国外CO2制冷一例

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制冷, 国外

首台二氧化碳制冷设备－用于瑞士一家高级商场中温及低温制冷系统-First CO2-refrigeration system for normal and deep freezing in a Swiss Hypermarket 随着欧洲氟利昂排放规定的颁布，有关制冷设备排放废气（温室气体）的激烈讨论也缓和了一些，并有了更实质性内容。林德制冷技术股份有限公司作为欧洲超市制冷设备的先驱，没有理由墨守成规。在用于卢森堡的一家超市的一台二氧化碳低温制冷设备首次调试4年后，在2004年11月25日在瑞士开业的一家高级百货商场内，中温制冷区域也使用了一台二氧化碳直接蒸发设备。

威廷根“Megastores COOP”商场的技术数据

按前面所述的日期，“Megastores T?gipark”高级百货商场按计划在瑞士的威廷根重新开业。这家商场的主人是总部位于巴塞尔的COOP企业。在约

12500平方米的营业面积内，这家商场向顾客提供高级商品和服务。其中，超市所占的营业面积约为5000平方米。

林德制冷技术公司为商场提供了用于中温及低温制冷系统的全套制冷设备和控制设备，它包括3台并联制冷机组、用于盛放商品的总长达180米的展示

柜、9个冷库（占地面积约200平方米）和5个低温冷藏库（占地面积约为90平方米）。

在中温制冷区域，首次使用了林德制冷技术新开发的二氧化碳并联制冷机组，它通过新开发的VS3000C来对常规并联制冷机组进行调节和控制，这种常规并联制冷机组也可以在超临界区域运行。所有的展示柜和冷库蒸发器均采用电子膨胀阀工作，这些电子膨胀阀通过UA300E来控制。超市计算机起着

显示、警告和操作终端的作用，它通过使用“LDS Win”装置（远程服务）来实现远程监控。

中温冷冻区域要求的322kW的总的制冷量由两台制冷功率相同的并联式制冷设备来提供。来自高温级的直接蒸发制冷剂将低温级（制冷功率为58kW）的热量带走（复叠式制冷）。无论是在常规冷冻段，还是在深冷段，提供给冷藏设备的制冷量都通过直接膨胀的二氧化碳来保证。一台“V形”的二氧

化碳冷却器负责将制冷设备产生的2 x 236 kW的热量排放到周围空气中。

在设备总方案中集成了热量回收设备。除了在供暖期内提供暖气温水外，可以在全年任何时期提供生活用水。

表（1）中列举了中温及低温制冷设备最重要的技术参数 并联制冷机组 配置条件 制冷功率 电功率 制冷剂充填量 压缩机 中温制冷装置（2个回路） 2 x VCP-650-4000S t0 = -9°C空气温度34°C 2 x 161 kW 2 x 75 kW 2 x 400 kg 12 x Bitzer 4HC4-20K 低温制冷装置 VCM-550-4730 tc = -6°Ct0 = -36°C 58 kW 13 kW 70 kg 5 x Bitzer 2HC-3.2K 71 kW板式传热器 气体冷却器/液化器 Cu/Al铜铝复合翅片管式传热器472 kW 热量回收装置 90kW生活用水280kW供暖用水

表（1）组合式制冷设备的制冷技术参数

冷藏设备包括大量不同的冷藏货架、冷藏柜、大型敞开式冷藏柜台和低温冷藏组合设备。表（2）中列举了它们的详细分类。

单个并联制冷设备的制冷量[参见表（1）]应比需要安装的制冷量高一些。这给超市的主人留有一定的空间用于扩展设备。

货架 大型敞开式冷藏柜 货柜 组合设备（货柜+敞开式大型冷藏柜） 冷冻室 低温液化 总功率 TK米/平方米制冷量 NK1米/平方米制冷量 NK 2米/平方米制冷量 5m3,9 kW 32,50m23,8 kW 89 m221,7 kW 49,4 kW

41,9m59,4 kW 13,8m6,3 kW 6,3m1,95 kW 159m247,4 kW 37,5 kW 152,6 kW 56,90m81,2 kW 5m1,5 kW 18,1m6,4 kW 40m229 kW 37,5 kW 155,6 kW 表（2）：冷藏容器总览

图（1）可以看到常规冷藏产品的售货区域，其中有用于陈列鲜鱼和香肠制品的冷藏货架和大型敞开式冷藏柜，它们是直接通过膨胀的二氧化碳来冷却。

图（1）：常规冷冻产品的售货区域

设备整体结构

图（2）以图形的方式表示了制冷设备的结构。如所提到的那样，中温制冷机组的总制冷量分为两个单独的循环。低温制冷机组中的制冷剂的冷凝通过从中温制冷机组中蒸发的二氧化碳来保证（复叠运行）。同时，低温机组的冷凝热通过两台重力供液的传热器排走。所述中温二氧化碳制冷机组产生的

