NH3/CO2復疊制冷系統在冰淇淋項目中的應用

　　據最新消息：GB/T 20978-2021 軟冰淇淋機質量要求將于2022年12月份開始執行。

　　冰淇淋是一種極具誘惑力的冷凍奶制品。800年前，元代就有人制作出了冰淇淋。那冰淇淋是如何制作出來的？需要哪些條件和設備？NH₃/CO₂復疊制冷系統在冰淇淋項目中應用情況如何？

　　1、冰淇淋制冷系統面臨的問題

　　冰淇淋的形態其實是一個復雜的物理化學系統：

　　空氣泡分散于連續的帶有冰晶的液態中，這個液態包含有脂肪微粒、乳蛋白質、不溶性鹽、乳糖晶體、膠體態穩定劑和蔗糖、乳糖、可溶性的鹽等等，如此有氣相、液相和固相組成的三相系統，可視為含有40%~50%體積空氣的部分凝凍的泡沫。是不是很神秘？

　　冰淇淋制冷系統所面臨的問題：

　　冰淇淋的生產制作工藝并不簡單，速凍技術和低溫環境是制作和貯存過程中的重要保障，是不可或缺的環節。目前國內很多冰淇淋機依然使用 HCFC22 作為制冷劑。

　　眾所周知，盡管其臭氧層消耗潛能 ODP 值僅為0.05，但由于它對臭氧層仍有破壞作用，因此被列入蒙特利爾議定書修正案的禁用之列。同時其溫室效應系數 GWP100值為1700，也被列入京都協議限制使用物質之一。因此，本文我們將來探討一下，NH₃/CO₂復疊制冷系統在冰淇淋項目中的應用。

　　2、冰淇淋機的構成

　　冰淇淋機由制冷系統、攪拌系統、進出料和控制裝置等部分組成。其中制冷系統是其核心部分。冰淇淋機的制冷系統為簡單蒸氣壓縮式系統，由壓縮機、冷凝器、節流閥、蒸發器等組成具體如下圖所示。

　　冰淇淋機制冷系統在 T －s 圖上表示如下圖。

　　3、NH₃/CO₂復疊制冷系統

　　3.1  NH₃/CO₂復疊制冷系統工作原理  

　　下圖 為NH₃/CO₂復疊制冷系統工作原理圖，其工作流程：低溫壓縮機排出的高溫高壓 CO₂進入蒸發冷凝器放熱，再依次通過貯液器、干燥過濾器、視液鏡和電磁閥后進入膨脹閥，節流后的CO₂液體進入蒸發器吸熱，最后回到低溫壓縮機。高溫壓縮機排出的高溫高壓NH₃在冷凝器內與循環水進行換熱，冷凝后的NH₃通過儲液器、干燥過濾器、視液鏡、電磁閥、電子膨脹閥后在蒸發冷凝器內帶走低溫循環的冷凝散熱量，最后回到高溫壓縮機。

　　3.2  NH₃/CO₂復疊制冷系統構成  

　　NH₃/CO₂復疊式制冷系統廣泛適用于水產品加工、肉類加工、調理食品、冰激凌、乳制品生產加 工和遠洋漁船等低溫冷藏及速凍系統。此復疊式系統由高溫級和低溫級兩部分組成，高溫級使用NH3作為制冷劑，低溫級采用CO₂作為制冷劑。 

　　如下圖所示，復疊式循環的高、低溫級各自成為一個以單一工質作為制冷劑的系統，兩個系統之間通過冷凝蒸發器相連。冷凝蒸發器既是高溫級的蒸發器，又是低溫級的冷凝器。低溫級CO₂的運行壓力大大高于傳統的制冷系統， 壓縮機、換熱器等設備均采用高壓設計。

　　4、NH₃/CO₂復疊制冷系統在冰淇淋項目中的應用案例

　　本案例應用為某冷藏食品公司的冰淇淋制作與貯存系統。該客戶為實現速凍效果和低溫環境，選擇了節能、安全、經濟的花色生產線系統、隧道機系統、冷庫系統與冰水系統等。

　　4.1 花色生產線系統

　　花色生產線系統采用鹽水降溫凍結，利用氨制取鹽水，鹽水送往車間花色線槽處間接制冷。讓我們一起來揭秘一下技術細節：

　　（1）采用制冷效率高的氨用雙級雙機撬塊制取鹽水，共設置兩臺機組，一臺小型號壓縮機撬塊對應一條花色線，一臺大型號主機撬塊對應兩條花色線。既將3條花色線系統分開了制冷系統，可以制取不同溫度的鹽水，又減少了設備投資。

　　（2）制取鹽水的蒸發器采用虹吸式蒸發器，將氣液分離器與蒸發器做成撬塊機組，機組工裝化，保證了焊接質量，減少了現場的安裝周期。

　　（3）蒸發器采用虹吸原理，提高了換熱效率，減少了氨的沖注量。

　　（4）采用虹吸蒸發器自動供液閥門，性能可靠，容易實現自動化控制。

　　4.2  冰水系統  

　　由于采用立式蒸發器制取冰水，立式蒸發器放置機房內，所以采用NH₃制冷系統，氨不進入車間，主機采用NH₃單級螺桿機制取冰水。

　　4.3  隧道機系統    

　　工廠生產的冰淇淋因為并不會被馬上吃掉，所以還會進一步冷凍硬化。進入到溫度能達到-30℃的速凍隧道進行硬化，使得產品結構穩定些，也增加了抗融性。本次案例中介紹的隧道機采用NH₃/CO₂復疊制冷。

