小型冷藏庫制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

劉平

（中國輕工業(yè)廣州工程有限公司，廣州 511440）

1 引言

改革開放以后，我國提出了實(shí)施城鄉(xiāng)冷鏈物流基礎(chǔ)設(shè)施的補(bǔ)短板工程。隨著冷鏈基礎(chǔ)設(shè)施的加快推進(jìn)，2015—2019年我國冷庫總量呈逐年遞增的趨勢，2019年全國冷庫總量約為6 053萬t。隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，冷庫的市場需求也進(jìn)一步擴(kuò)展，而制冷系統(tǒng)作為冷藏庫的核心部分，在設(shè)計(jì)上更要體現(xiàn)出科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性以及環(huán)保性，以此進(jìn)一步拓展冷藏庫的發(fā)展空間。

2 國內(nèi)外冷庫行業(yè)的發(fā)展

2.1 國內(nèi)冷庫行業(yè)的發(fā)展概述

冷庫就是添加了人工制冷設(shè)備的倉儲設(shè)施，能夠幫助人們儲存一些需要低溫保鮮的產(chǎn)品。我國最早在商周時期就已經(jīng)有了冷庫的概念，直至后來，我國北方出現(xiàn)了冰窖，用冰塊進(jìn)行制冷，它是冷庫的初級原始階段。冷庫和冰箱有很多共同的制冷原理，但冷庫的制冷范圍更大，我國自1955年建造了第一座冷庫，接下來冷庫行業(yè)的發(fā)展逐漸加速。隨著建設(shè)規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，我國對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也進(jìn)行了改善和修訂，現(xiàn)如今已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品加工、收貨、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)的冷藏。

改革開放以來，我國提出了城鄉(xiāng)冷鏈物流基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)補(bǔ)短板工程后，冷庫行業(yè)的發(fā)展也迎來了一個新契機(jī)，從最初的普通冷庫發(fā)展到現(xiàn)如今的智能冷庫，實(shí)現(xiàn)了冷庫的自動化管理。2020年，國務(wù)院、商務(wù)部以及農(nóng)業(yè)農(nóng)村部等多個部門聯(lián)合發(fā)布了冷鏈物流基礎(chǔ)建設(shè)的相關(guān)政策，大力支持冷鏈物流基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，由此，冷庫作為冷鏈基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的核心，迎來了新的發(fā)展機(jī)遇。

2.2 國外冷庫行業(yè)的發(fā)展概述

在一些發(fā)達(dá)國家，如美國、芬蘭、日本等，冷庫行業(yè)的發(fā)展速度較快，在冷庫行業(yè)發(fā)展剛剛起步時，通常采用集中式制冷系統(tǒng)，經(jīng)不斷研究發(fā)展后開始以分散式制冷系統(tǒng)為主，不斷提高自動化控制程度。近年來，一些發(fā)達(dá)國家開始致力于建設(shè)氣調(diào)庫，經(jīng)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，美國使用氣調(diào)庫儲藏占據(jù)了冷藏總數(shù)的70%；英國、法國等國家也相繼開始使用氣調(diào)庫。目前，國外已經(jīng)建造了將近10座世界級自動化冷庫。

3 冷庫的分類及制冷系統(tǒng)

3.1 冷庫的分類

冷庫分類具體有以下4種分類方式：（1）按照工作溫度進(jìn)行分類，可分為冷卻間、冷卻物冷藏間、凍結(jié)間以及凍結(jié)物冷藏間。冷卻間與冷藏物冷藏間的溫度一般在0~4℃，如同人們家中冰箱的冷藏室；凍結(jié)間和凍結(jié)物冷藏間的溫度一般在-18~20℃。（2）按照庫體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，可分為土建式冷庫和組裝式冷庫。土建式冷庫的外部屬于磚混結(jié)構(gòu)，在內(nèi)部安裝了厚10~15 cm的保溫層。（3）按照制冷劑的類型進(jìn)行分類，可分為氨冷庫和氟利昂冷庫。一般鄉(xiāng)村建設(shè)小型冷庫通常會選擇自動化程度較高的氟利昂冷庫。（4）按照冷庫的容量和規(guī)模來進(jìn)行分類，可分為大型冷庫、中型冷庫和小型冷庫，其容量分別為10 000 t以上、1 000~10 000 t以及1 000 t以下。

3.2 冷庫的制冷系統(tǒng)

小型冷藏庫的制冷原理主要是利用壓縮機(jī)進(jìn)行吸氣、排氣，通過冷凝器進(jìn)行散熱或冷凝，利用膨脹閥進(jìn)行節(jié)流、降壓，再通過冷藏蒸發(fā)器進(jìn)行制冷，最后到達(dá)冷凍蒸發(fā)器進(jìn)行制冷。

4 小型冷藏庫制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 制冷壓縮機(jī)的選擇

壓縮機(jī)是冷庫制冷系統(tǒng)的核心部分，在進(jìn)行制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時，首先要考慮壓縮機(jī)的選型。