热量通过两台分开的、按V形块布置的气体冷却器排出。

通过采用这种设备结构，获得三个“独立”的制冷循环（无物质交换），这样便于操作，并且大大提高了运行安全性。此外，通过采用这种设备方案，

可以直接使用经证明可行的二氧化碳低温并联机组制冷技术。 使得在过去的2年里，制冷行业可以集中于开发新的中温机组及所属的部件。

图（2）：中温和低温机组的原理图

因此，这份报告重点阐述了林德公司在跨临界二氧化碳并联机组技术上的开发工作。关于用二氧化碳作为制冷剂的低温技术的优点，在欧洲已有多篇论

文发表。因此，在这里只对低温的应用做一个简短的概括，以便接着能够深入探讨中温技术。

低温制冷装置

四年前，在低温范围首家采用林德公司二氧化碳直接蒸发设备的超市投入运行。现在，在制冷量10 - 100 kW的范围内，有完整系列的紧凑型并联制冷机组供用户选用。今天，林德制冷技术公司已有47台低温设备投入运行，它们总的制冷量达2000kW。因此，林德公司也积累了广泛而有益的经验。这此经验包括用于7个欧洲国家的制冷设备的安装、调试、运行及售后服务。从2002年起，所有在卢森堡和丹麦新投入运行的低温设备都采用二氧化碳

直接蒸发型式。

投资和运行成本的经济性也可通过这些大量安装的制冷设备来得到证明。与间接制冷系统相比（载冷剂循环），投资和运行成本大大降低。 低温制冷设备在标准形式为复叠系统。低温级的冷凝压力最大为36bar（设计压力为40bar）。这样，就可使冷凝温度达到了+1°C。在中温制冷设备中，根据需要，蒸发温度可以提高到约-5°C，从而大大减少夜间运行和周末运行时的能耗。图（3）是一张安装在瑞士威廷根的并联制冷设备的照片。在背

景中可以看到一台二氧化碳低温机组，其他两台“面对面”的机组为中温并联机组。

图（3）：用于常规冷冻和深冷的机组

中温制冷装置 设备结构和过程控制

在中温制冷中，在设计部件的尺寸时，将并联设备细分为两个压力区域[参见图（2）]。这样，可将高压区域的最大工作压力设计为115 bar。此高压区域包括压缩机的压出端、热量回收系统、到气体冷却器的的流入管和流出管道、截止及维护部件和一个专用的高压阀。后面还要对高压阀做更详细的

阐述。所有高压部件或者位于机器间内，或者位于室外，都不在超市售货区域内，从而降低了安全防范方面的费用。

对于其他的设备部件，如储液器、液体管道和吸气管道，最大的工作压力为40bar（蓝色区域）。对于工作介质二氧化碳的流动性能，在制冷剂一侧对中温制冷装置的蒸发器进行了优化，并使蒸发器可承受较高的压力载荷。这样，主要的设备部分可以采用标准的部件。这些部件也用在了二氧化碳低温

制冷设备中。

与其他的跨临界二氧化碳系统相比，另外的优点是二氧化碳的过程控制。从第1点[参见图（2），做了红色标记]出发，二氧化碳被压缩到较高的压力。

根据室外温度的不同，此压力处于45bar和85bar之间[点（2）]。接着，二氧化碳或者先流过热量回收装置，或直接被输送到气体冷却器，并在那里冷凝（亚临界运行）或冷却（超临界运行）。然后，制冷剂到达高压节流元件[点（3）]。高压节流元件能够在全年任何时期在最佳的能耗下调整得到

高压。通过制冷剂的膨胀，产生了一种两相混合物[点（4）]，它包含液相和汽相。

图（4）：用于压力、焓曲线图来表示过程控制

液体在储液器中被分离出来[点（6）]，而气相[点（5）]通过下一个节流元件降压到吸入压力。通过储液器和吸入管之间的压差，液体流向制冷场所。在降压[点（7）]和蒸发后，制冷剂以过热状态流回到压缩机，这一循环也结束[点（1）]。图（4）中过程控制通过压力-焓曲线图得以更加直观的表现。与通常的制冷设备相反，在此过程控制中有三个压力区域，即高压、中压和低压区域。在全年任何时期，最佳的压力是气体冷却器出口温度的函数，而

储液器压力保持不变。与没有中压区域的超临界二氧化碳制冷方案相比，根据选择的过程控制和高压、中压区域的划分，此系统有以下优点：

?

