小型冷藏庫制冷系統的設計分析

劉平

（中國輕工業廣州工程有限公司，廣州 511440）

1 引言

改革開放以后，我國提出了實施城鄉冷鏈物流基礎設施的補短板工程。隨著冷鏈基礎設施的加快推進，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。隨著社會經濟的快速發展，冷庫的市場需求也進一步擴展，而制冷系統作為冷藏庫的核心部分，在設計上更要體現出科學性、經濟性以及環保性，以此進一步拓展冷藏庫的發展空間。

2 國內外冷庫行業的發展

2.1 國內冷庫行業的發展概述

冷庫就是添加了人工制冷設備的倉儲設施，能夠幫助人們儲存一些需要低溫保鮮的產品。我國最早在商周時期就已經有了冷庫的概念，直至后來，我國北方出現了冰窖，用冰塊進行制冷，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，接下來冷庫行業的發展逐漸加速。隨著建設規模的逐漸擴大，我國對相關標準也進行了改善和修訂，現如今已經完全實現了產品加工、收貨、運輸等環節的冷藏。

改革開放以來，我國提出了城鄉冷鏈物流基礎設施建設補短板工程后，冷庫行業的發展也迎來了一個新契機，從最初的普通冷庫發展到現如今的智能冷庫，實現了冷庫的自動化管理。2020年，國務院、商務部以及農業農村部等多個部門聯合發布了冷鏈物流基礎建設的相關政策，大力支持冷鏈物流基礎設施建設，由此，冷庫作為冷鏈基礎設施建設的核心，迎來了新的發展機遇。

2.2 國外冷庫行業的發展概述

在一些發達國家，如美國、芬蘭、日本等，冷庫行業的發展速度較快，在冷庫行業發展剛剛起步時，通常采用集中式制冷系統，經不斷研究發展后開始以分散式制冷系統為主，不斷提高自動化控制程度。近年來，一些發達國家開始致力于建設氣調庫，經相關數據顯示，美國使用氣調庫儲藏占據了冷藏總數的70%；英國、法國等國家也相繼開始使用氣調庫。目前，國外已經建造了將近10座世界級自動化冷庫。

3 冷庫的分類及制冷系統

3.1 冷庫的分類

冷庫分類具體有以下4種分類方式：（1）按照工作溫度進行分類，可分為冷卻間、冷卻物冷藏間、凍結間以及凍結物冷藏間。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；凍結間和凍結物冷藏間的溫度一般在-18~20℃。（2）按照庫體的結構進行分類，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構，在內部安裝了厚10~15 cm的保溫層。（3）按照制冷劑的類型進行分類，可分為氨冷庫和氟利昂冷庫。一般鄉村建設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模來進行分類，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

小型冷藏庫的制冷原理主要是利用壓縮機進行吸氣、排氣，通過冷凝器進行散熱或冷凝，利用膨脹閥進行節流、降壓，再通過冷藏蒸發器進行制冷，最后到達冷凍蒸發器進行制冷。

4 小型冷藏庫制冷系統的設計要點

4.1 制冷壓縮機的選擇

壓縮機是冷庫制冷系統的核心部分，在進行制冷系統的設計時，首先要考慮壓縮機的選型。

1）所選機器制冷量要大于等于機械負荷。機械負荷是指為維持制冷系統正常運轉，制冷壓縮機所帶走的熱流量值，一般以蒸發溫度為單位進行匯總[1]。

2）選擇合適的臺數，對于小型冷藏庫而言，壓縮機選擇單臺即可。

3）應盡可能地采用相同系列的壓縮機，以便于控制管理和零配件互換。

4）制冷壓縮機的工作條件不得超過制造廠家規定的運行工況或國標規定的壓縮機使用條件。

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

以上3個參數是進行壓縮機選型的重要依據。此外，還要注意壓縮機中制冷劑的選擇。舉例說明，對某小型冷庫進行估算，其機械負荷為12 kW，冷庫為凍結庫；冷間溫度為-18℃，采用的冷卻方式是冷風機，因此，蒸發溫度為-26℃。冷凝溫度根據環境溫度確定，在壓縮機選型軟件中，需要輸入的參數為環境溫度。壓縮機的型號選擇環保型的R404A制冷劑。對于以氟利昂為制冷劑的中小型冷庫，宜采用壓縮機冷凝機組。

通過壓縮機選型軟件能夠了解到許多壓縮機種類：（1）小型冷庫常見的冷凝機組，在冷凝機組的選型中分多種系列，一般選用的是標準型，本案例應選擇單臺壓縮機。（2）在系統中輸入估算值，會得到多種可供參考的壓縮機類型，（3）選擇接近估算值的壓縮機，并且其尺寸、技術參數以及資料文件等，都能在壓縮機選型軟件中直觀地顯現出來，以為后期的設計奠定基礎。

