冷库制冷工艺论述

---------=----=------------=一、机械冷库的制冷原理：所谓机械冷库，简单地讲就是以机械方法进行制冷的冷库。目前我国多数机械冷库主要是采用蒸汽压缩式制冷方式调节库温。制冷原理可简述为：利用汽化温度较低的液态制冷剂的蒸发，吸收贮藏环境中的热量，从而使库温下降。通过压缩机将汽化后的制冷剂吸回并加压，在冷凝器中制冷剂将吸收的热量传递给冷却介质，使自身温度得以降低、冷凝成液体，然后再进行蒸发吸热，如此循环即可实现连续制冷。制冷系统包括4个主要部分：压缩机、冷凝器、膨胀阀（节流阀）、蒸发器。整个制冷系统由循环管路连接，构成一个密闭的回路。管路内充注制冷剂。压缩机在制冷系统中起着压缩和输送制冷剂气体的作用，即把蒸发器内产生的低压低温气体吸回，再次压缩成为高温高压气体并送入冷凝器。冷凝器用来对压缩机压入的高温高压气体进行冷却和冷凝，在一定的压力和温度下，把高温高压的气体液化成为常温高压液体。膨胀阀安装在贮液器和蒸发器之间，是系统内高压区和低压区的一个分界点，其作用是将高压液体节流膨胀，变为低压液体，它也是调节和控制制冷剂流量的关卡。在蒸发器中，节流膨胀后的低压制冷剂从库房吸收热量并蒸发为气体，使库温降低，达到制冷的目的。在整个制冷系统中，有高压区和低压区两部分，自压缩机的排气端直至膨胀阀前的工作段为高压区；自膨胀阀后至压缩机吸气端的工作段为低压区；由排气压力表和吸气压力表分别近似表示这两部分的压力。压缩机在整个制冷系统中起着心脏的作用，是提供能量补偿的过程。冷凝器和蒸发器是两个热交换器，前者使高压制冷剂的气体放热，并转化为液体；后者使低压制冷剂的液体吸热，并转化为气体。制冷剂在循环往复过程中成为热能的运载工具。二、制冷机组制冷机组是将制冷系统中的部分设备或全部设备，配套组装在一起成为一个整体。制冷机组结构紧凑，占地小，使用灵活，管理方便，安装简单，其中有些机组只需连接水源和电源即可使用。常用的制冷机组有压缩冷凝机组和冷水机组。1、压缩冷凝机组。压缩冷凝机组是将压缩机，冷凝器等组装成一个整体，可为各种类型的蒸发器连续供应液态制冷剂，主要适合小型制冷装置用。2、冷水机组。冷水机组是将压缩机、冷凝器、冷水用蒸发器以及自控元件等组装成一个整体，主要适合工艺中选用冷水的地方。三、制冷压缩机压缩机是蒸汽压缩式制冷装置中的重要组件，通常称作制冷主机。其功能是输送和压缩制冷剂蒸汽，它由电动机驱动进行工作。压缩机的工作好坏直接影响到制冷循环的完成程度。蒸汽压缩式制冷装置常用的压缩机有活塞式、螺杆式、离心透平式及回转式等。冷库中广泛使用的是容积式压缩机。这类压缩机是利用活塞、汽缸结构或转子的旋转，使汽缸的工作容积发生变化，将气体压缩和输出，其中就有活塞式制冷压缩机和螺杆式制冷压缩机。1、活塞式制冷压缩机活塞式制冷压缩机是闻世最早的一种机型，至今发展已相当完善。其工作压力范围广，能适应较宽的能量范围和不同场合。活塞式压缩机具有高速、多缸、能量可调、热效率高、适于多种制冷剂等优点；其缺点是：结构较复杂、易损件多，需检修周期短，对湿行程敏感，有脉冲振动及运行平衡性差。活塞式制冷压缩机的分类方式有多种，按封闭方式通常分为3类：（1）开启式制冷压缩机；（2）半封闭式制冷压缩机；（3）全封闭式制冷压缩机。2、螺杆式制冷压缩机螺杆式制冷压缩机是一种新型的高转速制冷压缩机，它与活塞式压缩机同属于容积式压缩机。从压缩气体的原理来看，它们的共同点都是靠容积的变化而使气体被压缩的；不同点是这两类压缩机实现工作容积变化的方式不同。活塞式压缩机是借助曲轴连杆机构的运动，而使汽缸的工作容积发生变化；螺杆式压缩机则是借助与轴直接连接的转子的旋转运动而使工作容积发生变化。螺杆式压缩机没有活塞式压缩机所需的气缸，活塞、活塞环、汽缸套等易损部件，机器结构紧凑，体积小，重量轻，没有余隙容积，少量液体进入机内时无液击危险。可利用活阀进行10%～100%的无级能量调节，适用范围广，运行平稳可靠，需检修周期长，无故障运行时间可达（2～5）×104h。