NH3/CO2复叠制冷系统在冰淇淋项目中的应用

　　据最新消息：GB/T 20978-2021 软冰淇淋机质量要求将于2022年12月份开始执行。

　　冰淇淋是一种极具诱惑力的冷冻奶制品。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来的？需要哪些条件和设备？NH₃/CO₂复叠制冷系统在冰淇淋项目中应用情况如何？

　　1、冰淇淋制冷系统面临的问题

　　冰淇淋的形态其实是一个复杂的物理化学系统：

　　空气泡分散于连续的带有冰晶的液态中，这个液态包含有脂肪微粒、乳蛋白质、不溶性盐、乳糖晶体、胶体态稳定剂和蔗糖、乳糖、可溶性的盐等等，如此有气相、液相和固相组成的三相系统，可视为含有40%~50%体积空气的部分凝冻的泡沫。是不是很神秘？

　　冰淇淋制冷系统所面临的问题：

　　冰淇淋的生产制作工艺并不简单，速冻技术和低温环境是制作和贮存过程中的重要保障，是不可或缺的环节。目前国内很多冰淇淋机依然使用 HCFC22 作为制冷剂。

　　众所周知，尽管其臭氧层消耗潜能 ODP 值仅为0.05，但由于它对臭氧层仍有破坏作用，因此被列入蒙特利尔议定书修正案的禁用之列。同时其温室效应系数 GWP100值为1700，也被列入京都协议限制使用物质之一。因此，本文我们将来探讨一下，NH₃/CO₂复叠制冷系统在冰淇淋项目中的应用。

　　2、冰淇淋机的构成

　　冰淇淋机由制冷系统、搅拌系统、进出料和控制装置等部分组成。其中制冷系统是其核心部分。冰淇淋机的制冷系统为简单蒸气压缩式系统，由压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器等组成具体如下图所示。

　　冰淇淋机制冷系统在 T －s 图上表示如下图。

　　3、NH₃/CO₂复叠制冷系统

　　3.1  NH₃/CO₂复叠制冷系统工作原理  

　　下图 为NH₃/CO₂复叠制冷系统工作原理图，其工作流程：低温压缩机排出的高温高压 CO₂进入蒸发冷凝器放热，再依次通过贮液器、干燥过滤器、视液镜和电磁阀后进入膨胀阀，节流后的CO₂液体进入蒸发器吸热，最后回到低温压缩机。高温压缩机排出的高温高压NH₃在冷凝器内与循环水进行换热，冷凝后的NH₃通过储液器、干燥过滤器、视液镜、电磁阀、电子膨胀阀后在蒸发冷凝器内带走低温循环的冷凝散热量，最后回到高温压缩机。

　　3.2  NH₃/CO₂复叠制冷系统构成  

　　NH₃/CO₂复叠式制冷系统广泛适用于水产品加工、肉类加工、调理食品、冰激凌、乳制品生产加 工和远洋渔船等低温冷藏及速冻系统。此复叠式系统由高温级和低温级两部分组成，高温级使用NH3作为制冷剂，低温级采用CO₂作为制冷剂。 

　　如下图所示，复叠式循环的高、低温级各自成为一个以单一工质作为制冷剂的系统，两个系统之间通过冷凝蒸发器相连。冷凝蒸发器既是高温级的蒸发器，又是低温级的冷凝器。低温级CO₂的运行压力大大高于传统的制冷系统， 压缩机、换热器等设备均采用高压设计。

　　4、NH₃/CO₂复叠制冷系统在冰淇淋项目中的应用案例

　　本案例应用为某冷藏食品公司的冰淇淋制作与贮存系统。该客户为实现速冻效果和低温环境，选择了节能、安全、经济的花色生产线系统、隧道机系统、冷库系统与冰水系统等。

　　4.1 花色生产线系统

　　花色生产线系统采用盐水降温冻结，利用氨制取盐水，盐水送往车间花色线槽处间接制冷。让我们一起来揭秘一下技术细节：

　　（1）采用制冷效率高的氨用双级双机撬块制取盐水，共设置两台机组，一台小型号压缩机撬块对应一条花色线，一台大型号主机撬块对应两条花色线。既将3条花色线系统分开了制冷系统，可以制取不同温度的盐水，又减少了设备投资。

　　（2）制取盐水的蒸发器采用虹吸式蒸发器，将气液分离器与蒸发器做成撬块机组，机组工装化，保证了焊接质量，减少了现场的安装周期。

　　（3）蒸发器采用虹吸原理，提高了换热效率，减少了氨的冲注量。

　　（4）采用虹吸蒸发器自动供液阀门，性能可靠，容易实现自动化控制。

　　4.2  冰水系统  

　　由于采用立式蒸发器制取冰水，立式蒸发器放置机房内，所以采用NH₃制冷系统，氨不进入车间，主机采用NH₃单级螺杆机制取冰水。

　　4.3  隧道机系统    

　　工厂生产的冰淇淋因为并不会被马上吃掉，所以还会进一步冷冻硬化。进入到温度能达到-30℃的速冻隧道进行硬化，使得产品结构稳定些，也增加了抗融性。本次案例中介绍的隧道机采用NH₃/CO₂复叠制冷。