简化了安全防范措施，因为超市内没有高压（pmax>40 bar）部件存在；

?

设备大部分采用了标准化的、经证明可行的部件；

?

蒸发器处阀前的压力保持恒定；

? 通过在机房内分离闪发气体，降低了流向蒸发器的制冷剂流量，从而缩小了液体管和吸入管的口径；

?

通过在两相混合物进入蒸发器时干度降低，改进了热量传递性能，并降低了压力降。

由于这种跨临界的二氧化碳并联式制冷设备的压力高，需要开发一系列的开发工作，包括高压调节阀、中压调节阀、二氧化碳冷却器，润滑油和高压压

缩机。高压压缩机是Bitzer公司新开发的产品，它是一台四缸压缩机，它的基本结构取自“Octagon C4”系列压缩机。

所有部件在前期都经过了强化试验测试。这种测试历时约2年，它包括对功率和磨损性能的考察。在一家市场首次安装这种制冷设备之前，这种测试的

目的是保证所有部件具有最高的运行安全性。

安全方面

在设计这种超临界二氧化碳组合式制冷设备时，最先要考虑的是“设备的安全性”。表面看来，高的压力（设计压力115bar）是一种挑战，但从安全技术角度看，这种高的压力相对容易对付。压缩机在高压的一侧有一个电子压力开关，它与一个单独的安全阀一道，防止一台压缩机出现过高的工作压

力。除了这种保护机构外，一个新开发的“VS3000C”装置对高压进行监控，并在需要时参与调节。

所有承受压力达40bar的部件都通过安全阀来得到保护，以防止压力过高。比如因不合理地锁闭容器或管道段而导致的压力过高。所有必须的安全阀都

在售货区域之外，与售货区域内的人们相距较远。

因为机器间空间小并且处于监控之下，如果在某个设备段发生缓慢的二氧化碳泄露，在二氧化碳的泄露量很小且远没有达到危及人们安全的浓度时，传

感器就会报警。

从根本上讲，无论是在中温和低温场合，使用二氧化碳作为制冷剂都是没有安全技术方面的问题的。但由于这种技术是一种新技术，因此必须给操作人

员作入门培训。

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yang060511@126.com三人行................埋头拉车，抬头看路

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杨头-

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发表于 2006-3-29 10:57 | 只看该作者

能量消耗

在并联制冷设备运行的花费方面，首先应考虑的是耗电支出。通过将R404A与二氧化碳的制冷系数进行直接对比，可以知道， 当外界温度

版主 帖子

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高时，标准制冷剂R404A具有明显的优势。但当人们考虑二氧化碳最有利的热力和热工性能时，就会出现另外的现象：

?

?

由于二氧化碳具有更好的传热性能，与采用R404A相比，蒸发器的蒸发温度可提高2度。

与R404A相比，由于二氧化碳的压力高，可使吸入管内的饱合温度损失降低1开氏度。同时，能够保证将油送回到压缩机。这

样，二氧化碳压缩机在中温制冷系统中运行时，与采用R404A相比，蒸发温度可以提高3开氏度。

?

超临界过程控制的特性和气体冷却器中二氧化碳良好的传热性能，可使压缩气体冷却到接近空气温度。

? 当空气温度低时，可以使液化温度下降到约+5°C。因为二氧化碳的压力水平高，即使在这样低的温度下，二氧化碳仍然具有

相对于蒸发压力足够的大的压差。

精华 图（5）表示了采用R404A和二氧化碳作为制冷剂的制冷系统消耗的电功于制冷量的比值。此外，图中给出了中欧地区以小时计的外界空气

1 温度的累积时间。这种计算是建立在实际的压缩机数据和前面所述的二氧化碳的优点之上的。 积分

19059 威望

图（5）：比较R404A和二氧化碳的能耗性能（常规冷冻、单级压缩和不带热量回收装置的直接蒸发）

0 在低的外界温度范围内，采用二氧化碳在能量利用效率上具有明显的优势。在中间温度区域直至外界温度为+26°C时，所观察的这两种制点冷剂的能量利用效率相同。当外界温度高于+28°C 时（超临界运行），情况发生转变，采用R404A的制冷设备能更为有效地利用能量。当 外界温度为+35°C时，这两种设备能耗相差为13%。为了避免当外界温度高时能量利用效率上的劣势，安装了一台采用LU-VE公司（意大利）金钱 生产的喷水系统的二氧化碳冷却器[参见图（6）]。通过洒水，可以使二氧化碳制冷设备中的气体冷却器的出口温度明显低于空气温度，这

45样就大大降低了夏季能耗，并且在温度高于+29°C时，避免了电功耗的上升[参见图（5）]。对于其他需经过冷凝的制冷剂，这种旨在节省45 ￥

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在线时间 只是考察制冷系数，还不能清楚地了解实际每年的能耗。此外，必须考虑外界温度累积时间的影响。如图（5）中所示，在一年中大部分时

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03为了阐述实际的年能耗，进行了一次耗时三年的详细测试。它的目的在于，通过在欧洲不同的地点安装一系列的二氧化碳中温制冷设备，将-1不同的气候条件纳入到计算中去。根据已经取得的测量数据，可以在这里说，在中温冷冻系统中，使用二氧化碳直接蒸发设备是完全现实可

? ? ?

