冷庫制冷系統設計要點

宛 超

冷庫制冷系統設計要點

宛 超

（四川省商業建筑設計院有限公司 成都 610041）

介紹冷庫制冷系統的設計要點，主要包括制冷系統選擇，如制冷劑的選擇、制冷系統形式的選擇、制冷壓縮機組的選擇、供液形式的選擇等，制冷系統回油技術及制冷系統壓力管道材質選擇，以供冷庫制冷工藝設計人員參考。

冷庫；制冷系統；回油；壓力管道

0 引言

在宏觀經濟穩步發展，業態創新大環境活躍，居民收入和消費水平日益提高以及諸多冷鏈物流扶持政策的推動下，中國的食品冷鏈物流產業發展迅猛，冷庫建設規模獲得快速增長[1,2]。制冷系統是整個冷庫的核心組成部分，制冷系統設計合理性是決定冷庫項目經濟性、環保性、科學性的關鍵因素。

1 制冷系統選擇

1.1 制冷劑的選擇

目前國內冷庫制冷系統制冷劑主要有氟利昂、氨和二氧化碳三種。氟利昂制冷劑應用較多的為R410A，R404A和R507。氨和二氧化碳是兩種天然制冷劑，氨ODP=0，GWP=0，二氧化碳ODP=0，GWP=1，對環境的影響小，也是當今較為熱門的兩種制冷劑。

根據環境保護部發布的《關于生產和使用消耗臭氧層物質建設項目管理有關工作的通知》（環大氣〔2018〕5號）文件，禁止新建和擴建生產和使用作為制冷劑等受控用途的ODS建設項目，R22已禁止使用于新建冷庫項目，R22的替代與新型環保制冷劑的研究一直是行業熱點[3]。

液氨由于本身具有毒性，可燃及爆炸危險性，包含在國家安全監管總局首批重點監管的危險化學品名錄內，且液氨儲存量超過10噸即被判定為重大危險源，因此氨制冷系統受到安全監督部門嚴格監管，對其應用具有很大的限制作用。

二氧化碳作為天然制冷劑歷史悠久，由于受到人工合成制冷劑的影響，在國內發展的較晚，因此還沒有得到廣泛的應用，目前由于氟利昂對環境的破壞作用而重登舞臺，發展前景看好。

1.2 制冷系統形式的選擇

冷庫按冷藏設計溫度分類可以分為高溫、中溫、低溫和超低溫四大類冷庫：①高溫冷庫設計溫度為-2℃～+8℃；②中溫冷庫設計溫度為-10℃～-23℃；③低溫冷庫設計溫度為-23℃～-30℃；④超低溫冷庫設計溫度一般為-30℃～-80℃。

冷庫的設計規模按冷藏間的公稱容積可分為大型、中型和小型三大類冷庫：①公稱容積大于20000m3為大型冷庫；②20000m3～5000m3為中型冷庫；③20000m3～5000m3為小型冷庫。

為了減小制冷系統制冷劑的充注量，滿足經濟性和安全性要求，一般中小型冷庫采用氟利昂或氨制冷系統，大型冷庫根據冷庫的設計溫度采用氨和二氧化碳復疊/載冷制冷系統或氟利昂和二氧化碳復疊/載冷制冷系統[4]。對于氨和二氧化碳復疊/載冷制冷系統，當制冷系統蒸發溫度高于-25℃，一般采用二氧化碳載冷制冷系統；當制冷系統蒸發溫度低于-25℃時，一般采用二氧化碳復疊制冷系統[5]。

1.3 制冷壓縮機組的選擇

制冷壓縮機是制冷系統的心臟，根據冷庫的規模和設計溫度等因素，合理選擇制冷壓縮機組是制冷系統設計的關鍵。

制冷壓縮機根據其工作原理可以分為容積型和速度型兩大類,在冷庫應用領域，通常采用容積型壓縮機，主要包含活塞式壓縮機、螺桿式壓縮機和渦旋式壓縮機。

氨制冷系統一般采用開啟式壓縮機，主要采用開啟式螺桿壓縮機。氟制冷系統一般采用渦旋式壓縮機及半封閉或全封閉式壓縮機，主要采用半封閉式螺桿壓縮機，半封閉式活塞壓縮機和半封閉式渦旋式壓縮機。二氧化碳制冷系統壓縮機選擇比較靈活，當制冷量較小時一般采用半封閉式活塞壓縮機，制冷量較大時一般采用開啟式螺桿壓縮機。