　　NH₃/CO₂复叠制冷系统由高温级和低温级两部分组成。高温级使用NH₃作为制冷剂；低温级使用 CO₂作为制冷剂。

　　高、低温级各自成为一个使用单一制冷剂的制冷系统，其中高温级系统中制冷剂NH₃的蒸发用来使低温级排出的制冷剂气体CO₂冷凝，用一个冷凝蒸发器将高、低温级两部分联系起来，它既是低温级的冷凝器，又是高温级的蒸发器。食品的热负荷通过末端蒸发器传递给CO₂制冷剂，CO₂制冷剂吸收的热量通过冷凝蒸发器传给高温级的NH₃制冷剂，而高温级的NH₃制冷剂将热量传给高温级冷凝器，通过蒸发式冷凝器向环境介质释放。

　　隧道机系统中NH₃/CO₂复叠制冷优势：

　　（1）蒸发温度比氨制冷系统提高2℃，提高了压缩机的制冷效率。氨系统蒸发温度为-4℃，本系统蒸发温度为-40℃。低温机选用2台CO₂主机，高温机选用2台NH₃主机。

　　（2）NH₃制冷剂被限制在机房内工作，CO₂制冷剂进入车间单冻机内降温，保证了人员和食品安全。

　　（3）由于CO₂的流动性好，带油效果好，单冻机蒸发器内基本不存冷冻油，提高了蒸发器的换热系数。

　　（4）无论是低温CO₂系统还是高温NH₃系统，工作时压力始终保持正压，空气进入不了系统，保证了系统的制冷高效率。

　　4.4 冷库系统   

　　采用NH₃制冷CO₂做载冷剂系统，系统可划分为NH₃制冷系统部分和CO₂载冷剂系统部分，两部分分别为两个独立的闭式循环系统。NH₃制冷系统的冷量通过二氧化碳载冷剂系统传到库内，用一个冷凝蒸发器将NH₃制冷系统和CO₂载冷剂系统联系起来，它既是NH₃制冷系统的蒸发器，又是CO₂载冷剂系统的冷凝器。货物热负荷、围护结构热负荷等通过库房内蒸发器传给CO₂载冷剂，CO₂载冷剂吸收的热量通过冷凝蒸发器传给NH₃制冷系统，最终通过NH₃制冷系统冷凝器将热量排出。

　　冷库系统CO₂/NH₃载冷制冷系统优势：

　　（1）蒸发温度与纯氨制冷系统相同，均为-35℃蒸发。

　　（2）NH3制冷剂被限制在机房内工作，CO₂制冷剂进入冷库内降温，保证了人员和食品安全。

　　（3）冷库内蒸发器采用顶排管，采用CO₂制冷剂降温，大大减少了整个制冷系统NH₃的冲注量。

　　（4）由于CO₂的流动性好，带油效果好，顶排管内基本不存冷冻油，提高了蒸发器的换热系数。

　　（5）无论是低温CO₂系统还是高温NH₃系统，工作时压力始终保持正压，空气进入不了系统，保证了系统的制冷高效率。

　　(6）顶排管采用热CO₂气体融霜，保证了融霜效果。

　　4.4  案例总结   

　　本案例使用CO₂/NH₃复叠制冷系统的冰淇淋项目，节能性、安全性和经济性如下。

　　4.4 .1 节能性

　　单冻机系统采用NH₃/CO₂复叠制冷，解决了操作人员的安全性和系统的节能性。经过理论和实践证明，由于CO₂流动性好，减少了换热温差，提高了蒸发温度。单冻机系统采用NH₃/CO₂复叠制冷与采用氨制冷系统相比，制冷效率可提高10%，在蒸发温度为-40℃，COP值为1.75；按照单冻机需要冷量400kW，每年运行300天，每天20小时，每度电费为1元，可节省的费用(400/1.75)×300×20×0.1=137142元。

　　4.4 .2 安全性

　　单冻机系统采用NH₃/CO₂复叠制冷，低温冷藏库系统采用NH₃/CO₂载冷制冷，大大减少了整个系统氨的冲注量，从而提高了系统的安全性。

　　4.4 .3 经济性

　　花色线系统采用氨直接冷却盐水，盐水输送至车间。与采用NH₃/CO₂复叠制冷相比，减少了经济投资。氨压缩机采用的双机双级撬块机组，实现了高效率，操作简单，减少了占地面积。