一种双介质果蔬快速预冷装置

涂桢楷，陈永春，汤石生

（1. 广东弘科农业机械研究开发有限公司，广州 510630；2. 广东省现代农业装备研究所，广州 510630）

0 引言

随着社会的发展和人民生活水平的提高，冷库的建设速度和生产规模在不断加快。自2010年《农产品冷链物流发展规划》出台之后，我国冷库市场进入了一个前所未有的建设热潮。2014年10月，国务院印发了《物流业发展中长期规划(2014—2020年)》，助推冷库建设朝着规模化、规范化和现代化的方向发展。一个国家冷藏事业的发展状况，在一定程度上反映出人民生活水平的高低。作为冷链物流中的关键一环，冷库建设和运营一直备受关注。随着市场的发展，冷库企业之间的竞争越来越激烈。冷库是工业中的耗电大户，能源的短缺势必造成电费的上涨，因此，节约能源就等于增加利润[1]。

将人工制取的冷量利用物质的显热或潜热性质储存起来的技术称之为蓄冷[2]。目前，水蓄冷技术已具备了一定的理论基础并在实际工程中得到了应用，可以均衡电网负荷，减少配电、制冷机组的装机容量[2,3]。

根据冷却介质的不同，果蔬预冷装置可分为冷风冷却式和冷水冷却式。冷风冷却式是利用冷媒气化吸热原理，通过冷风机将干燥冷空气输送到冷库内并不断实现降温；冷水冷却式是通过冷媒在对蓄水箱内的水进行降温，达到蓄冷目的，利用冷水作为制冷介质，通过第二冷风机对冷库进一步降温。

1 双介质果蔬快速预冷装置的组成

双介质果蔬快速预冷装置安装在冷库内，通过闲时调用冷水降温单元的方式提高制冷机组的能效比并实现快速降温的目的。该预冷装置主要包括安装在冷库外的制冷机组单元、利用冷媒蒸发吸热降低冷库温度的直接蒸发降温单元、通过冷水降温方式进一步降低冷库温度的冷水降温单元、以及用于调用直接蒸发降温单元或冷水降温单元工作的控制单元。制冷机组单元与直接蒸发降温单元串联连接，冷水降温单元与制冷机组单元并联连接，构成双循环制冷和蓄冷回路。

1.1 制冷机组单元

制冷机组单元主要包括压缩机、冷凝器和储液器。如图1所示，所述压缩机的出口与冷凝器的一端连接，冷凝器的另一端与储液器的入口连接。工作时，压缩机对气态冷媒进行压缩，使冷媒在冷凝器内液化并放出热量，该热量通过冷凝器上的散热鳍片释放到外界空气中，液化后的液态冷媒被存储在储液器中。

图1 双介质果蔬快速预冷装置制冷系统图

1.2 直接蒸发降温单元

直接蒸发降温单元包括第一电磁阀、第一膨胀阀和第一冷风机。第一电磁阀一端与储液器的出口连接，另一端与第一膨胀阀连接，第一冷风机安装在冷库内，通过冷媒气化吸热快速降低冷库的温度。第一冷风机的一端与第一膨胀阀连接，另一端与压缩机的入口连接，从而与制冷机组单元构成风冷制冷循环回路。直接蒸发降温单元在工作时，打开第一电磁阀，液态冷媒通过第一膨胀阀的节流和调节作用，在第一冷风机内气化并吸收热量，进而降低进入第一冷风机的空气的温度，随着第一冷风机对冷库内空气进行不断循环，冷库内的温度便会快速降低。

1.3 冷水降温单元

冷水降温单元设有制冷水循环回路、水循环回路和冷水降温循环回路，主要包括第二电磁阀、第二膨胀阀、制冷水蒸发器、第一水泵、蓄水箱、第二水泵、第二冷风机。制冷水蒸发器通过管道与蓄水箱连接，实现水循环，第一水泵安装在管道上，控制水循环的流量，这三者共同构成水循环回路；该循环回路在工作时，第一水泵启动，将蓄水箱中的水源源不断地往制冷水蒸发器处输送，并在制冷水蒸发器的降温下形成冷水。第二电磁阀的一端与储液器的出口连接，另一端与第二膨胀阀连接，制冷水蒸发器一端与第二膨胀阀连接，另一端与压缩机的入口连接，从而与制冷机组单元共同构成制冷水循环回路；制冷水循环回路在工作时，第二电磁阀打开，液态冷媒通过第二膨胀阀的节流和调节作用，在制冷水蒸发器内气化并吸收热量，使流过制冷水蒸发器的水温度降低，从而降低蓄水箱内的水温，实现冷水的闲时制备。第二冷风机安装在冷库内，第二水泵的入口与蓄水箱连接，出口与第二冷风机的一端连接，第二冷风机的另一端与蓄水箱连接，从而构成冷水降温循环回路。冷水降温循环回路在工作时，打开第二水泵，由第二水泵抽取蓄水箱内的冷水并送到第二冷风机内，使进入第二冷风机的空气的温度进一步降低，随着第二冷风机对冷库内空气的不断循环，冷库温度会进一步降低。

