双级配搭制冷系统设计

河南千年冷冻设备有限公司 陈 昭

双级配搭制冷系统设计

河南千年冷冻设备有限公司 陈 昭

随着国内商用冷冻市场的发展，并联压缩机组因其良好的调峰能力和节能特性得到了市场的广泛认可。特别是近年来，螺杆并联机组由于具有冷量范围大、运行高效可靠等突出优点，成为大中型冷库和速冻隧道等领域的首选冷源。

近年来，我国对冷冻食品的质量要求不断提高，在速冻行业，大吨位、超低温速冻已成为速冻行业发展的趋势，速冻冷库库温也由原来的-23℃降至-30℃，甚至要求到-35℃。针对这些应用场合，如选用活塞式单机双级并联机组，会产生压缩机台数过多、操作管理不便等问题；选用螺杆压缩机组配经济器的并联机型，当蒸发温度低于-30℃时，由于机器本身的结构特点，能效比较低。因此在低温应用场合，采用双级配搭螺杆并联机组是最合适的方案。

一、中间冷却方式

双级压缩系统按其节流和冷却方式可分为一级节流（中间完全冷却、中间不完全冷却、中间不冷却）、两级节流（中间完全冷却、中间不完全冷却）两种。一般情况下，对于绝热指数较大的制冷剂，如R717，宜采用中间完全冷却方式；而对于R22等绝热指数较小的制冷剂，宜采用中间不完全冷却方式。

中间冷却器是双级压缩循环实现增加制冷量、提高制冷效率的重要部件之一。合理的中间冷却方案和高效的中间冷却器对双级系统来说十分重要。

图1为带中间混合桶的一次节流中间不完全冷却循环，其与众不同的地方就是在低压级压缩机的排气管路和高压级压缩机的吸气管路中间位置加入中间混合桶。低压级压缩机排出的高温过热气体和中间冷却器排出的低温过热气体在中间混合桶里面充分混合后，由高压级压缩机吸入。

同时，在高压级压缩机的吸气口（图1中a处）设有压力传感器和温度传感器，温度传感器传回的数据在PLC里面被定义为回气温度Th，压力传感器传回的数据在PLC里面被定义为蒸发压力Pe，蒸发压力Pe对应的温度被定义为蒸发温度Te，回气温度Th减去蒸发温度Te，即是由PLC计算的过热度。PLC根据计算的过热度，可以控制电磁阀组5开启不同数量的电磁阀，以匹配其中间冷却器的负荷。电磁阀组5由4个电磁阀组成，根据实际测试的电磁阀的冷量，选择电磁阀的冷量大小和中间冷却器的冷量大小进行匹配。比如，整个制冷系统的冷量看作100%，选择电磁阀时，可以选择两个10%冷量的电磁阀（一个20%冷量的电磁阀，一个50%冷量的电磁阀）PLC可根据蒸发器的过热度的大小，选择不同冷量的电磁阀的组合，从而实现冷量的分段调节，达到对中间冷却器过热度的闭环控制。

笔者通过对现场数台速冻设备使用的配搭双级螺杆并联机组的测试发现，高压级压缩机的吸气过热度控制在8～10K范围内是合理的，此时高压级压缩机的输入电流接近最小值，且运行的状况也很稳定。

二、采用准三级压缩

双级压缩循环对单级压缩制冷系统而言，已经是极大地提高了系统的COP值，但对螺杆式制冷剂而言，还可以利用经济器进一步挖掘其潜力。具体做法是低压级带经济器，将中间冷却器过冷出来的制冷剂液体进一步过冷。冷凝器（或者储液器）中出来的液体经过两级过冷后，其温度已降低至-10℃～-30℃，较普遍的双级循环系统，其COP值得到进一步的提高。这种改进的双级压缩系统相当于一个准三级压缩系统。

三、双级配搭机组和并联机组的切换

当蒸发温度低于-30℃时，双级配搭比并联机组节能；当蒸发温度高于-30℃以上时，并联机组比双级配搭节能。而速冻隧道每次降温都要从+25℃降到-35℃，如何实现双级配搭制冷系统快速地经过不节能的高温区呢？可以通过双级配搭机组和并联机组的切换来实现。其运行原理如图2所示。

如图2所示，在双级配搭并联机组的吸气集管和高压级压缩机的吸气集管中间加入单向阀连接的管道。在蒸发温度高于-30℃时，只开高压级压缩机，来自蒸发器的气体经过单向阀被高压级压缩机吸入。在蒸发温度降到-30℃以下时，打开低压级压缩机，来自蒸发器的气体被低压级压缩机吸入后排出，被高压级吸入后再排出，由于双级配搭并联机组的吸气集管和高压级压缩机的吸气集管中间加入单向阀连接的管道，来自蒸发器的气体不会从单向阀经过，实现双级配搭工作。

在肉类速冻方面，由于加工工艺、实际操作等原因，产品陆续进入速冻库可能需要10h，然后关上速冻库的门冻结10h。在陆续进货的10h中，蒸发温度高于-30℃的，即使在刚开始关闭库门开始冻结的前4h，蒸发温度也高于-30℃，因此，提高配搭双级在肉类速冻中的节能效果是非常必要的。

四、控制策略

高压级压缩机根据吸气压力进行加载和卸载：当吸气压力高于设定的吸气压力上限时，加载高压级压缩机；当吸气压力低于设定的吸气压力下限时，卸载高压级压缩机。低压级压缩机根据中间压力进行加载和卸载：当中间压力低于设定的中间压力下限时，加载低压级压缩机；当中间压力高于设定的中间压力上限时，卸载低压级压缩机。

为了控制加载速度和卸载速度，可以通过控制高压级压缩机和低压级压缩机的加卸载脉冲数来实现。具体做法是建立关于测量压力和设计压力偏差的函数，即f（n）=ax2+bx+c，式中，x为测量压力和设计压力的偏差值，n为控制压缩机加载和卸载快慢的脉冲变量。通过PLC的计算，可以实时得到脉冲变量，进而控制高压级压缩机和低压级压缩机加载和卸载的速度。

压缩机的加载和卸载包括压缩机台数的调节和压缩机能量的调节，压缩机能量的调节只允许调节到75%，100%两级能量调节。螺杆压缩机50%和25%也可以进行能量调节，但是当在50%和25%工作时，会严重影响压缩机的吸气量。半封闭螺杆压缩机都是靠吸入低温气体来冷却电机的，所以长时间在50%和25%能调下工作，会影响压缩机电机的寿命。

通过笔者在近几年几十个速冻工程的应用情况来看，这种控制方式操作简单可靠，能够满足负荷的变化要求，对温度的控制精度可以达到0.5℃以上。并且，该方式不仅可应用于双级配搭机组，还可应用于并联机组。

五、结论

通过以上方式设计改进的双级配搭制冷系统，在工程应用中显示出以下特点。

1.降温速度快。早上8∶30开始降温，当时温度为7.7℃，8∶44时，温度降到-37.0℃，平均降温速度3.19℃/min。

2.可靠性高。到目前为止，没有出现由于制冷系统和控制系统设计不合理导致的压缩机损坏。

3.系统节能。以冷饮行业在使用氟利昂双级配搭制冷系统的统计数据来看，每生产一支冰激凌的制冷成本为1.7分，比使用前(1.1分)降低了0.6分的成本。