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[摘 要]本文阐述了常用制冷剂氟利昂被发现会产生温室效应，对臭氧层有破坏，而氨制冷剂是天然制冷剂，具有优良的制冷性能。介绍了氨制冷剂使用时的安全问题及其充注量，电子膨胀阀在降低氨充注量中起到了一定的作用。氨制冷剂的应用前景很大一部分在于其在螺杆压缩机中的应用，本文总结了螺杆式压缩机氨制冷之前的局限性、如今的新突破以及氨在螺杆式压缩机中的应用。
[关键词]氟利昂；氨；安全；电子膨胀阀；螺杆式压缩机
中图分类号：S744 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）08-0075-01
20世纪30年代，氟利昂类制冷剂出现，其具有无毒、无味、无燃烧性、无爆炸性、腐蚀性小、热稳定性好等优点，逐步成为一种较理想的、广泛使用的制冷剂，大大的推动了制冷技术的发展。然而在20世纪80年代，CFCs（chloroflourocar bons）类和HCFCs（hydrochloroflourcarbons）类氟利昂均被发现对臭氧层有着不同程度的破坏作用，会导致臭氧层出现“空洞”。所以，1987年联合国外长会议通过了“关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔协定书”，明确提出把9种氟利昂列为受控物质，并规定了分阶段减少消费、限制生产、直至完全停止的时间表。而氨（R717）是一种对环境友善的自然工质，其臭氧衰减指数ODP（Ozone Depletion Potential）=0，温室指数GWP（Global warming Potential）=0。具有较好的热力性质和热物理性质。它在常温和普通低温范围内压力适中，单位容积制冷量大，粘度小，流動阻力小，密度小，传热性能好，是我国工业制冷中广泛采用的优良工质[1]。
1 氨制冷剂的性质
氨与水能够以任意比例互溶，形成氨水溶液，在普通低温下，水分也不会从溶液中析出而结冰。氨系统内水的质量分数不得超过0.2%，这是因为水分的存在会加剧对锌、铜、青铜及其他铜合金的腐蚀。而且，在形成氨水溶液的过程中要放出大量的热，从而使氨水溶液的蒸发温度要比纯氨的蒸发温度高，使制冷量减小。氨在矿物润滑油中溶解度很小（溶解度不超过1%）。
氨的主要缺点是具有较大的毒性，且易燃、易爆。氨蒸汽无色，但具有强烈的刺激性臭味。为了设备运行安全，氨系统的充注量不能超过限制，且氨制冷系统中必须设空气分离器，及时排除系统内的空气或不凝性气体。
氨的价格低廉，又易获得，目前广泛应用于蒸发温度在-65℃以上的大型或中型单级、双级活塞式制冷系统中。氨溶液中含有水分时会腐蚀锌、铜、青铜及其他铜合金（除磷青铜外），因此，在氨系统中不允许使用铜和铜合金（除磷青铜外）材料，只有连杆称套、密封环等零件才允许使用高锡磷青铜。
2 氨“低充注量系统”
采用氨制冷剂的关键是安全问题，降低制冷系统氨充注量是保证系统安全的重要方法之一。《冷库设计规范》中规定：对使用氨作制冷剂的冷库制冷系统，其氨制冷剂总的充注量不应超过40吨；《危险化学品重大危险源辨识》中规定：制冷系统氨充注量超过10吨，列为重大危险源。这些规定均是从氨特性本身出发。而从制冷系统角度出发，最大限度降低充氨量，是保证氨系统安全运行的最佳方法。欧美一直采用“低充注系统”，其限定值远远低于国内氨制冷系统的充注量。因此发展氨“低充注量系统”对氨工质系统的扩展有深远意义。有以下几种方法来降低充注量。