　　NH₃/CO₂復疊制冷系統由高溫級和低溫級兩部分組成。高溫級使用NH₃作為制冷劑；低溫級使用 CO₂作為制冷劑。

　　高、低溫級各自成為一個使用單一制冷劑的制冷系統，其中高溫級系統中制冷劑NH₃的蒸發用來使低溫級排出的制冷劑氣體CO₂冷凝，用一個冷凝蒸發器將高、低溫級兩部分聯系起來，它既是低溫級的冷凝器，又是高溫級的蒸發器。食品的熱負荷通過末端蒸發器傳遞給CO₂制冷劑，CO₂制冷劑吸收的熱量通過冷凝蒸發器傳給高溫級的NH₃制冷劑，而高溫級的NH₃制冷劑將熱量傳給高溫級冷凝器，通過蒸發式冷凝器向環境介質釋放。

　　隧道機系統中NH₃/CO₂復疊制冷優勢：

　　（1）蒸發溫度比氨制冷系統提高2℃，提高了壓縮機的制冷效率。氨系統蒸發溫度為-4℃，本系統蒸發溫度為-40℃。低溫機選用2臺CO₂主機，高溫機選用2臺NH₃主機。

　　（2）NH₃制冷劑被限制在機房內工作，CO₂制冷劑進入車間單凍機內降溫，保證了人員和食品安全。

　　（3）由于CO₂的流動性好，帶油效果好，單凍機蒸發器內基本不存冷凍油，提高了蒸發器的換熱系數。

　　（4）無論是低溫CO₂系統還是高溫NH₃系統，工作時壓力始終保持正壓，空氣進入不了系統，保證了系統的制冷高效率。

　　4.4 冷庫系統   

　　采用NH₃制冷CO₂做載冷劑系統，系統可劃分為NH₃制冷系統部分和CO₂載冷劑系統部分，兩部分分別為兩個獨立的閉式循環系統。NH₃制冷系統的冷量通過二氧化碳載冷劑系統傳到庫內，用一個冷凝蒸發器將NH₃制冷系統和CO₂載冷劑系統聯系起來，它既是NH₃制冷系統的蒸發器，又是CO₂載冷劑系統的冷凝器。貨物熱負荷、圍護結構熱負荷等通過庫房內蒸發器傳給CO₂載冷劑，CO₂載冷劑吸收的熱量通過冷凝蒸發器傳給NH₃制冷系統，最終通過NH₃制冷系統冷凝器將熱量排出。

　　冷庫系統CO₂/NH₃載冷制冷系統優勢：

　　（1）蒸發溫度與純氨制冷系統相同，均為-35℃蒸發。

　　（2）NH3制冷劑被限制在機房內工作，CO₂制冷劑進入冷庫內降溫，保證了人員和食品安全。

　　（3）冷庫內蒸發器采用頂排管，采用CO₂制冷劑降溫，大大減少了整個制冷系統NH₃的沖注量。

　　（4）由于CO₂的流動性好，帶油效果好，頂排管內基本不存冷凍油，提高了蒸發器的換熱系數。

　　（5）無論是低溫CO₂系統還是高溫NH₃系統，工作時壓力始終保持正壓，空氣進入不了系統，保證了系統的制冷高效率。

　　(6）頂排管采用熱CO₂氣體融霜，保證了融霜效果。

　　4.4  案例總結   

　　本案例使用CO₂/NH₃復疊制冷系統的冰淇淋項目，節能性、安全性和經濟性如下。

　　4.4 .1 節能性

　　單凍機系統采用NH₃/CO₂復疊制冷，解決了操作人員的安全性和系統的節能性。經過理論和實踐證明，由于CO₂流動性好，減少了換熱溫差，提高了蒸發溫度。單凍機系統采用NH₃/CO₂復疊制冷與采用氨制冷系統相比，制冷效率可提高10%，在蒸發溫度為-40℃，COP值為1.75；按照單凍機需要冷量400kW，每年運行300天，每天20小時，每度電費為1元，可節省的費用(400/1.75)×300×20×0.1=137142元。

　　4.4 .2 安全性

　　單凍機系統采用NH₃/CO₂復疊制冷，低溫冷藏庫系統采用NH₃/CO₂載冷制冷，大大減少了整個系統氨的沖注量，從而提高了系統的安全性。

　　4.4 .3 經濟性

　　花色線系統采用氨直接冷卻鹽水，鹽水輸送至車間。與采用NH₃/CO₂復疊制冷相比，減少了經濟投資。氨壓縮機采用的雙機雙級撬塊機組，實現了高效率，操作簡單，減少了占地面積。