系统上有巨大的应用潜力，但同时CO2的缺点，特别是其压力水平很高，给CO2制冷系统的推广和大规模应用带来了挑战。3CO2用于大、中型超市制冷的基本方式CO2在大、中型的超市制冷系统上的应用有三种基本方式[7]:1，作第二制冷剂用于主制冷循环的二次回路，或称有相变的二次回路。与采用常规载冷剂的二次回路不同，CO2液体在蒸发器盘管内吸热蒸发，换热主要是通过相变的潜热交换完成。2，作主制冷剂，应用于亚临界系统，采用亚临界循环。一般与其它独立的中温回路一起组成复叠系统运行，中温回路的一个蒸发器用作CO2亚临界循环的冷凝器，保证CO2处在亚临界区内循环。3，作主制冷剂，应用于跨临界系统，采用跨临界循环。高压侧的排热过程(对应常规系统的冷凝过程)是在跨临界区内完成，在这个过程中制冷剂不会发生相变。针对不同的应用需求和超市有中、低温两段温区制冷的需要，可在以上3种基本方式的基础上，组合出各种不同的混合系统。3.1CO2作第二制冷剂的二次回路系统图1给出了该系统的原理图。系统包含两个回路：采用其它制冷剂(如HCFC、HFC和HC制冷剂)的主制冷回路和采用CO2作第二制冷剂的二次回路。大致流程为：从储液器流出的液体CO2经液泵加压后流经热负载（展示柜或库房冷风机盘管），部分液体吸热气化后形成一定干度的气液两相流体，两相流体回到主制冷系统的蒸发器内重新冷凝为液体后，回到CO2储液器，进行下一次循环。相对于采用常规无相变的载冷剂，如乙二醇和氯化钙，CO2液体粘性要低1~2个数量级[12]，特别是在低温区，常规载冷剂的粘性随温度的下降而明显增大，采用CO2能明显节约液泵耗功。此外，CO2二次回路为相变换热，换热系数很高，并且由于CO2气化潜热大，满足同样换热量需求时CO2质量流量和液泵耗功较小，因此可以减小输送管管径和液泵型号；并且，由于CO2换热系数很高，在同样换热面积和换热量需求的情况下，液体CO2的供液温度可以有一定提高，主制冷回路的蒸发温度也可以有一定的提高，从而提高了整个系统的效率。图2CO2作第二制冷剂的二次回路系统[11]由于采用了泵过量供液，可以通过调节循环倍率使换热效率达到最优值。文献[13]给出了CO2泵供液倍率的一些参考值。由于采用了二次回路，主制冷回路的管道布置可以集中在机房，因此能大幅减少主制冷回路的制冷剂充注量。加拿大连锁超市Loblawd的某个分店在低温系统上采用CO2二次回路后，主回路的充注量减少了90%[14]。此外，CO2为无毒的自然工质，系统轻微泄漏不会污染存储货物[15]。在超市中温应用的蒸发温度附近(-10~-15℃），CO2的压力较高，约26bar左右，因此出于简化系统考虑，CO2二次回路系统多用于超市的低温应用，而中温常采用其它载冷剂的二次回路或者采用主制冷剂直接膨胀的制冷方式[2]。CO2作第二制冷剂的二次回路系统是CO2进入超市制冷最先采用的方式[2]。由于CO2二次回路系统布置简单、并可采用常规部件来构建系统，目前发展已较为成熟[16]。4.2CO2亚临界复叠系统图2给出了CO2亚临界系统应用于超市低温负载制冷的系统原理图。其循环与常规的制冷循环类似。CO2的临界温度仅为31.1℃，低于典型的夏季工况的环境温度+35℃，为实现CO2亚临界循环，除应用在气温较低的地区外，必须采用其它的辅助循环使得CO2的冷凝温度处在临界温度之下。因此CO2亚临界系统通常都需要与常规的制冷系统一起组成复叠式系统。在超市制冷上的典型应用是：采用HFCs(如R404A)的中温系统为超市的中温负载提供冷源（蒸发温度：-10~-15℃），并在冷凝蒸发器中冷凝CO2亚临界低温系统的的高压排气，保证CO2系统运行于亚临界区域；CO2亚临界系统为低温负载(蒸发温度：-30~-40℃)提供冷源，直膨供液。图2CO2亚临界系统(与中温R404A系统组成复叠式系统)[11]CO2亚临界系统的压力水平约为40Bar，与现有R410A系统压力相当，远低于跨临界循环的120Bar左右的压力水平。亚临界方式或者含有亚临界的混合方式是CO2应用于超市制冷的重要方式，采用CO2亚临界复叠系统的低温应用越来越多，其竞争力也越来越强[2]。文献[2]根据供液方式和布置方式的不同，总结了CO2亚临界复叠系统的多种应用方式。4.3CO2跨临界系统图3给出了CO2跨临界系统的原理图和对应的LgP-h图。其大致流程为：压缩机排出的高温、高压CO2气体进入气体冷却器进行冷却，由于其压力高于临界压力、处在超临界区，故气体冷却器中的CO2气体不会冷凝为液体。气体冷却器排出的超临界CO2流体经过压力调节阀节流、减压后形成两