第一，可以用氨的直接膨胀供液系统来代替国内制冷成套设计习惯采用的强制供液方式，直接膨胀供液系统取消了低压循环桶，采用电子膨胀阀，可向蒸发器直接供液，低压侧的充氨量可降低80%左右。直接供液的关键在于电子膨胀阀的使用。2014年，Lihan Xu通过控制电子膨胀阀开度来控制空调系统的过冷度发现：与传统热力学膨胀阀制冷系统相比，通过控制电子膨胀阀开度最多可以使制冷效率提高百分之三十三，制冷量提高4.7%，且在同一过冷度时，COP和制冷量达到最大。可见，电子膨胀阀开度会对制冷系统的效率有很大的影响[5]。
第二，冷库内蒸发器形式主要是排管，其消耗钢材量大，管内容积大，对于大型冷库需要很大氨充注量。但是，排管运行维护费用低，温度场较均匀，可以满足用户的一定需求。低充注量排管在维持换热性能的前提下，不仅降低了氨充注量，而且节约能耗、降低运行费用。
第三，气液分离过程中也可减小氨的充注量。国内相关制冷手册已经给出气液分离设备选型计算方法，但是这些计算方法没有根据制冷工况以及需要分离液滴大小进行界定，而是笼统的把气液分离速度取经验值，这种界定不够严谨，会造成桶内氨工质得不到充分利用。ASHRAE HANDBOOK REFRIGERATION中规定了不同温度、不同分离距离下对应的制冷工质分离速度。气液分离速度的提升对于降低气液分离容器的容积至关重要。
第四，氨系统高压侧存氨量占整个系统的30%左右，对于负荷稳定的冷库，高压侧采用高压浮球供液系统可省去高压储液器，可大大减少系统氨充注量。而对于变负荷系统可选择高位贮液器，以降低系统氨充注量[4]。
3 氨在螺杆式压缩机中的应用
螺杆式压缩机是一种高速回旋的容积式压缩机，具有体积小、重量轻、运转平稳、易损件少、效率高、单极压力比大、能量无级调节等优点。双螺杆式压缩机由两个转子组成，简称螺杆式压缩机；单螺杆式压缩机由一个转子和一个星轮组成。目前，各种开启式和半封闭式螺杆式压缩机已经形成系列，近几年全封闭螺杆式压缩机得到发展。由于螺杆制冷压缩机单级有较大的压力比及宽广的容量范围，故适用于高、中、低温各种工况，特别在低温工况及变工况情况下仍有较高效率。
虽然氨作为制冷剂十分环保，但因其具有一定的毒性，减少氨的泄露量十分必要。对于一般开启式螺杆压缩机而言，轴端需要用轴端密封，而轴封存在一定的泄露。但对于全封闭及半封闭螺杆压缩机而言，电机与压缩机同轴且封闭在同一套壳体内，故半封闭螺杆压缩机没有轴封。不存在轴封泄露问题，可显著减少整个机组的泄露，减少氨的充注量，便于应用推广。
由于制冷剂的限制，氨制冷剂对于纯铜和一般的铜合金具有强烈的腐蚀作用。因此，氨全封闭及半封闭螺杆压缩机无法使用常规的铜线电机，而铝线电机则可以在氨介质作用下正常运行，故电机采用铝制绕组。
最近，福建雪人股份有限公司自行研发和设计的氨用半封闭螺杆压缩机已在制冰机机组中应用，充分发挥半封闭氨用螺杆压缩机的优势，为氨系统的研发开创了新局面，同时也预示着氨将被广泛应用于制冷系统中[2]。
4 结束语
氟利昂逐渐被发现对臭氧层有着不同程度的破坏作用，有些氟利昂还会产生温室效应，氨作为一种天然制冷剂，对环境友好，在很大温度范围内具有较氟利昂更高的能效比，是制冷系统的首选制冷剂。但是因其有毒且可燃，必须降低系统氨的充注量来保证系统安全。氨用全封闭及半封闭式螺杆压缩机节能环保，在实际应用中有很大的优势。
参考文献
[1] 王志远.制冷原理与应用.机械工业出版社，2009（2）：25-44.
[2] 杨建辉.新型氨用半封闭螺杆压缩机的研发与应用.制冷与空调，2017（5）：1-4.
[3] 吴业正，李红旗，张华，等.制冷压缩机.机械工业出版社，2010（11）：142.
[4] 王程林，等.控制氨充注量——氨制冷系统的机遇与挑战.制冷与空调，2017（7）：73-76.
