NH3/CO2復疊制冷系統(tǒng)在冰淇淋項目中的應用

　　據(jù)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(zhí)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(tǒng)在冰淇淋項目中應用情況如何？

　　1、冰淇淋制冷系統(tǒng)面臨的問題

　　冰淇淋的形態(tài)其實是一個復雜的物理化學系統(tǒng)：

　　空氣泡分散于連續(xù)的帶有冰晶的液態(tài)中，這個液態(tài)包含有脂肪微粒、乳蛋白質、不溶性鹽、乳糖晶體、膠體態(tài)穩(wěn)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(tǒng)，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(tǒng)所面臨的問題：

　　冰淇淋的生產(chǎn)制作工藝并不簡單，速凍技術和低溫環(huán)境是制作和貯存過程中的重要保障，是不可或缺的環(huán)節(jié)。目前國內(nèi)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(shù) GWP100值為1700，也被列入京都協(xié)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(tǒng)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(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、進出料和控制裝置等部分組成。其中制冷系統(tǒng)是其核心部分。冰淇淋機的制冷系統(tǒng)為簡單蒸氣壓縮式系統(tǒng)，由壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器等組成具體如下圖所示。

　　冰淇淋機制冷系統(tǒng)在 T －s 圖上表示如下圖。

　　3、NH₃/CO₂復疊制冷系統(tǒng)

　　3.1  NH₃/CO₂復疊制冷系統(tǒng)工作原理  

　　下圖 為NH₃/CO₂復疊制冷系統(tǒng)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(fā)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(jié)流后的CO₂液體進入蒸發(fā)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(nèi)與循環(huán)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(fā)冷凝器內(nèi)帶走低溫循環(huán)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(tǒng)構成  

　　NH₃/CO₂復疊式制冷系統(tǒng)廣泛適用于水產(chǎn)品加工、肉類加工、調理食品、冰激凌、乳制品生產(chǎn)加 工和遠洋漁船等低溫冷藏及速凍系統(tǒng)。此復疊式系統(tǒng)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(huán)的高、低溫級各自成為一個以單一工質作為制冷劑的系統(tǒng)，兩個系統(tǒng)之間通過冷凝蒸發(fā)器相連。冷凝蒸發(fā)器既是高溫級的蒸發(fā)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(tǒng)的制冷系統(tǒng)， 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(tǒng)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(tǒng)。該客戶為實現(xiàn)速凍效果和低溫環(huán)境，選擇了節(jié)能、安全、經(jīng)濟的花色生產(chǎn)線系統(tǒng)、隧道機系統(tǒng)、冷庫系統(tǒng)與冰水系統(tǒng)等。

　　4.1 花色生產(chǎn)線系統(tǒng)

　　花色生產(chǎn)線系統(tǒng)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(jié)：

　?。?）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(tǒng)分開了制冷系統(tǒng)，可以制取不同溫度的鹽水，又減少了設備投資。

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

　?。?）蒸發(fā)器采用虹吸原理，提高了換熱效率，減少了氨的沖注量。

　?。?）采用虹吸蒸發(fā)器自動供液閥門，性能可靠，容易實現(xiàn)自動化控制。

　　4.2  冰水系統(tǒng)  

　　由于采用立式蒸發(fā)器制取冰水，立式蒸發(fā)器放置機房內(nèi)，所以采用NH₃制冷系統(tǒng)，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(tǒng)    

　　工廠生產(chǎn)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(chǎn)品結構穩(wěn)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(tǒng)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(tǒng)，其中高溫級系統(tǒng)中制冷劑NH₃的蒸發(fā)用來使低溫級排出的制冷劑氣體CO₂冷凝，用一個冷凝蒸發(fā)器將高、低溫級兩部分聯(lián)系起來，它既是低溫級的冷凝器，又是高溫級的蒸發(fā)器。食品的熱負荷通過末端蒸發(fā)器傳遞給CO₂制冷劑，CO₂制冷劑吸收的熱量通過冷凝蒸發(fā)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(fā)式冷凝器向環(huán)境介質釋放。

　　隧道機系統(tǒng)中NH₃/CO₂復疊制冷優(yōu)勢：

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

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

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

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

　　4.4 冷庫系統(tǒng)   

　　采用NH₃制冷CO₂做載冷劑系統(tǒng)，系統(tǒng)可劃分為NH₃制冷系統(tǒng)部分和CO₂載冷劑系統(tǒng)部分，兩部分分別為兩個獨立的閉式循環(huán)系統(tǒng)。NH₃制冷系統(tǒng)的冷量通過二氧化碳載冷劑系統(tǒng)傳到庫內(nèi)，用一個冷凝蒸發(fā)器將NH₃制冷系統(tǒng)和CO₂載冷劑系統(tǒng)聯(lián)系起來，它既是NH₃制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器，又是CO₂載冷劑系統(tǒng)的冷凝器。貨物熱負荷、圍護結構熱負荷等通過庫房內(nèi)蒸發(fā)器傳給CO₂載冷劑，CO₂載冷劑吸收的熱量通過冷凝蒸發(fā)器傳給NH₃制冷系統(tǒng)，最終通過NH₃制冷系統(tǒng)冷凝器將熱量排出。

　　冷庫系統(tǒng)CO₂/NH₃載冷制冷系統(tǒng)優(yōu)勢：

　?。?）蒸發(fā)溫度與純氨制冷系統(tǒng)相同，均為-35℃蒸發(fā)。

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

　?。?）冷庫內(nèi)蒸發(fā)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(tǒng)NH₃的沖注量。

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

　?。?）無論是低溫CO₂系統(tǒng)還是高溫NH₃系統(tǒng)，工作時壓力始終保持正壓，空氣進入不了系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)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(tǒng)的冰淇淋項目，節(jié)能性、安全性和經(jīng)濟性如下。

　　4.4 .1 節(jié)能性

　　單凍機系統(tǒng)采用NH₃/CO₂復疊制冷，解決了操作人員的安全性和系統(tǒng)的節(jié)能性。經(jīng)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(fā)溫度。單凍機系統(tǒng)采用NH₃/CO₂復疊制冷與采用氨制冷系統(tǒng)相比，制冷效率可提高10%，在蒸發(fā)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(jié)省的費用(400/1.75)×300×20×0.1=137142元。

　　4.4 .2 安全性

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

　　4.4 .3 經(jīng)濟性

　　花色線系統(tǒng)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(jīng)濟投資。氨壓縮機采用的雙機雙級撬塊機組，實現(xiàn)了高效率，操作簡單，減少了占地面積。