图（6）：“Megastores”商场屋顶的二氧化碳气体冷却器

费用的措施只能带来少许帮助。

间内，制冷设备在外界温度低于+28°C的状况下运行。一年中，只有很少时间的空气温度高于30度。

尽管如此，还有其他的因素会对年能耗会产生影响：

在夏季，因为售货区域内的空气温度和空气湿度上升，会导致制冷负荷的升高。 设备在白天的运行负荷高于夜晚。当外界温度较高时，制冷负荷也相应升高。 超市的建筑材料和可能安装有的空调装置会对空气温度和湿度产生影响。

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最后登录

2011-5

行的。它与使用R404A的冷冻设备相比，其能耗与后者相当。

投资成本

将眼光投到目前的二氧化碳制冷设备的总的投资成本上（并联式设备、循环冷却系统、用冷设备和管道系统）。因为新开发了一些部件，投

资二氧化碳制冷设备的成本还不能降到投资 R404A直接蒸发系统的费用水平。

-1所有的高压部件都是原型机。在市场成熟后，它们的制造成本会随着产量的增加而明显降低。目前，投资成本还处于间接式R404A制冷系统

的水平。

除了通过提高产量而使新开发的部件成本在将来得以降低外，因为二氧化碳系统的压力高，在超市内安装纵横交错的管道系统方面，二氧化碳制冷设备具有优势。表（3）中列出了用于不同设备系统的带隔热层的管道大小的比较（参考制冷功率为100kW）。在此，将R404A直接

蒸发设备所需的液体管和吸入管的横截面积（包括隔热层）定为100%。可以明显看到间接系统比直接蒸发系统需要更大的管道横截面积，这给在管沟、管道井和展示柜组合体下面铺设管道带来负面影响。与R404A直接蒸发设备相比，二氧化碳直接蒸发制冷设备所需的管道横截

面积减少了40%。这样，与其他系统相比，二氧化碳直接蒸发制冷设备所需的管道铺设费用得以降低。

表（3）用于不同制冷系统的带隔热层的管道直径比较（制冷功率100kW）

作为总结，对不同的管道系统做了一个总的评价[表（4）]。在评价时，二氧化碳直接蒸发制冷设备在投资成本上还有优化潜力，而R404A直接蒸发制冷设备在TEWI值上还有存在优化的潜力。但从生态角度考虑，制冷剂二氧化碳总是优于R404A。间接系统能够大大降低设备的

制冷剂充填，但其投资成本和运营成本却明显高于直接蒸发设备。此外，在所有的评价点，间接设备都没有进一步优化的潜力。

表（4）：环境、能耗和投资成本的总评价

总结和展望

通过在瑞士威廷根的“COOP”项目，使二氧化碳技术首次在一家大型食品商场的中温和低温制冷区域得到应用。

在设计二氧化碳制冷设备时，借助热力计算及首次获得的测量数据，与采用二次冷媒的间接系统不同，通过与R404A直接蒸发设备比较，可

以知道，采用所选择的二氧化碳技术不会增加能耗。在全年的测试过程中获得的其他数据，能够进一步地了解设备运行的可靠性。 在中温制冷方面，超临界的二氧化碳制冷设备的投资成本明显高与R404A直接蒸发制冷设备，它达到了采用二次冷媒的设备投资成本水平。造成这种现象的原因在于二氧化碳制冷设备的主要部件是新开发的产品，它们的产量很小。因为二氧化碳制冷设备中的压力较高，所以在部件的强度上和设备安全性上的花费也更大。但由于二氧化碳制冷设备能够大大缩小部件的安装体积，尤其是铺设在超市内的纵横交错的管道

的体积，因此它具有成本压缩潜力。

随着二氧化碳制冷设备在越来越多的食品商场得到应用，其有计划的发展将向人们展示，是否或者多快能够实现其目标。这一目标就是使二

氧化碳技术在经济性方面具有与R404A直接蒸发制冷设备竞争的能力。

路

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