一般大型冷庫制冷系統采用螺桿式壓縮機，小型冷庫制冷系統采用活塞式壓縮機和渦旋式壓縮機。為了滿足制冷系統不同負荷條件下的經濟性要求，以及保證制冷系統運行的可靠性，壓縮機組可采用多個壓縮機并聯組合使用[6]。

1.4 供液形式的選擇

制冷系統供液方式分為直接膨脹供液、重力供液、液泵供液和氣泵供液四種。

冷庫制冷系統較為常用的供液方式為直接膨脹式供液和液泵強制供液，通常小型制冷系統采用直接膨脹式供液系統，大型制冷系統采用桶泵強制供液系統。桶泵強制供液系統與直接膨脹式供液系統相比較，其優缺點如下：

桶泵供液的優點主要有：①蒸發器具有較高的換熱效率，冷卻效果好；②能夠保證長距離供液；③制冷壓縮機的運行工況得以改善，保證制冷壓縮機的安全運轉和提高壓縮機的制冷效率；④系統操作簡單可靠，便于集中控制和實現自動化。

桶泵供液的缺點主要有：①制冷劑充注量大，增加了桶泵機組，機房占地面積增大，初投資增加；②系統回油較復雜，處理不好會導致整個制冷系統發生運行故障。

1.5 制冷系統自動化控制

傳統冷庫自動化程度低、操作人員技術水平較低是我國冷庫事故頻繁發生的主要原因，尤其是氨制冷系統，一旦發生泄漏，極易對人身造成直接傷害，所以提高冷庫中制冷系統自動化程度、減少制冷劑液氨的充注量，對于提高制冷系統安全性可以產生明顯效果[7]。對于大型制冷系統，一般采用集中PLC控制系統，控制系統控制對象主要包括壓縮機、冷風機、蒸發式冷凝器、桶泵、沖霜水泵、事故風機[8]。PLC自控系統集中設置在控制室，除了監控速凍裝置、制冷機房、液罐區的氨氣泄漏、報警、事故排風、緊急切斷之外，還應設置與氨制冷機組各分控系統之間的數據通訊接口，并具備半年數據儲存、適時顯示各相關安全系統的運行狀態、氨氣濃度等技術指標。

2 制冷系統回油技術

氟利昂制冷系統與氨制冷系統回油方式不同，氨制冷系統只能用集油器放油，可以將油放出制冷系統外，收集后進行集中處理，再加進壓縮機曲軸箱補油。而氟利昂制冷系統一般采用回油器自動回油，油不放出系統外，直接送至各補油部位，采用封閉式回油的油路設計。回油技術是氟利昂制冷系統設計的關鍵技術。

2.1 并聯壓縮機組回油

并聯壓縮機組的關鍵技術是各并聯壓縮機能順利而均衡地回油，從而保證各壓縮機的正常潤滑和工作。并聯壓縮機組系統的回油問題主要受兩個因素影響：一是系統設計因素，即系統布局與管路設計；二是化學因素，即潤滑油和制冷工質混合物性質[9]。

一般系統布局與管路設計是設計重點，通過系統設計優化，減少甚至消除管道中潤滑油積存現象，增強系統回油能力。渦旋并聯壓縮機組和螺桿并聯壓縮機組適宜采用高壓回油方案，活塞并聯壓縮機組適合采用低壓回油方案[10]。

2.2 氟利昂桶泵機組回油

大型氟利昂制冷系統通常采用桶泵強制供液系統集中制冷。在低壓循環桶內，冷凍油與氟利昂分離，由于油比重較氟利昂小，冷凍油聚集在低壓循環桶的上部。氟利昂桶泵供液系統的關鍵技術在于如何將聚集在低壓循環桶上部的冷凍油不停地回流到壓縮機，從而保證壓縮機的正常潤滑和工作，保持制冷系統運行安全。桶泵回油的關鍵技術在于采取以下三個必要措施：①在低壓循環桶控制液位的上下各100mm處，分別設置一根回油管，不管低壓循環桶內的冷凍油液面處于什么位置均能通過回油管導出，冷凍油和氟利昂混合液在換熱裝置中分離，氟利昂液體被加熱形成氣體后回到低壓循環桶，冷凍油則被吸入壓縮機回氣管，回到壓縮機。通過調節回油管上的閥門，控制回油量，從而使油路系統均衡；②選擇高質量高靈敏度的液位控制器，有利于回油系統持續穩定運行；③采用臥式低壓循環桶，因其截面相對立式桶大，桶內液面波動小，更有利于系統回油均衡[11]。

