氨与氟利昂在大型冷库中应用的对比分析

氨与氟利昂在大型冷库中应用的对比分析

盘智斌

中国轻工业广州工程有限公司广东广州511447

摘要：该文对大型冷库采用氨和氟利昂作为制冷剂时，其在安全、环保、初投资及运行费用等方面进行了对比分析，结果表明：对于采用氨制冷剂的桶泵系统，无论在初投资还是在运行费用上，均比采用氟利昂制冷剂具有优势；在冷库选址条件满足国家相关规定的前提下，推荐采用氨作为大型冷库的制冷剂；在涉氨冷库的设计建设过程中，需严格执行国家相关规范，在氨制冷系统运营过程中，需做好人员管理及设备维护工作。

关键词：氨；氟利昂；大型冷库；制冷剂

0引言

目前，氨与氟利昂是冷库建造中常用的两种制冷剂。氨作为天然制冷剂，相比氟利昂而言，在热物理性能及环保方面均具有较好优势。然而，氨具有毒性，且其在一定条件下有爆炸危险，因此限制了其在制冷领域的广泛使用。近年来，随着氟利昂制冷系统模块化的实现及完善，其在大型冷库中的应用逐渐增多。因此，对于冷库项目而言，采用氨还是氟利昂作为冷库的制冷剂，值得进行分析和探讨。

本文通过对氨制冷系统和氟利昂制冷系统在安全、环保、初投资及运行费用等方面进行对比，帮助设计人员在进行冷库项目建设时选用适当的制冷系统提供参考。由于氨自身的特点，不适合用于一些小型的冷库项目，因此，本文主要针对制冷量约为1000kW，库温为-18℃的大型冷库项目，对此类冷库采用氨或氟利昂作为制冷剂时的优缺点进行讨论。

1安全性对比

1.1氨的安全性

氨，或称“氨气”，氮和氢的化合物，分子式为NH3，是一种有刺激臭味的无色有毒气体，极易溶于水，水溶液呈碱性，易液化。氨气爆炸极限为15.7～27.4%，其火灾危险性属于乙类2项物品[1]。液氨为液化状态的氨气，是在适当压力下由氨气液化成液氨，一般储存于钢瓶或储罐中。一般液氨可作制冷剂，接触液氨可引起严重冻伤。

氨气能侵袭湿皮肤、粘膜和眼睛，可引起严重咳嗽、支气管痉挛、急性肺水肿，甚至会造成失明和窒息死亡。此外，由于氨气与空气或氧气混合会形成爆炸性混合物，储存容器受热时也极有可能发生爆炸。因此，在液氨的储存、运输和使用等环节中，应当采取必要的防火措施，防止液氨发生泄漏爆炸事故。

综上，液氨的火灾危险性分类应定性为乙类第2项。

根据相关的规范，氨冷冻站作为乙类厂房需要独立设置，氨冷冻站与厂房、重要公用建筑物、居民区及铁路等设施需要保持一定的安全距离。氨冷冻站还需要设计事故排风、泄氨池、喷淋及防护装置等设施来保障安全生产。

近年来，由于涉氨企业发生了多起严重的安全事故，造成了人员伤亡及严重的经济损失[2]。因此，国家在对氨作为制冷剂的冷冻站或冷库的报建审批非常严格[3]。

1.2氟利昂的安全性

氟利昂，又名氟里昂。在中国，氟利昂定义存在分歧，一般将其定义为饱和烃（主要指甲烷、乙烷和丙烷）的卤代物的总称。氟利昂在常温下都是无色气体或易挥发液体，无味或略有气味，无毒或低毒，化学性质稳定。

在建规的火灾危险性等级中，氟利昂被划分为戊类。采用氟利昂的机房可以在建筑物内根据使用情况来进行布置，设置氟利昂的冷冻站也不需要在当地安监部门进行备案，容易获得地方部门的批准。

2环境影响对比

氨作为绿色天然环保制冷剂，对臭氧耗损潜能值（ODP）为零，全球变暖潜能值（GWP）为零[4]。其具有良好的热力学性能和对大气层无任何不良效应。

在氟利昂中，根据其分子中元素的组成，可以分为三类[5]。其中，对臭氧层危害最大的属CFC类，HCFC类对臭氧层的破坏力较弱，HFC类则对臭氧层无害，但HFC类对温室效应有一定影响。1984年10月联合国通过了“特伦多备忘录”，要求各国大量减少氟利昂的产量和需求。1985年3月，联合国通过了“维也纳公约”，进而在1987年9月又通过了“蒙特利尔协定”，确切提出要限制生产和销售R11、R22、R113、R114和R115等氟利昂的产量，到1998年其产量要逐步降低到1986年生产水平的50%，并在下一个世纪初尽可能地取消这类产品[6]。国际公约强制规定：全面禁用空调业大量使用的制冷剂氟利昂（R22，属于HCFC类物质），发达国家必须在2030年前全面禁用，发展中国家也不迟于2040年[7]。

