小型冷藏库制冷系统的设计分析

刘平

（中国轻工业广州工程有限公司，广州 511440）

1 引言

改革开放以后，我国提出了实施城乡冷链物流基础设施的补短板工程。随着冷链基础设施的加快推进，2015—2019年我国冷库总量呈逐年递增的趋势，2019年全国冷库总量约为6 053万t。随着社会经济的快速发展，冷库的市场需求也进一步扩展，而制冷系统作为冷藏库的核心部分，在设计上更要体现出科学性、经济性以及环保性，以此进一步拓展冷藏库的发展空间。

2 国内外冷库行业的发展

2.1 国内冷库行业的发展概述

冷库就是添加了人工制冷设备的仓储设施，能够帮助人们储存一些需要低温保鲜的产品。我国最早在商周时期就已经有了冷库的概念，直至后来，我国北方出现了冰窖，用冰块进行制冷，它是冷库的初级原始阶段。冷库和冰箱有很多共同的制冷原理，但冷库的制冷范围更大，我国自1955年建造了第一座冷库，接下来冷库行业的发展逐渐加速。随着建设规模的逐渐扩大，我国对相关标准也进行了改善和修订，现如今已经完全实现了产品加工、收货、运输等环节的冷藏。

改革开放以来，我国提出了城乡冷链物流基础设施建设补短板工程后，冷库行业的发展也迎来了一个新契机，从最初的普通冷库发展到现如今的智能冷库，实现了冷库的自动化管理。2020年，国务院、商务部以及农业农村部等多个部门联合发布了冷链物流基础建设的相关政策，大力支持冷链物流基础设施建设，由此，冷库作为冷链基础设施建设的核心，迎来了新的发展机遇。

2.2 国外冷库行业的发展概述

在一些发达国家，如美国、芬兰、日本等，冷库行业的发展速度较快，在冷库行业发展刚刚起步时，通常采用集中式制冷系统，经不断研究发展后开始以分散式制冷系统为主，不断提高自动化控制程度。近年来，一些发达国家开始致力于建设气调库，经相关数据显示，美国使用气调库储藏占据了冷藏总数的70%；英国、法国等国家也相继开始使用气调库。目前，国外已经建造了将近10座世界级自动化冷库。

3 冷库的分类及制冷系统

3.1 冷库的分类

冷库分类具体有以下4种分类方式：（1）按照工作温度进行分类，可分为冷却间、冷却物冷藏间、冻结间以及冻结物冷藏间。冷却间与冷藏物冷藏间的温度一般在0~4℃，如同人们家中冰箱的冷藏室；冻结间和冻结物冷藏间的温度一般在-18~20℃。（2）按照库体的结构进行分类，可分为土建式冷库和组装式冷库。土建式冷库的外部属于砖混结构，在内部安装了厚10~15 cm的保温层。（3）按照制冷剂的类型进行分类，可分为氨冷库和氟利昂冷库。一般乡村建设小型冷库通常会选择自动化程度较高的氟利昂冷库。（4）按照冷库的容量和规模来进行分类，可分为大型冷库、中型冷库和小型冷库，其容量分别为10 000 t以上、1 000~10 000 t以及1 000 t以下。

3.2 冷库的制冷系统

小型冷藏库的制冷原理主要是利用压缩机进行吸气、排气，通过冷凝器进行散热或冷凝，利用膨胀阀进行节流、降压，再通过冷藏蒸发器进行制冷，最后到达冷冻蒸发器进行制冷。

4 小型冷藏库制冷系统的设计要点

4.1 制冷压缩机的选择

压缩机是冷库制冷系统的核心部分，在进行制冷系统的设计时，首先要考虑压缩机的选型。

1）所选机器制冷量要大于等于机械负荷。机械负荷是指为维持制冷系统正常运转，制冷压缩机所带走的热流量值，一般以蒸发温度为单位进行汇总[1]。

2）选择合适的台数，对于小型冷藏库而言，压缩机选择单台即可。

3）应尽可能地采用相同系列的压缩机，以便于控制管理和零配件互换。

4）制冷压缩机的工作条件不得超过制造厂家规定的运行工况或国标规定的压缩机使用条件。

5）小型冷库一般采用单机压缩机；当氟利昂系统压力比大于10时，需采用双机压缩。制定合理的选型步骤，首先要确定小型冷库的工作参数，然后计算出小型冷库的机械负荷，根据选型软件快速选择压缩机的型号和台数。小型冷库工作参数的确定包括以下方面：（1）确定蒸发温度、冷凝温度、吸气温度以及过冷温度。（2）先确定制冷量（可通过冷库的机械负荷来确定），其次确定蒸发温度（可通过冷间温度以及冷却方式来确定）。（3）确定冷凝温度（可通过环境温度以及水温条件来确定）。

以上3个参数是进行压缩机选型的重要依据。此外，还要注意压缩机中制冷剂的选择。举例说明，对某小型冷库进行估算，其机械负荷为12 kW，冷库为冻结库；冷间温度为-18℃，采用的冷却方式是冷风机，因此，蒸发温度为-26℃。冷凝温度根据环境温度确定，在压缩机选型软件中，需要输入的参数为环境温度。压缩机的型号选择环保型的R404A制冷剂。对于以氟利昂为制冷剂的中小型冷库，宜采用压缩机冷凝机组。

通过压缩机选型软件能够了解到许多压缩机种类：（1）小型冷库常见的冷凝机组，在冷凝机组的选型中分多种系列，一般选用的是标准型，本案例应选择单台压缩机。（2）在系统中输入估算值，会得到多种可供参考的压缩机类型，（3）选择接近估算值的压缩机，并且其尺寸、技术参数以及资料文件等，都能在压缩机选型软件中直观地显现出来，以为后期的设计奠定基础。