由于使用润滑油使机器的冷却使用和密封性能得到改善，排气温度降低，即使蒸发温度较低（-40℃）和压缩比较高（25左右），仍然可以单级运行，即在一定范围内可以代替两级压缩循环。但是，螺杆式制冷压缩机的加工和装配要求精度较高，不适宜于变工况运行，有较大的噪音，在一般情况下，需装置消音和隔音设备，在制冷压缩时，需要喷加润滑油，因而需要油泵、油冷却器和油回收器等较多辅助设备。近年来，开发了内容积比可调螺杆压缩机，可调节范围为2.6～5，使螺杆压缩机的性能有了进一步改善。最近国内开发了新型半封闭螺杆机，采用5：6不对称新齿形，使容积效率大为提高。新型螺杆制冷压缩机的运转经济性、可靠性和使用寿命，已经超过了活塞式制冷压缩机。因此，在制冷装置设计选用时应予以充分的重视。四、冷凝器冷凝器属于制冷系统中的热交换设备，是制冷剂向外放热的热交换器。来自压缩机的制冷剂蒸汽进入冷凝器后，将热量传递给周围介质水或空气，自身则受冷却、凝结为液体。冷凝器按其冷却介质和冷却方式，可分为水冷式、空气冷却式（也称风冷式）和蒸发式3种类型。1、水冷式冷凝器在氨制冷系统中，冷凝器绝大多数以水作为冷却介质，也就是水冷式冷凝器。根据其安装和结构不同，水冷式冷凝器又可分为立式壳管式冷凝器和卧式壳管式冷凝器两种。制冷量较大的氟利昂制冷系统，也多采用水冷式冷凝器。2、空气冷却式冷凝器空气冷却式冷凝器是利用空气对制冷剂蒸汽进行冷却和冷凝，在冷却和冷凝过程中放出的热量被空气带走。为了使冷凝器的结构紧凑，通常由几根蛇形管并联在一起，做成长方形或正方形的外形。制冷剂蒸汽从上部的分配集管进入每根蛇管中，冷凝后的液体沿蛇管下流，汇于液体集管中，然后流入贮液器内。空气在风机的作用下，从管外吹过。目前国外生产厂家已采用先进的设计和生产加工工艺，制造出内螺纹铜管和百叶式翅片制式高效冷凝器，可大大缩小制冷机组的尺寸，提高整机效率。国内生产的冷凝器绝大部分仍采用普通铜管外套翅片制作的冷凝器，效果相对较低。3、蒸发式冷凝器这是以水和空气协同冷却的一类冷凝器，在发达国家已广泛应用。其特点是耗水少，仅为其它类型水冷式冷凝器耗水量的7%～10%，特别适用于缺水地区，尤其是在天气干燥时蒸发式冷凝器更加有效。在发达国家所使用的蒸发式冷凝器上，通常配备有变频高速装置，以满足不同负荷时制冷要求。蒸发式冷凝器基本上由冷却塔和冷凝器组成。由于它省去了冷却水在冷凝器中的湿热传递阶段，使冷凝温度可能更接近空气的湿球温度，从而降低压缩机能耗。蒸发式冷凝器本身起到冷却塔的作用，因此不必如水冷式冷凝器另需配备冷却塔。五、蒸发器蒸发器又称冷分配设备。在蒸发器中，制冷剂液体在较低的温度下沸腾，转变为蒸汽，并吸收被冷却物体热量或介质的热量，所以蒸发器是制冷系统中吸收热量（也可看作输出冷量）的设备。蒸发器按被冷却介质的特性，可分为冷却液体载冷剂的蒸发器和直接冷却空气的蒸发器两大类。冷却空气的蒸发器又可分为冷风机和冷却排管。在果蔬保鲜机械冷库中普遍应用的是冷风机，在土窖洞中加装的蒸发器也有采用冷却排管的。1、冷风机冷风机又可分为氨冷风机和氟利昂冷风机。它们都是使用风机使空气强制流动的热交换器。根据设计或使用的要求，冷风机需配套装设热气冲霜或水冲霜等冲霜系统。2、冷库排管冷库排管是一种用无缝钢管制作的排管式蒸发器。它通常装置在低温库（温度-18℃）和速冻间内（温度低于-23℃）。在低温库内常设置顶排管（有盘管式、上下管式多种）和墙排管（有立式和盘管式两种）；在速冻间内除设置顶排管和墙排管外，为加强热量交换，还应配置冷风机。1.单级制冷循环系统单级制冷机是应用比较广泛的一类制冷机，它可以应用于制冰、空调、食品冷藏及工业生产过程等方面。单级制冷循环是指制冷剂在制冷系统内相继经过压缩、冷凝、节流、蒸发四个过程，便完成了单级制冷机的循环，即达到了制冷的目的。制冷系统由蒸发器、单级压缩机、油分离器、冷凝器、贮氨器、氨液分离器、节流阀及其它附属设备等组成，相互间通过管子联接成一个封闭系统。