[5] 樊超超，晏刚，鱼剑琳.电子膨胀阀开度及制冷剂充灌亮对家用空调器性能影响的研究.制冷与空调，2017（2）：5-10.
作者简介
王欣茹（1996.09-），女，汗族，河北张家口人，本科，能源与动力工程制冷与空调方向，河北农业大学，河北省，066000。
[关键词]氟利昂；氨；安全；电子膨胀阀；螺杆式压缩机
中图分类号：S744 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）08-0075-01
20世纪30年代，氟利昂类制冷剂出现，其具有无毒、无味、无燃烧性、无爆炸性、腐蚀性小、热稳定性好等优点，逐步成为一种较理想的、广泛使用的制冷剂，大大的推动了制冷技术的发展。然而在20世纪80年代，CFCs（chloroflourocar bons）类和HCFCs（hydrochloroflourcarbons）类氟利昂均被发现对臭氧层有着不同程度的破坏作用，会导致臭氧层出现“空洞”。所以，1987年联合国外长会议通过了“关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔协定书”，明确提出把9种氟利昂列为受控物质，并规定了分阶段减少消费、限制生产、直至完全停止的时间表。而氨（R717）是一种对环境友善的自然工质，其臭氧衰减指数ODP（Ozone Depletion Potential）=0，温室指数GWP（Global warming Potential）=0。具有较好的热力性质和热物理性质。它在常温和普通低温范围内压力适中，单位容积制冷量大，粘度小，流動阻力小，密度小，传热性能好，是我国工业制冷中广泛采用的优良工质[1]。
1 氨制冷剂的性质
氨与水能够以任意比例互溶，形成氨水溶液，在普通低温下，水分也不会从溶液中析出而结冰。氨系统内水的质量分数不得超过0.2%，这是因为水分的存在会加剧对锌、铜、青铜及其他铜合金的腐蚀。而且，在形成氨水溶液的过程中要放出大量的热，从而使氨水溶液的蒸发温度要比纯氨的蒸发温度高，使制冷量减小。氨在矿物润滑油中溶解度很小（溶解度不超过1%）。
氨的主要缺点是具有较大的毒性，且易燃、易爆。氨蒸汽无色，但具有强烈的刺激性臭味。为了设备运行安全，氨系统的充注量不能超过限制，且氨制冷系统中必须设空气分离器，及时排除系统内的空气或不凝性气体。
氨的价格低廉，又易获得，目前广泛应用于蒸发温度在-65℃以上的大型或中型单级、双级活塞式制冷系统中。氨溶液中含有水分时会腐蚀锌、铜、青铜及其他铜合金（除磷青铜外），因此，在氨系统中不允许使用铜和铜合金（除磷青铜外）材料，只有连杆称套、密封环等零件才允许使用高锡磷青铜。
2 氨“低充注量系统”
采用氨制冷剂的关键是安全问题，降低制冷系统氨充注量是保证系统安全的重要方法之一。《冷库设计规范》中规定：对使用氨作制冷剂的冷库制冷系统，其氨制冷剂总的充注量不应超过40吨；《危险化学品重大危险源辨识》中规定：制冷系统氨充注量超过10吨，列为重大危险源。这些规定均是从氨特性本身出发。而从制冷系统角度出发，最大限度降低充氨量，是保证氨系统安全运行的最佳方法。欧美一直采用“低充注系统”，其限定值远远低于国内氨制冷系统的充注量。因此发展氨“低充注量系统”对氨工质系统的扩展有深远意义。有以下几种方法来降低充注量。
第一，可以用氨的直接膨胀供液系统来代替国内制冷成套设计习惯采用的强制供液方式，直接膨胀供液系统取消了低压循环桶，采用电子膨胀阀，可向蒸发器直接供液，低压侧的充氨量可降低80%左右。直接供液的关键在于电子膨胀阀的使用。2014年，Lihan Xu通过控制电子膨胀阀开度来控制空调系统的过冷度发现：与传统热力学膨胀阀制冷系统相比，通过控制电子膨胀阀开度最多可以使制冷效率提高百分之三十三，制冷量提高4.7%，且在同一过冷度时，COP和制冷量达到最大。可见，电子膨胀阀开度会对制冷系统的效率有很大的影响[5]。
