采用R410A冷媒的冷库装置及其相变流程

1.研究现状

在专利^[48]中提出了回收液化天然气冷能用于冷库制冷装置。该装置采用了R410A为中间冷媒，在管壳式的换热器中与LNG换热获得冷量，然后进入冷库的冷风机中进行蒸发冷却，从而达到冷冻货物的目的，其流程如图7-34所示。

图7-34 回收液化天然气冷能用于冷库制冷装置

1—LNG储罐 2、5—泵 3—管壳式换热器 4—再热器 6—换热器 7—风机

在专利^[49]提出的一种LNG冷能梯级集成利用系统中，主要讨论了液化天然气汽化站，冷能服务公司和冷能利用公司之间，如何协调利用LNG冷能的问题。该专利采用了两级中间冷媒传递冷量，使得LNG冷能梯级利用管理较为方便。其中也涉及到了冷库制冷的问题，其流程图如图7-35所示。

2.分类

利用LNG冷能的冷库流程，按冷媒运行时是否有相变分为两种：冷媒无相变运行的流程；冷媒发生相变的流程。前者指整个运行过程中，冷媒保持液态不汽化，冷量靠的是冷媒的显热来提供的；后者指的是冷媒在冷库的冷风机内蒸发，主要靠汽化热来提供冷量^[50]。

（1）冷媒无相变的流程 由于整个运行过程中冷媒没有发生相变，其流程的控制相对较容易，对于不同温度要求的冷库，可以考虑按照温度从低到高来进行串联，使得冷媒逐次通过它们来释放冷量，实现冷媒的串联化运行，使冷媒、管路系统化，充分利用了LNG的冷能，也是实现了冷媒冷量（）的梯级利用，现以金枪鱼冷藏库（-60℃）、鱼虾冻结库（-28℃）和鱼虾冷藏库（-18℃）为例进行说明，其串联无相变流程流程如图7-36所示，p-h图如图7-37所示，图中1～5为冷媒循环的各状态点。

图7-35 一种LNG冷能梯级、集成利用系统

1、6、8、13、19、24—储罐 2、7、10、18、23、28—泵 3、9、14～17、20～22、25～27—换热器 4—膨胀机 5—发电机 11、12—汽化器

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图7-36 无相变的冷库流程

具体过程是冷媒在LNG-冷媒换热器中获得冷量后，经泵加压，进入温度最低的金枪鱼冷藏库的换热器去释放一定的冷量，冷媒温度也升高了一定幅度；接着进入温度较低的鱼虾冻结库的换热器，释放冷量后也产生了一定的温升；再进入到温度较高鱼虾冷藏室的换热器内吸热升温。各冷库中，冷媒释放的冷量是通过风机传给周围空气的，冷媒最后进入LNG-冷媒换热器完成整个的循环过程。

图7-37 无相变冷库的冷媒p-h图

无相变方案的特点是流程、设备简单，控制方便，但冷媒是靠显热来携带冷量，相对于潜热来说还是小很多。这样使得在冷库负荷不变的情况下，要靠增大冷媒的质量流量来弥补，这样使得流程中的冷媒流量较大。

（2）冷媒有相变的流程 冷媒在各冷库的换热器中是发生相变的，主要通过蒸发热来提供冷量。对同时运行几个温度要求不同的冷库时，其冷媒的蒸发温度不同，则对应的蒸发压力也不相等，如果采用串联流程，就会带来各冷库换热器中压力控制不均衡的问题，即不能保证各换热器中实际的运行压力正好是蒸发压力，还有可能造成某些换热器中冷媒是全液态或气态的情况。为此，考虑采用并联的流程，即把这不同温度要求冷库的换热器并行在一起，通过节流阀的来控制各自的蒸发压力的需求。在这里还是以金枪鱼冷藏库、鱼虾冻结库和鱼虾冷藏库为例进行说明，其并联有相变流程如图7-38所示，p-h图如图7-39所示。

图7-38 并联有相变的冷库流程

图7-39 有相变冷库的冷媒p-h图

在冷库的三个并联换热器中，鱼虾冷藏库换热器的蒸发温度最高，对应的蒸发压力也最高，可以考虑作为并联起始端的压力；鱼虾冻结库的蒸发压力较低，则用阀节流降压到所需的蒸发压力；金枪鱼冷藏库的蒸发温度最低，对应蒸发压力也最低，可考虑作为并联末端的压力，其余不满足压力要求的也用节流阀来处理，此时状态点5，9，12，13的压力相同，但是其温度是不相等的，则焓值也不相同。

有相变方案的特点冷媒质量流量小，但流程、设备与控制均较复杂，发生了相变后，其气相部分体积流量较大，使得气态管路直径较大和相应的换热器尺寸也会较大。