一種雙介質果蔬快速預冷裝置

涂楨楷，陳永春，湯石生

（1. 廣東弘科農業(yè)機械研究開發(fā)有限公司，廣州 510630；2. 廣東省現(xiàn)代農業(yè)裝備研究所，廣州 510630）

0 引言

隨著社會的發(fā)展和人民生活水平的提高，冷庫的建設速度和生產規(guī)模在不斷加快。自2010年《農產品冷鏈物流發(fā)展規(guī)劃》出臺之后，我國冷庫市場進入了一個前所未有的建設熱潮。2014年10月，國務院印發(fā)了《物流業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2014—2020年)》，助推冷庫建設朝著規(guī)模化、規(guī)范化和現(xiàn)代化的方向發(fā)展。一個國家冷藏事業(yè)的發(fā)展狀況，在一定程度上反映出人民生活水平的高低。作為冷鏈物流中的關鍵一環(huán)，冷庫建設和運營一直備受關注。隨著市場的發(fā)展，冷庫企業(yè)之間的競爭越來越激烈。冷庫是工業(yè)中的耗電大戶，能源的短缺勢必造成電費的上漲，因此，節(jié)約能源就等于增加利潤[1]。

將人工制取的冷量利用物質的顯熱或潛熱性質儲存起來的技術稱之為蓄冷[2]。目前，水蓄冷技術已具備了一定的理論基礎并在實際工程中得到了應用，可以均衡電網負荷，減少配電、制冷機組的裝機容量[2,3]。

根據冷卻介質的不同，果蔬預冷裝置可分為冷風冷卻式和冷水冷卻式。冷風冷卻式是利用冷媒氣化吸熱原理，通過冷風機將干燥冷空氣輸送到冷庫內并不斷實現(xiàn)降溫；冷水冷卻式是通過冷媒在對蓄水箱內的水進行降溫，達到蓄冷目的，利用冷水作為制冷介質，通過第二冷風機對冷庫進一步降溫。

1 雙介質果蔬快速預冷裝置的組成

雙介質果蔬快速預冷裝置安裝在冷庫內，通過閑時調用冷水降溫單元的方式提高制冷機組的能效比并實現(xiàn)快速降溫的目的。該預冷裝置主要包括安裝在冷庫外的制冷機組單元、利用冷媒蒸發(fā)吸熱降低冷庫溫度的直接蒸發(fā)降溫單元、通過冷水降溫方式進一步降低冷庫溫度的冷水降溫單元、以及用于調用直接蒸發(fā)降溫單元或冷水降溫單元工作的控制單元。制冷機組單元與直接蒸發(fā)降溫單元串聯(lián)連接，冷水降溫單元與制冷機組單元并聯(lián)連接，構成雙循環(huán)制冷和蓄冷回路。

1.1 制冷機組單元

制冷機組單元主要包括壓縮機、冷凝器和儲液器。如圖1所示，所述壓縮機的出口與冷凝器的一端連接，冷凝器的另一端與儲液器的入口連接。工作時，壓縮機對氣態(tài)冷媒進行壓縮，使冷媒在冷凝器內液化并放出熱量，該熱量通過冷凝器上的散熱鰭片釋放到外界空氣中，液化后的液態(tài)冷媒被存儲在儲液器中。

圖1 雙介質果蔬快速預冷裝置制冷系統(tǒng)圖

1.2 直接蒸發(fā)降溫單元

直接蒸發(fā)降溫單元包括第一電磁閥、第一膨脹閥和第一冷風機。第一電磁閥一端與儲液器的出口連接，另一端與第一膨脹閥連接，第一冷風機安裝在冷庫內，通過冷媒氣化吸熱快速降低冷庫的溫度。第一冷風機的一端與第一膨脹閥連接，另一端與壓縮機的入口連接，從而與制冷機組單元構成風冷制冷循環(huán)回路。直接蒸發(fā)降溫單元在工作時，打開第一電磁閥，液態(tài)冷媒通過第一膨脹閥的節(jié)流和調節(jié)作用，在第一冷風機內氣化并吸收熱量，進而降低進入第一冷風機的空氣的溫度，隨著第一冷風機對冷庫內空氣進行不斷循環(huán)，冷庫內的溫度便會快速降低。

1.3 冷水降溫單元

冷水降溫單元設有制冷水循環(huán)回路、水循環(huán)回路和冷水降溫循環(huán)回路，主要包括第二電磁閥、第二膨脹閥、制冷水蒸發(fā)器、第一水泵、蓄水箱、第二水泵、第二冷風機。制冷水蒸發(fā)器通過管道與蓄水箱連接，實現(xiàn)水循環(huán)，第一水泵安裝在管道上，控制水循環(huán)的流量，這三者共同構成水循環(huán)回路；該循環(huán)回路在工作時，第一水泵啟動，將蓄水箱中的水源源不斷地往制冷水蒸發(fā)器處輸送，并在制冷水蒸發(fā)器的降溫下形成冷水。第二電磁閥的一端與儲液器的出口連接，另一端與第二膨脹閥連接，制冷水蒸發(fā)器一端與第二膨脹閥連接，另一端與壓縮機的入口連接，從而與制冷機組單元共同構成制冷水循環(huán)回路；制冷水循環(huán)回路在工作時，第二電磁閥打開，液態(tài)冷媒通過第二膨脹閥的節(jié)流和調節(jié)作用，在制冷水蒸發(fā)器內氣化并吸收熱量，使流過制冷水蒸發(fā)器的水溫度降低，從而降低蓄水箱內的水溫，實現(xiàn)冷水的閑時制備。第二冷風機安裝在冷庫內，第二水泵的入口與蓄水箱連接，出口與第二冷風機的一端連接，第二冷風機的另一端與蓄水箱連接，從而構成冷水降溫循環(huán)回路。冷水降溫循環(huán)回路在工作時，打開第二水泵，由第二水泵抽取蓄水箱內的冷水并送到第二冷風機內，使進入第二冷風機的空氣的溫度進一步降低，隨著第二冷風機對冷庫內空氣的不斷循環(huán)，冷庫溫度會進一步降低。