4.2 制冷剂的选择

选择制冷剂时，应优先考虑其制冷效率。选择效率高的制冷剂能有效提高冷库制冷系统的经济性。但同时要考虑制冷剂的其他指标，如污染性、可燃性等。制冷系统在运行过程中难免会发生制冷剂泄漏的情况，因此，选用的制冷剂必须对环境无不良影响或影响越小越好[2]。当前评价制冷剂的环保指标主要是全球变暖潜能值（ODP值）和温室效应指数（GWP值）。ODP值是制冷剂选择的一个关键因素，制冷剂的ODP值越小越好；同理在选择制冷剂时，GWP值越小越好。除了上述要考虑的因素之外，制冷剂的热力学性能要满足制冷循环要求：（1）制冷剂的临界点要高。以便于用一般冷却水或空气进行冷凝。（2）制冷剂的标准沸点要低。制冷剂的标准蒸发温度大体上可以反映其制冷能够达到的低温范围，标准沸点（ts）越低的制冷剂能够达到的制冷温度就越低。因此，依据常规冷凝压力Pk和标准沸点（ts）的高低可将制冷剂分为高温（低压）、中温（中压）和低温（高压）。一般高温是指标准沸点为0~10℃（压力≤0.3 MPa）；中温为0~-20℃（压力0.3~2.0 MPa）；低温为-20~-60℃（压力≥2.0 MPa）。（3）要求制冷剂的凝固温度要低，选用制冷剂时，首先要考虑制冷剂的适用温度范围，当蒸发温度和冷凝温度给定时，在制冷系统中使用不同的制冷剂会得到不同的蒸发压力和冷凝压力。在选择制冷剂时要保障其蒸发压力不低于大气压力，以免向制冷系统中渗入空气，影响制冷系统运行的安全性。此外，制冷剂的冷凝压力不宜过高，以避免制冷剂向外渗漏。目前，国内冷库常用的制冷剂有二氧化碳、氟利昂和氨。氟利昂是应用最为广泛的一种制冷剂。氨具有一定的可燃性，在使用上仍存在一定局限性；二氧化碳属于天然制冷剂，也是最具发展前景的一种冷库制冷剂。

4.3 制冷系统的管道布置

冷库制冷系统的管道布置有以下原则：（1）要考虑回气管的布置。如果在回气管中出现液囊，就会阻止气体流通，因此，为便于回油，在布置上要有约0.8%的坡度。（2）在蒸发器出口的上方要设置回油弯，而且回油弯要尽量做小[3]。当系统负荷较大时，要采用双上升回气立管。（3）要注重回气管与压缩机的连接，使润滑油能够顺利返回压缩机的曲轴箱，且不能使制冷剂或者润滑油集中进入压缩机。设计时主要考虑系统布局，考虑化学因素，通过优化设计避免润滑油在管道中堆积，以此提高系统的回油能力。

4.4 制冷系统的自动化控制

近年来，我国冷库行业从普通制冷系统发展到智能制冷系统，实现了制冷系统的自动化控制。但与一些发达国家相比，我国冷库制冷系统的自动化控制程度还有待提高，特别是氨制冷系统，如果发生制冷剂泄漏，会严重威胁人们的人身安全，因此，在设计时应提高制冷系统的自动化控制程度，以此降低事故的发生率[4]。小型冷库可以用PLC控制取代传统的继电器控制，PLC选型时要选择经济可靠、简单易维护的控制系统。以果蔬冷库为例，将果蔬运到冷藏间时，PLC根据冷库的温度和环境对偏差值进行计算，调整PLC参数，将计算结果传输到压缩机的变频器中，以此来改变频率，对制冷能量进行控制。通过利用PLC实现冷库自动化控制的同时，还能有效降低运行能耗，增强制冷系统运行的可靠性。除了PLC控制方式外，还可基于神经网络控制或预测控制，尤其是预测控制，对系统的运行情况进行调节，进一步优化系统性能。因此，在设计过程中可根据冷库的类型来选择最适宜的自动化控制技术。

4.5 热力膨胀阀的选择

热力膨胀阀是利用蒸发器出口处制冷剂蒸汽过热度的变化来调节供液量，在氟利昂系统中的应用非常广泛。热力膨胀阀主要分为内平衡式热力膨胀阀和外平衡式热力膨胀阀，分别适用于蒸发器阻力较小和阻力较大的情况中。热力膨胀阀控制制冷剂流量的具体原理如下：当蒸发器负荷变大时，供液量不足，制冷剂很快就蒸发完，但是还在继续吸收热量，此时过热度就会增大，与此同时感温包的温度压力也随之增大，阀门的开度变大，制冷剂的流量增加[5]，反之制冷剂的流量就会减小。因此，在选配热力膨胀阀时，膨胀阀的制冷量要大于蒸发器的制冷量，阀体要尽可能地接近蒸发器，并且安装到易于维修的部位。

4.6 制冷系统方案的确立

制冷系统方案是制冷系统设计的主要依据，与后期制冷系统的运行密切相关，如果方案不科学，则无法保障制冷系统的安全运行[6]。因此，在确立方案前，应从经济、安全、实用、先进等几个方面综合考虑，选择出最优的设计方案。

5 结语

随着人们生活质量的提高，日常生活中的大部分产品都需要保证其新鲜程度，主要依靠的就是冷库。制冷系统作为冷库运行的核心，其设计得合理性直接影响着冷库的运行效果。本文对国内外冷库的发展情况进行了简要阐述，对冷库的分类及制冷系统进行了说明，主要对制冷系统的设计要点进行了全面分析，希望通过不断优化设计，能够进一步提升制冷系统的运行效果，促进冷库行业的发展。