1）所選機(jī)器制冷量要大于等于機(jī)械負(fù)荷。機(jī)械負(fù)荷是指為維持制冷系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，制冷壓縮機(jī)所帶走的熱流量值，一般以蒸發(fā)溫度為單位進(jìn)行匯總[1]。

2）選擇合適的臺數(shù)，對于小型冷藏庫而言，壓縮機(jī)選擇單臺即可。

3）應(yīng)盡可能地采用相同系列的壓縮機(jī)，以便于控制管理和零配件互換。

4）制冷壓縮機(jī)的工作條件不得超過制造廠家規(guī)定的運(yùn)行工況或國標(biāo)規(guī)定的壓縮機(jī)使用條件。

5）小型冷庫一般采用單機(jī)壓縮機(jī)；當(dāng)氟利昂系統(tǒng)壓力比大于10時，需采用雙機(jī)壓縮。制定合理的選型步驟，首先要確定小型冷庫的工作參數(shù)，然后計(jì)算出小型冷庫的機(jī)械負(fù)荷，根據(jù)選型軟件快速選擇壓縮機(jī)的型號和臺數(shù)。小型冷庫工作參數(shù)的確定包括以下方面：（1）確定蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、吸氣溫度以及過冷溫度。（2）先確定制冷量（可通過冷庫的機(jī)械負(fù)荷來確定），其次確定蒸發(fā)溫度（可通過冷間溫度以及冷卻方式來確定）。（3）確定冷凝溫度（可通過環(huán)境溫度以及水溫條件來確定）。

以上3個參數(shù)是進(jìn)行壓縮機(jī)選型的重要依據(jù)。此外，還要注意壓縮機(jī)中制冷劑的選擇。舉例說明，對某小型冷庫進(jìn)行估算，其機(jī)械負(fù)荷為12 kW，冷庫為凍結(jié)庫；冷間溫度為-18℃，采用的冷卻方式是冷風(fēng)機(jī)，因此，蒸發(fā)溫度為-26℃。冷凝溫度根據(jù)環(huán)境溫度確定，在壓縮機(jī)選型軟件中，需要輸入的參數(shù)為環(huán)境溫度。壓縮機(jī)的型號選擇環(huán)保型的R404A制冷劑。對于以氟利昂為制冷劑的中小型冷庫，宜采用壓縮機(jī)冷凝機(jī)組。

通過壓縮機(jī)選型軟件能夠了解到許多壓縮機(jī)種類：（1）小型冷庫常見的冷凝機(jī)組，在冷凝機(jī)組的選型中分多種系列，一般選用的是標(biāo)準(zhǔn)型，本案例應(yīng)選擇單臺壓縮機(jī)。（2）在系統(tǒng)中輸入估算值，會得到多種可供參考的壓縮機(jī)類型，（3）選擇接近估算值的壓縮機(jī)，并且其尺寸、技術(shù)參數(shù)以及資料文件等，都能在壓縮機(jī)選型軟件中直觀地顯現(xiàn)出來，以為后期的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

4.2 制冷劑的選擇

選擇制冷劑時，應(yīng)優(yōu)先考慮其制冷效率。選擇效率高的制冷劑能有效提高冷庫制冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。但同時要考慮制冷劑的其他指標(biāo)，如污染性、可燃性等。制冷系統(tǒng)在運(yùn)行過程中難免會發(fā)生制冷劑泄漏的情況，因此，選用的制冷劑必須對環(huán)境無不良影響或影響越小越好[2]。當(dāng)前評價制冷劑的環(huán)保指標(biāo)主要是全球變暖潛能值（ODP值）和溫室效應(yīng)指數(shù)（GWP值）。ODP值是制冷劑選擇的一個關(guān)鍵因素，制冷劑的ODP值越小越好；同理在選擇制冷劑時，GWP值越小越好。除了上述要考慮的因素之外，制冷劑的熱力學(xué)性能要滿足制冷循環(huán)要求：（1）制冷劑的臨界點(diǎn)要高。以便于用一般冷卻水或空氣進(jìn)行冷凝。（2）制冷劑的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)要低。制冷劑的標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)溫度大體上可以反映其制冷能夠達(dá)到的低溫范圍，標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)（ts）越低的制冷劑能夠達(dá)到的制冷溫度就越低。因此，依據(jù)常規(guī)冷凝壓力Pk和標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)（ts）的高低可將制冷劑分為高溫（低壓）、中溫（中壓）和低溫（高壓）。一般高溫是指標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)為0~10℃（壓力≤0.3 MPa）；中溫為0~-20℃（壓力0.3~2.0 MPa）；低溫為-20~-60℃（壓力≥2.0 MPa）。（3）要求制冷劑的凝固溫度要低，選用制冷劑時，首先要考慮制冷劑的適用溫度范圍，當(dāng)蒸發(fā)溫度和冷凝溫度給定時，在制冷系統(tǒng)中使用不同的制冷劑會得到不同的蒸發(fā)壓力和冷凝壓力。在選擇制冷劑時要保障其蒸發(fā)壓力不低于大氣壓力，以免向制冷系統(tǒng)中滲入空氣，影響制冷系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。此外，制冷劑的冷凝壓力不宜過高，以避免制冷劑向外滲漏。目前，國內(nèi)冷庫常用的制冷劑有二氧化碳、氟利昂和氨。氟利昂是應(yīng)用最為廣泛的一種制冷劑。氨具有一定的可燃性，在使用上仍存在一定局限性；二氧化碳屬于天然制冷劑，也是最具發(fā)展前景的一種冷庫制冷劑。