2 工作原理

双介质果蔬快速预冷装置包含3个循环回路，分别是风冷制冷循环、制冷水循环和冷水降温循环，其中风冷制冷循环利用冷媒气化吸热原理，通过冷风机将干燥冷空气输送到冷库内并不断循环，从而实现降温目的；制冷水循环主要通过冷媒在闲时对蓄水箱内的水进行降温，达到制备冷水的目的；冷水降温循环是利用冷水作为制冷媒介，通过第二冷风机对冷库进一步降温，产生的冷风相对湿度较高，有助于减少果蔬的水分流失、干缩和变色，能够长期保持果蔬的新鲜[4]。当需要对冷库快速降温时，可同时打开风冷制冷循环和冷水降温循环，冷库在双重制冷循环作用下降温速度加快，并大大提高制冷效率、降低制冷成本。

3 工作方式

制冷水循环主要用于制冷机组单元在闲时（用电低谷，电价便宜）对蓄水箱内的水进行降温处理，起到蓄冷的目的。

风冷制冷循环产生干燥低温空气流，而制冷水冷循环产生相对湿度较高的低温空气流，根据进入冷库的蔬果不同而选用风冷制冷或冷水降温制冷。

由于冷库内的蒸发温度与机组的制冷量和制冷效率成正比，即在特定的制冷系统中，蒸发温度每提高1℃，其他工况不变情况下机组制冷效率可提高3%，因此，前期采用风冷制冷，等蒸发温度降下来后采用冷水降温循环制冷，这样能够使机组不停机，降低机组能耗，还可以大大提高机组的制冷效率，同时节省制冷资源、降低制冷成本。

在需要快速降温的场合（如：果蔬在田间刚采摘，热量较大，对应所需的冷量较大），可同时打开风冷制冷循环和冷水降温循环，双重制冷循环下冷库降温速度加快，等温度下降到设定值后改用风冷制冷循环或冷水降温循环。

4 控制方法

双介质果蔬快速预冷装置的控制方法包括如下具体步骤：

步骤一：当库内实际温度TB＞库内设定温度TK＋库内设定温度负回差ΔTK2，或冷水实际温度TD＞冷水设定温度TS＋冷水设定温度负回差ΔTS2时，压缩机启动；当库内实际温度TB＜库内设定温度TK－库内设定温度正回差ΔTK1且冷水实际温度TD＜冷水设定温度TS－冷水设定温度正回差ΔTS1时，压缩机停止。

步骤二：当库内实际温度TB＞库内设定温度TK＋库内设定温度负回差ΔTK2时，直接蒸发降温单元启动；当库内实际温度TB＜库内设定温度TK－库内设定温度正回差ΔTK1时,直接蒸发降温单元停止。

步骤三：当冷水实际温度TD＜库内实际温度TB－冷水与空气运行温差ΔT2且库内实际温度TB－库内设定温度TK＞空气运行温差ΔT1，或库内温度上升速率为VT2＞库内温度上升速度设定值VT2S时，供冷水降温单元启动；当冷水实际温度TD＞库内实际温度TB－冷水与空气运行温差ΔT2，或冷水实际温度TD＜库内实际温度TB－冷水与空气运行温差ΔT2且库内实际温度TB－库内设定温度TK＜空气运行温差ΔT1且库内温度下降速率VT1＜库内温度下降速率设定值VT1S时,供冷水降温单元停止。

步骤四：当压缩机处于运行状态，且直接蒸发降温单元与供冷水降温单元停止，且冷水实际温度TD＞冷水设定温度TS+冷水设定温度负回差ΔTS2时，制冷水单元启动；当冷水实际温度TD＜冷水设定温度TS－冷水设定温度正回差ΔTS1或直接蒸发降温单元启动或供冷水降温单元启动时，制冷水单元停止。

5 结语

由于冷库设计是按最大冷负荷来选取制冷机组的，而制冷机组通常情况是在部分负荷下运行，不会长期满负荷运行。采用本方案后，制冷机组的容量可以按照平均负荷来选取，这样可以大大减少机组的容量，有效降低采购机组的成本[4]。当进入冷库的批次物料储存量较大、待处理时间短，需快速冷藏时，可同时开启第一冷风机和第二冷风机对物料进行降温处理，开启双循环制冷后，冷库能够在短时间内实现快速降温，与传统冷库制冷机组相比，制冷效率大大提高。