第二，冷库内蒸发器形式主要是排管，其消耗钢材量大，管内容积大，对于大型冷库需要很大氨充注量。但是，排管运行维护费用低，温度场较均匀，可以满足用户的一定需求。低充注量排管在维持换热性能的前提下，不仅降低了氨充注量，而且节约能耗、降低运行费用。
第三，气液分离过程中也可减小氨的充注量。国内相关制冷手册已经给出气液分离设备选型计算方法，但是这些计算方法没有根据制冷工况以及需要分离液滴大小进行界定，而是笼统的把气液分离速度取经验值，这种界定不够严谨，会造成桶内氨工质得不到充分利用。ASHRAE HANDBOOK REFRIGERATION中规定了不同温度、不同分离距离下对应的制冷工质分离速度。气液分离速度的提升对于降低气液分离容器的容积至关重要。
第四，氨系统高压侧存氨量占整个系统的30%左右，对于负荷稳定的冷库，高压侧采用高压浮球供液系统可省去高压储液器，可大大减少系统氨充注量。而对于变负荷系统可选择高位贮液器，以降低系统氨充注量[4]。
3 氨在螺杆式压缩机中的应用
螺杆式压缩机是一种高速回旋的容积式压缩机，具有体积小、重量轻、运转平稳、易损件少、效率高、单极压力比大、能量无级调节等优点。双螺杆式压缩机由两个转子组成，简称螺杆式压缩机；单螺杆式压缩机由一个转子和一个星轮组成。目前，各种开启式和半封闭式螺杆式压缩机已经形成系列，近几年全封闭螺杆式压缩机得到发展。由于螺杆制冷压缩机单级有较大的压力比及宽广的容量范围，故适用于高、中、低温各种工况，特别在低温工况及变工况情况下仍有较高效率。
虽然氨作为制冷剂十分环保，但因其具有一定的毒性，减少氨的泄露量十分必要。对于一般开启式螺杆压缩机而言，轴端需要用轴端密封，而轴封存在一定的泄露。但对于全封闭及半封闭螺杆压缩机而言，电机与压缩机同轴且封闭在同一套壳体内，故半封闭螺杆压缩机没有轴封。不存在轴封泄露问题，可显著减少整个机组的泄露，减少氨的充注量，便于应用推广。
由于制冷剂的限制，氨制冷剂对于纯铜和一般的铜合金具有强烈的腐蚀作用。因此，氨全封闭及半封闭螺杆压缩机无法使用常规的铜线电机，而铝线电机则可以在氨介质作用下正常运行，故电机采用铝制绕组。
最近，福建雪人股份有限公司自行研发和设计的氨用半封闭螺杆压缩机已在制冰机机组中应用，充分发挥半封闭氨用螺杆压缩机的优势，为氨系统的研发开创了新局面，同时也预示着氨将被广泛应用于制冷系统中[2]。
4 结束语
氟利昂逐渐被发现对臭氧层有着不同程度的破坏作用，有些氟利昂还会产生温室效应，氨作为一种天然制冷剂，对环境友好，在很大温度范围内具有较氟利昂更高的能效比，是制冷系统的首选制冷剂。但是因其有毒且可燃，必须降低系统氨的充注量来保证系统安全。氨用全封闭及半封闭式螺杆压缩机节能环保，在实际应用中有很大的优势。
参考文献
[1] 王志远.制冷原理与应用.机械工业出版社，2009（2）：25-44.
[2] 杨建辉.新型氨用半封闭螺杆压缩机的研发与应用.制冷与空调，2017（5）：1-4.
[3] 吴业正，李红旗，张华，等.制冷压缩机.机械工业出版社，2010（11）：142.
[4] 王程林，等.控制氨充注量——氨制冷系统的机遇与挑战.制冷与空调，2017（7）：73-76.
[5] 樊超超，晏刚，鱼剑琳.电子膨胀阀开度及制冷剂充灌亮对家用空调器性能影响的研究.制冷与空调，2017（2）：5-10.
作者简介
王欣茹（1996.09-），女，汗族，河北张家口人，本科，能源与动力工程制冷与空调方向，河北农业大学，河北省，066000。