1999年初，中国就曾出台一项旨在保护臭氧层的措施，该措施中制定了这样的计划：“到2010年，我国将全面禁止生产和使用消耗臭氧层的物质——氟利昂”。按照这个计划，中国应从1999年7月1日开始把氟利昂的生产和消费水平冻结在1995～1997年的平均水平上，以后逐年减少，直至2010年1月1日，氟利昂被禁止使用。2010年9月27日，环境保护部、发展改革委、工业和信息化部等三部门联合发布《中国受控消耗臭氧层物质清单》的公告，对CFC类、HCFC类等物质做出停止或限制生产的规定[8]。

在欧洲地区，由于当地的环保法规比较严，只能采用HFC类的氟利昂作为制冷剂[8]。在我国现在禁止使用CFC类作为冷库用制冷剂，HCFC及HFC类还是可以使用，但一些企业出于环保考虑，都采用R134a及R404a等对臭氧影响很少的氟利昂作为制冷剂。

3初投资及运行费用对比

一个制冷量为1000kW的氨制冷机房，氨制冷系统包括的设备主要有压缩机、蒸发式冷凝器、油分离器、辅助贮氨器、贮氨器、低压循环桶、紧急泄氨器、放空气器、集油器、氨泵及相应的阀件和管道。而氟利昂系统的主要设备包括压缩机、蒸发式冷凝器、贮液器、低压循环桶、油蒸馏器、集油器、氟泵及相应的阀件和管道等。

在-25℃的蒸发温度下，氨和大部分氟利昂的制冷效率差不多，所以压缩机的配置是基本一致的。但对于相同的蒸发式冷凝器来说，用于氨的散热能力要比氟利昂大。同时，由于氟利昂的汽化潜热远小于氨（氨的汽化潜热约为1400kJ/kg，R22的汽化潜热约为210kJ/kg，R404a的汽化潜热约为190kJ/kg），所以氨制冷系统中的蒸发式冷凝器、贮氨器、供液泵及管道都会比氟利昂制冷系统的小。其中，蒸发式冷凝器小20%，供液泵小80%，管道大概小2~3个型号。

另一个对制冷系统造价影响比较大的是冷媒的造价。假设系统冷媒冲注量是15m3，那么采用氨制冷剂的造价是2.8万元，而采用R22制冷剂的造价约为23万元，采用环保冷媒R404a制冷剂的造价则是56万元。因此，在机电投资上，氨冷冻站的造价要比氟利昂冷冻站的造价低不少。

由于氨冷冻站是乙类车间，需要在布置上单独脱开，并配置泄氨池、喷淋和事故排风等设施。而规范上对氟利昂冷冻站的布置没有提出特别的要求，其可以根据生产情况进行布置。在安全上，氟利昂冷冻站仅需要设置换气次数为12次/h的事故通风即可。因此，在土建成本上，氨冷冻站的造价要比氟利昂冷冻站的造价高出不少。

氨作为乙类物质，尤其是在近年来发生多起安全事故之后，国家对氨管道的安装做出了很多具体的要求，对于低压管道及冲霜管道的焊缝要求100%探伤，对于高压管道焊缝要求按20%的比例探伤，这个探伤比例远高于氟利昂管道5%的探伤比例，管道系统的报验手续也远比氟利昂管道的要求严格，这在一定程度上增加了氨制冷系统的造价。

总的来说，在一个同等配置的制冷系统的设备造价上，采用氨作为制冷剂大概会比采用氟利昂作为制冷剂要便宜10%~20%。

对于同样采用桶泵系统的冷库，在-25℃的蒸发温度下，氨和氟利昂的制冷效率差不多（氟利昂的种类较多有的高有的低）。但在蒸发式冷凝器及供液泵上，氨制冷系统的比氟利昂制冷系统的小。综合下来，氨制冷系统的电耗要比氟利昂制冷系统的低5~10%。

4结论

本文对大型冷库采用氨和氟利昂作为制冷剂时，其在安全、环保、初投资及运行费用等方面进行了对比分析。对于采用桶泵系统的大型冷库，采用氨作为制冷剂时，无论是初投资还是运行费用上都比采用氟利昂系统有优势，企业也因采用环保冷媒提升企业形象。因此，在冷库选址条件满足相关国家规定的前提下，推荐采用氨作为冷库的制冷剂。在进行涉氨冷库设计建设过程中，需要严格执行国家的相关规范，在运营过程中也要做好人员管理及设备维护工作。

参考文献：

[1]羊建高.硬质合金[M].长沙：中南大学出版社，2012.

[2]PachaiAC，齐晓霞，奚晔，等.氨制冷系统的安全设计和维护分析[J].制冷技术，2014，34（3）：1-7.

[3]李晶晶.关于冷库制冷剂展方向的探讨[J].制冷，2014（2）：74-78.

[4]赵育川.氨制冷剂冷库当前发展趋势[J].制冷技术，2015，35（4）：66-70.

[5]吴业正.制冷原理及设备（第4版）[M].西安：西安交通大学出版社.2015.

[6]过增元，等.面向二十一世纪热科学研究——庆贺王补宣院士七十五寿辰论文集[M].北京：高等教育出版社，1999.

[7]于国先，牟绍明.氨（NH3）冷水机组替代氟利昂（R22）冷水机组的讨论[J].制冷与空调，1999（1）：63-66.

[8]《日用电器》编辑部.中国制冷行业全面“禁氟”进行时[J].日用电器.2007，（5）：6-6.

作者简介：盘智斌（1978-），男，高级工程师，主要从事制冷与空调设计及研究工作。