4.2 制冷劑的選擇

選擇制冷劑時，應優先考慮其制冷效率。選擇效率高的制冷劑能有效提高冷庫制冷系統的經濟性。但同時要考慮制冷劑的其他指標，如污染性、可燃性等。制冷系統在運行過程中難免會發生制冷劑泄漏的情況，因此，選用的制冷劑必須對環境無不良影響或影響越小越好[2]。當前評價制冷劑的環保指標主要是全球變暖潛能值（ODP值）和溫室效應指數（GWP值）。ODP值是制冷劑選擇的一個關鍵因素，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，制冷劑的熱力學性能要滿足制冷循環要求：（1）制冷劑的臨界點要高。以便于用一般冷卻水或空氣進行冷凝。（2）制冷劑的標準沸點要低。制冷劑的標準蒸發溫度大體上可以反映其制冷能夠達到的低溫范圍，標準沸點（ts）越低的制冷劑能夠達到的制冷溫度就越低。因此，依據常規冷凝壓力Pk和標準沸點（ts）的高低可將制冷劑分為高溫（低壓）、中溫（中壓）和低溫（高壓）。一般高溫是指標準沸點為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，當蒸發溫度和冷凝溫度給定時，在制冷系統中使用不同的制冷劑會得到不同的蒸發壓力和冷凝壓力。在選擇制冷劑時要保障其蒸發壓力不低于大氣壓力，以免向制冷系統中滲入空氣，影響制冷系統運行的安全性。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，國內冷庫常用的制冷劑有二氧化碳、氟利昂和氨。氟利昂是應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，也是最具發展前景的一種冷庫制冷劑。

4.3 制冷系統的管道布置

冷庫制冷系統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）在蒸發器出口的上方要設置回油彎，而且回油彎要盡量做小[3]。當系統負荷較大時，要采用雙上升回氣立管。（3）要注重回氣管與壓縮機的連接，使潤滑油能夠順利返回壓縮機的曲軸箱，且不能使制冷劑或者潤滑油集中進入壓縮機。設計時主要考慮系統布局，考慮化學因素，通過優化設計避免潤滑油在管道中堆積，以此提高系統的回油能力。

4.4 制冷系統的自動化控制

近年來，我國冷庫行業從普通制冷系統發展到智能制冷系統，實現了制冷系統的自動化控制。但與一些發達國家相比，我國冷庫制冷系統的自動化控制程度還有待提高，特別是氨制冷系統，如果發生制冷劑泄漏，會嚴重威脅人們的人身安全，因此，在設計時應提高制冷系統的自動化控制程度，以此降低事故的發生率[4]。小型冷庫可以用PLC控制取代傳統的繼電器控制，PLC選型時要選擇經濟可靠、簡單易維護的控制系統。以果蔬冷庫為例，將果蔬運到冷藏間時，PLC根據冷庫的溫度和環境對偏差值進行計算，調整PLC參數，將計算結果傳輸到壓縮機的變頻器中，以此來改變頻率，對制冷能量進行控制。通過利用PLC實現冷庫自動化控制的同時，還能有效降低運行能耗，增強制冷系統運行的可靠性。除了PLC控制方式外，還可基于神經網絡控制或預測控制，尤其是預測控制，對系統的運行情況進行調節，進一步優化系統性能。因此，在設計過程中可根據冷庫的類型來選擇最適宜的自動化控制技術。

4.5 熱力膨脹閥的選擇

熱力膨脹閥是利用蒸發器出口處制冷劑蒸汽過熱度的變化來調節供液量，在氟利昂系統中的應用非常廣泛。熱力膨脹閥主要分為內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：當蒸發器負荷變大時，供液量不足，制冷劑很快就蒸發完，但是還在繼續吸收熱量，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器的制冷量，閥體要盡可能地接近蒸發器，并且安裝到易于維修的部位。

4.6 制冷系統方案的確立

制冷系統方案是制冷系統設計的主要依據，與后期制冷系統的運行密切相關，如果方案不科學，則無法保障制冷系統的安全運行[6]。因此，在確立方案前，應從經濟、安全、實用、先進等幾個方面綜合考慮，選擇出最優的設計方案。

5 結語

隨著人們生活質量的提高，日常生活中的大部分產品都需要保證其新鮮程度，主要依靠的就是冷庫。制冷系統作為冷庫運行的核心，其設計得合理性直接影響著冷庫的運行效果。本文對國內外冷庫的發展情況進行了簡要闡述，對冷庫的分類及制冷系統進行了說明，主要對制冷系統的設計要點進行了全面分析，希望通過不斷優化設計，能夠進一步提升制冷系統的運行效果，促進冷庫行業的發展。