2 工作原理

雙介質果蔬快速預冷裝置包含3個循環(huán)回路，分別是風冷制冷循環(huán)、制冷水循環(huán)和冷水降溫循環(huán)，其中風冷制冷循環(huán)利用冷媒氣化吸熱原理，通過冷風機將干燥冷空氣輸送到冷庫內并不斷循環(huán)，從而實現(xiàn)降溫目的；制冷水循環(huán)主要通過冷媒在閑時對蓄水箱內的水進行降溫，達到制備冷水的目的；冷水降溫循環(huán)是利用冷水作為制冷媒介，通過第二冷風機對冷庫進一步降溫，產生的冷風相對濕度較高，有助于減少果蔬的水分流失、干縮和變色，能夠長期保持果蔬的新鮮[4]。當需要對冷庫快速降溫時，可同時打開風冷制冷循環(huán)和冷水降溫循環(huán)，冷庫在雙重制冷循環(huán)作用下降溫速度加快，并大大提高制冷效率、降低制冷成本。

3 工作方式

制冷水循環(huán)主要用于制冷機組單元在閑時（用電低谷，電價便宜）對蓄水箱內的水進行降溫處理，起到蓄冷的目的。

風冷制冷循環(huán)產生干燥低溫空氣流，而制冷水冷循環(huán)產生相對濕度較高的低溫空氣流，根據進入冷庫的蔬果不同而選用風冷制冷或冷水降溫制冷。

由于冷庫內的蒸發(fā)溫度與機組的制冷量和制冷效率成正比，即在特定的制冷系統(tǒng)中，蒸發(fā)溫度每提高1℃，其他工況不變情況下機組制冷效率可提高3%，因此，前期采用風冷制冷，等蒸發(fā)溫度降下來后采用冷水降溫循環(huán)制冷，這樣能夠使機組不停機，降低機組能耗，還可以大大提高機組的制冷效率，同時節(jié)省制冷資源、降低制冷成本。

在需要快速降溫的場合（如：果蔬在田間剛采摘，熱量較大，對應所需的冷量較大），可同時打開風冷制冷循環(huán)和冷水降溫循環(huán)，雙重制冷循環(huán)下冷庫降溫速度加快，等溫度下降到設定值后改用風冷制冷循環(huán)或冷水降溫循環(huán)。

4 控制方法

雙介質果蔬快速預冷裝置的控制方法包括如下具體步驟：

步驟一：當庫內實際溫度TB＞庫內設定溫度TK＋庫內設定溫度負回差ΔTK2，或冷水實際溫度TD＞冷水設定溫度TS＋冷水設定溫度負回差ΔTS2時，壓縮機啟動；當庫內實際溫度TB＜庫內設定溫度TK－庫內設定溫度正回差ΔTK1且冷水實際溫度TD＜冷水設定溫度TS－冷水設定溫度正回差ΔTS1時，壓縮機停止。

步驟二：當庫內實際溫度TB＞庫內設定溫度TK＋庫內設定溫度負回差ΔTK2時，直接蒸發(fā)降溫單元啟動；當庫內實際溫度TB＜庫內設定溫度TK－庫內設定溫度正回差ΔTK1時,直接蒸發(fā)降溫單元停止。

步驟三：當冷水實際溫度TD＜庫內實際溫度TB－冷水與空氣運行溫差ΔT2且?guī)靸葘嶋H溫度TB－庫內設定溫度TK＞空氣運行溫差ΔT1，或庫內溫度上升速率為VT2＞庫內溫度上升速度設定值VT2S時，供冷水降溫單元啟動；當冷水實際溫度TD＞庫內實際溫度TB－冷水與空氣運行溫差ΔT2，或冷水實際溫度TD＜庫內實際溫度TB－冷水與空氣運行溫差ΔT2且?guī)靸葘嶋H溫度TB－庫內設定溫度TK＜空氣運行溫差ΔT1且?guī)靸葴囟认陆邓俾蔞T1＜庫內溫度下降速率設定值VT1S時,供冷水降溫單元停止。

步驟四：當壓縮機處于運行狀態(tài)，且直接蒸發(fā)降溫單元與供冷水降溫單元停止，且冷水實際溫度TD＞冷水設定溫度TS+冷水設定溫度負回差ΔTS2時，制冷水單元啟動；當冷水實際溫度TD＜冷水設定溫度TS－冷水設定溫度正回差ΔTS1或直接蒸發(fā)降溫單元啟動或供冷水降溫單元啟動時，制冷水單元停止。

5 結語

由于冷庫設計是按最大冷負荷來選取制冷機組的，而制冷機組通常情況是在部分負荷下運行，不會長期滿負荷運行。采用本方案后，制冷機組的容量可以按照平均負荷來選取，這樣可以大大減少機組的容量，有效降低采購機組的成本[4]。當進入冷庫的批次物料儲存量較大、待處理時間短，需快速冷藏時，可同時開啟第一冷風機和第二冷風機對物料進行降溫處理，開啟雙循環(huán)制冷后，冷庫能夠在短時間內實現(xiàn)快速降溫，與傳統(tǒng)冷庫制冷機組相比，制冷效率大大提高。