其中，蒸发器是输送冷量的设备，液态制冷剂蒸发后吸收被冷却物体的热量实现制冷；压缩机是系统的心脏，起着吸入、压缩、输送制冷剂蒸汽的作用；油分离器用于沉降分离压缩后的制冷剂蒸汽中的油；冷凝器将压缩机排出的高温制冷剂蒸汽冷凝成为饱和液体；贮氨器用来贮存冷凝器里冷凝的制冷剂氨液，调节冷凝器和蒸发器之间制冷剂氨液的供需关系；氨液分离器是氨重力供液系统中的重要附属设备；节流阀对制冷剂起节流降压作用同时控制和调节流入蒸发器中制冷剂液体的流量，并将系统分为高压侧和低压侧两部分。单级流程示意图2.双级制冷循环系统双级制冷循环是在单级制冷循环的基础上发展起来的，其压缩过程分两个阶段进行，来自蒸发器的制冷剂蒸汽先进入低压级汽缸压缩到中间压力，经过中间冷却后再进入高压级汽缸，压缩到冷凝压力进入冷凝器中。一般蒸发温度在-25℃~-50℃时，应采用双级压缩机进行制冷。制冷系统由蒸发器、双级压缩机、油分离器、冷凝器、中间冷却器、贮氨器、氨液分离器、节流阀及其它附属设备等组成，相互间通过管子联接成一个封闭系统。其中，中间冷却器利用少量液态制冷工质在中间压力下汽化吸热，使低压级排出的过热蒸汽得到冷却，降低高压级的吸气温度，同时还使高压液态制冷工质得到冷却。双级流程示意图3.蒸发式冷凝器运行原理进入冷凝盘管的高温气态制冷剂通过盘管壁与盘管外侧喷淋水和空气进行热交换，制冷剂气体的温度随着在管内的时间加长而下降，由气态逐渐变成液态。用风机超强风力，使喷淋水充分覆盖在盘管外表面上，从而提高了换热效率。喷淋水和空气吸收盘管壁的热量后温度升高，部分水由液态变成气态，带走管壁上大量热量，湿热空气中的水份被挡水板截住引入PVC热交换层中，热空气排出。PVC热交换层中的水被流过的新风冷却，温度降低，流入集水槽中，再由水泵送入喷淋系统中，继续循环。散失到空气中的水份由水位控制装置自动调节补充。现状及其前景冷库是发展冷藏业的基础设施，也是在低温条件下贮藏货物的建筑群。食品保鲜主要以食品冷藏链为主，将易腐畜禽、水产、果蔬、速冻食品通过预冷、加工、贮存和冷藏运输，有效地保持食品的外观、色泽、营养成分及风味物质，达到食品保质保鲜，延长食品保存期的目的，起到调剂淡、旺季市场的需求并减少生产与销售过程中经济损耗的作用。以甘肃省为例：截至2003年已建成千吨级果品气调库9座，千吨以上冷库13座，500～1000t冷库35座，100～500t冷库59座，50～100t冷库242座，50t以下冷库1.7万座；截止到2005年年底仅兰州市就拥有商业冷库经营企业31家，库容达5.2万t。由此可见，随着市场经济的不断发展、现代物流系统的不断完善，食品冷藏链的产业化发展前景十分广阔。1冷库行业现状1.1国外冷库行业现状国外冷库行业发展较快的国家主要有日本、美国、芬兰、加拿大等国。日本是亚洲最大的速冻食品生产国，-20℃以下的低温库在冷库中占80%以上。70年代以前国外冷库普遍采用以氨为制冷剂的集中式制冷系统，70年代后期逐渐采用以R22为制冷剂的分散式制冷系统[1]。美国和加拿大占80%以上的冷库都以使用R717为制冷剂[2]。80年代以来，分散式制冷系统在国外发展很快，冷却设备由冷风机逐步取代了排管，贮藏水果冷库中近1/3为气调库，在冷库建造方面土建冷库正向预制装配化发展，自动化控制程度比较高。比较著名的装配式冷库的制造商如芬兰的辉乐冷冻集团（HUURRE）,其库板HE-3由无氟绝缘聚氨酯板和两层镀锌的钢层组成，轻便易拆卸，施工期短、气密性好、空间利用率高。近年来，国外新建的大型果蔬贮藏冷库多是果品气调库，如美国使用气调贮藏苹果已占冷藏总数的80%；法国、意大利也大力发展该项技术，气调贮藏苹果均达到冷藏苹果总数的50%～70%以上；英国气调库容达22万t。日本、意大利等发达国家已拥有10座世界级的自动化冷库。1.2国内冷库行业现状我国自1955年开始建造第一座贮藏肉制品冷库，1968年建成第一座贮藏水果冷库，1978年建成第一座气调库。