在化工厂中，制冷系统在移除反应热、维持装置稳定运行方面发挥着关键作用。一旦冷冻机发生故障，装置可能立即停产。在某些情况下，还可能引发失控反应、火灾甚至爆炸等严重事故。
本文将系统讲解机械与电气工程师应掌握的制冷系统基础知识，并结合实际运行中的重要注意事项进行说明。
虽然取得制冷相关资格证书具有一定意义，但在日常装置运维与设计工作中，对系统运行机理的理解往往更加重要。
制冷系统入门：压力–焓（p-h）图详解（4个核心概念）【制冷系统/冷冻】
制冷原理
制冷系统基于闭式热力循环运行。制冷剂在以下四个主要设备之间循环流动：
- 蒸发器
- 压缩机
- 冷凝器
- 膨胀装置
循环流程如下：
蒸发器 → 压缩机 → 冷凝器 → 膨胀装置 → 蒸发器
蒸发器
在蒸发器中：
- 工艺流体被冷却
- 制冷剂吸收热量并蒸发
之所以称为蒸发器，是因为制冷剂在此发生相变。
压缩机
蒸发后的制冷剂气体被压缩至高温高压状态。
冷凝器
在冷凝器中：
- 制冷剂释放热量并冷凝为液体
- 外部冷却介质（空气或水）吸收热量
膨胀装置
高压液体制冷剂经过节流降压，温度下降后返回蒸发器。
对于螺杆式冷冻机，还存在润滑油循环系统。油系统问题往往成为维护中的重点难题。
为什么化工厂需要制冷系统
从化工生产角度看，制冷系统主要用于：
- 维持低温反应条件
- 降低冷却水使用量
若无制冷系统，必须持续大量排放冷却水，不仅增加环境负担，还可能需要使用海水，从而带来腐蚀风险。
制冷系统有助于减少对冷却水的依赖，同时提高温度控制精度。
盐水（载冷剂）
盐水是指用于二次冷却的防冻溶液。最初指食盐水，如今则泛指多种防冻冷却介质。
化工厂常需要 0℃ 以下的冷却条件，盐水可安全实现这一目标。
乙二醇
最常见的载冷剂是乙二醇。
- 熔点：−12.6℃
- 沸点：111℃
在 0℃ 以下仍保持液态，适用于制冷系统。
但在极低温条件下（例如 −40℃ 浓度）：
- 粘度显著上升
- 导热系数下降
若仅关注温度指标，可能会牺牲换热性能。
此外，乙二醇属于危险化学品，需考虑防火管理。
氯化钙 / 氯化钠
无机盐水如氯化钙和氯化钠也被使用。
其主要问题是腐蚀：
- 含盐环境
- 低温下溶解氧含量高
碳钢和不锈钢均可能发生腐蚀，选材必须谨慎。
制冷剂
制冷剂是系统的核心。
温度要求
制冷剂必须满足：
- 蒸发温度低于盐水温度
- 冷凝温度高于环境温度
只有在适当温度范围内发生相变，才能实现有效换热。
压力要求
- 蒸发压力应高于大气压
- 冷凝压力应在压缩机可承受范围内
若蒸发压力低于大气压，可能吸入空气，导致性能下降。
臭氧层破坏问题
过去广泛使用的氯氟烃（CFC）和氢氯氟烃（HCFC）因热力学性能稳定而受到青睐。
但含氯制冷剂会破坏臭氧层，因此受到全球监管，并逐步被替代。
全球变暖问题
即使解决了臭氧问题，制冷剂的全球变暖潜能值（GWP）也成为新的监管重点。
现代制冷剂开发需综合考虑：
- 臭氧消耗潜能值（ODP）
- 全球变暖潜能值（GWP）
- 毒性
- 可燃性
不存在完全理想的制冷剂，只能在多种因素之间权衡。
冷冻机油
制冷系统离不开润滑油。
主要功能包括：
- 提高压缩机密封性
- 防止机械磨损
油循环包括：
- 向压缩机注油
- 油气分离
- 油冷却
- 油回流
油分离器和油冷却器是必要设备。实际维护中，油系统问题往往多于制冷剂问题。
金属磨损颗粒可能堵塞过滤器，导致系统停机。
制冷系统类型
开放式 / 半封闭式 / 全封闭式压缩机
- 开放式：便于维护
- 全封闭式：需返厂维修
- 半封闭式：可现场拆解
螺杆式与离心式
- 螺杆式：适用于大容量（化工厂常用）
- 离心式：多用于较小容量
吸收式冷冻机也存在，但在化工厂应用较少。
风冷与水冷冷凝器
风冷优点
- 可多机组控制
- 减少冷却水使用
- 对环境依赖低
- 占地紧凑
- 自动化程度高
- 冗余配置可降低停产风险
在批量生产装置中，多台风冷机组有利于实现容量冗余。
水冷优点
- 运行历史成熟
- 噪音控制较容易
- 旋转设备较少
风冷系统需考虑风机维护与噪音问题，尤其在靠近居民区时。
防爆设计
制冷系统包含压缩机及电气设备。在危险区域：
- 防爆设备提高初期投资成本
- 远离危险区域则增加管道成本
工程规划需在设备成本与管道成本之间取得平衡。
多机组控制（容量分级）
多台冷冻机运行可实现：
- 负荷灵活调节
- 风险分散
- 提高能效
但同时：
- 占地面积增加
- 初期投资略高
忽视冗余设计，往往会增加生产中断风险。
总结
制冷系统是化工厂安全运行的重要基础设施。
对制冷剂选择、盐水种类、油系统管理、压缩机类型、冷却方式、防爆要求及多机组控制的理解，直接关系到装置设计、运行与维护质量。
从风险控制与运行稳定性的角度来看，合理的冗余设计与系统管理至关重要。
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