3 制冷系統壓力管道材質選擇

冷庫制冷系統中最常用的管道材質為20#碳鋼無縫鋼管，其次為紫銅管、10#碳鋼無縫鋼管和16Mn低合金鋼管。氨制冷系統制冷管道不能采用銅管。

根據《工業金屬管道設計規范》GB 50316—2000（2008年版）要求，除了低溫低應力工況外，10#碳鋼無縫鋼管（GB/T 8163），20#碳鋼無縫鋼管（GB/T 8163），16Mn低合金鋼管（GB/T 8163）的使用溫度下限分別為-29℃；-20℃；-40℃。在冷庫溫度范圍內，10#碳鋼無縫鋼管應用于低于-29℃工況條件下，只有部分管徑滿足低溫低應力工況條件。20#碳鋼無縫鋼管可用于低于-20℃工況，滿足低溫低應力工況條件[12]，16Mn低合金鋼管一般應用于二氧化碳制冷系統及超低溫冷庫制冷系統管道材料。

4 結束語

設計工作是冷庫建設過程中至關重要的一環，冷庫制冷系統是一個多種設備組合和關鍵技術運用的綜合體，制冷系統的合理設計是保證冷庫正常運行、環境友好、初投資及后期運行經濟的前提條件。只有把握好制冷系統設計的各個要點，憑借新技術及經驗不斷優化，才能使制冷系統設計趨于完美。

[1] 汪超,韓美順.制冷設備市場分析[J].制冷技術,2019, 39(S1):69-87.

[2] 荊華乾.制冷行業政策分析[J].制冷技術,2019,39(S1): 2-7.

[3] 秦越,楊志強,王博,等.新型環保制冷劑的研究進展及發展趨勢[J].化學世界,2018,59(1):60-64.

[4] 黃志華.氨/二氧化碳復疊制冷技術在工業制冷中的應用[J].制冷技術,2012,32(3):51-53.

[5] 田雅芬,趙兆瑞,邢子文,等.CO2復疊制冷系統與載冷劑制冷系統適用范圍研究[J].制冷學報,2016,37(2):22-29.

[6] 關朋.大型冷庫制冷系統設計要點[J].制冷與空調,2011,11(5):109-113,79.

[7] 姜瑞雪,湯玉鵬,韓磊.冷庫氨制冷系統的改造[J].制冷與空調,2019,19(1):57-60.

[8] 孟大偉,趙廣濤,姜韶明,等.用于大型冷庫的NH3/CO2復疊式制冷系統的自動控制方案[J].制冷與空調,2015, 15(12):57-61.

[9] 孫振.制冷壓縮機并聯回油研究[C].中國制冷學會2005年制冷空調學術年會論文集,2005:3.

[10] 劉群生,陳宇慧,馬越峰.制冷并聯機組壓縮機油平衡的方案設計[J].低溫與超導,2016,44(8):84-88.

[11] 邵麗麗,陳利儀.氟泵供液系統研究[J].家電科技,2016, (3):76-77.

[12] 孫志輝,于步江.氨制冷系統中壓力管道安裝監督檢驗[J].河南科技,2016,(23):106-107.

Design Points of Refrigeration System for Cold Storage

Wan Chao

( Sichuan Commercial Architecture Design Institute Co., Ltd., Chengdu, 610041 )

This paper introduces the design points of the cold storage refrigeration system, mainly including the choice of refrigeration system, such as the choice of refrigerant, refrigeration system form, refrigeration compressor unit and liquid supply form, etc., the refrigeration system oil return technology and refrigeration system pressure pipeline material Choice for reference by the cold storage refrigeration process designer.

cold storage; refrigeration system; oil return; pressure pipeline

TB657.1

A

1671-6612（2019）04-385-03

宛 超（1983.2-），男，碩士，注冊公用設備工程師（暖通空調），E-mail：303032793@qq.com

2019-05-13