4.3 制冷系統(tǒng)的管道布置

冷庫制冷系統(tǒng)的管道布置有以下原則：（1）要考慮回氣管的布置。如果在回氣管中出現(xiàn)液囊，就會阻止氣體流通，因此，為便于回油，在布置上要有約0.8%的坡度。（2）在蒸發(fā)器出口的上方要設(shè)置回油彎，而且回油彎要盡量做小[3]。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷較大時，要采用雙上升回氣立管。（3）要注重回氣管與壓縮機(jī)的連接，使?jié)櫥湍軌蝽樌祷貕嚎s機(jī)的曲軸箱，且不能使制冷劑或者潤滑油集中進(jìn)入壓縮機(jī)。設(shè)計(jì)時主要考慮系統(tǒng)布局，考慮化學(xué)因素，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)避免潤滑油在管道中堆積，以此提高系統(tǒng)的回油能力。

4.4 制冷系統(tǒng)的自動化控制

近年來，我國冷庫行業(yè)從普通制冷系統(tǒng)發(fā)展到智能制冷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了制冷系統(tǒng)的自動化控制。但與一些發(fā)達(dá)國家相比，我國冷庫制冷系統(tǒng)的自動化控制程度還有待提高，特別是氨制冷系統(tǒng)，如果發(fā)生制冷劑泄漏，會嚴(yán)重威脅人們的人身安全，因此，在設(shè)計(jì)時應(yīng)提高制冷系統(tǒng)的自動化控制程度，以此降低事故的發(fā)生率[4]。小型冷庫可以用PLC控制取代傳統(tǒng)的繼電器控制，PLC選型時要選擇經(jīng)濟(jì)可靠、簡單易維護(hù)的控制系統(tǒng)。以果蔬冷庫為例，將果蔬運(yùn)到冷藏間時，PLC根據(jù)冷庫的溫度和環(huán)境對偏差值進(jìn)行計(jì)算，調(diào)整PLC參數(shù)，將計(jì)算結(jié)果傳輸?shù)綁嚎s機(jī)的變頻器中，以此來改變頻率，對制冷能量進(jìn)行控制。通過利用PLC實(shí)現(xiàn)冷庫自動化控制的同時，還能有效降低運(yùn)行能耗，增強(qiáng)制冷系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。除了PLC控制方式外，還可基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制或預(yù)測控制，尤其是預(yù)測控制，對系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能。因此，在設(shè)計(jì)過程中可根據(jù)冷庫的類型來選擇最適宜的自動化控制技術(shù)。

4.5 熱力膨脹閥的選擇

熱力膨脹閥是利用蒸發(fā)器出口處制冷劑蒸汽過熱度的變化來調(diào)節(jié)供液量，在氟利昂系統(tǒng)中的應(yīng)用非常廣泛。熱力膨脹閥主要分為內(nèi)平衡式熱力膨脹閥和外平衡式熱力膨脹閥，分別適用于蒸發(fā)器阻力較小和阻力較大的情況中。熱力膨脹閥控制制冷劑流量的具體原理如下：當(dāng)蒸發(fā)器負(fù)荷變大時，供液量不足，制冷劑很快就蒸發(fā)完，但是還在繼續(xù)吸收熱量，此時過熱度就會增大，與此同時感溫包的溫度壓力也隨之增大，閥門的開度變大，制冷劑的流量增加[5]，反之制冷劑的流量就會減小。因此，在選配熱力膨脹閥時，膨脹閥的制冷量要大于蒸發(fā)器的制冷量，閥體要盡可能地接近蒸發(fā)器，并且安裝到易于維修的部位。

4.6 制冷系統(tǒng)方案的確立

制冷系統(tǒng)方案是制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，與后期制冷系統(tǒng)的運(yùn)行密切相關(guān)，如果方案不科學(xué)，則無法保障制冷系統(tǒng)的安全運(yùn)行[6]。因此，在確立方案前，應(yīng)從經(jīng)濟(jì)、安全、實(shí)用、先進(jìn)等幾個方面綜合考慮，選擇出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

5 結(jié)語

隨著人們生活質(zhì)量的提高，日常生活中的大部分產(chǎn)品都需要保證其新鮮程度，主要依靠的就是冷庫。制冷系統(tǒng)作為冷庫運(yùn)行的核心，其設(shè)計(jì)得合理性直接影響著冷庫的運(yùn)行效果。本文對國內(nèi)外冷庫的發(fā)展情況進(jìn)行了簡要闡述，對冷庫的分類及制冷系統(tǒng)進(jìn)行了說明，主要對制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了全面分析，希望通過不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠進(jìn)一步提升制冷系統(tǒng)的運(yùn)行效果，促進(jìn)冷庫行業(yè)的發(fā)展。