（制冷及低温工程专业论文）大型制冷系统的节能分析.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 有关能源的话题是当今最热门的话题之一。随着全球的技术发展、科技进步，人们生话 生产的各个方面对能源的需求日益加大。能源短缺成了影响经济发展的主要因素。对我国 现行的冷库系统来讲，能源浪费问题是非常严重的。如何解决这种现状，提高能源利用率， 已经成为日益紧迫的实际课题。 用有效能的利用率来表征能源的利用率，能够更加准确的描述出能源在系统中的使用情 况，指明能源利用在系统不同环节中比较薄弱的部分，更有利于我们明确在设计和改造过 程中节能措施采用的主要方向。运用有效能分析力法，对能耗大户冷藏库制冷系统进 行能损分析，找出能损的各个环节的薄弱之处并加以改进，从而对改善我国冷藏库能源利 用率低、经济效益差的现状起到积极的促进作用。 本论文以南京肉联厂冷藏库制冷系统为例，首先叙述了国内外冷库行业的发展现状，分 析了随着我国冷库近几年来发展迅速，节能的观点越来越被重视的原因。介绍了制冷设备 的现实情况，用有效能分析法一黑箱分析法，对系统各个环境进行了能损分析，并运用 系统能量流向图显示了各环节能损的具体状况；根据数据结果，从设计和实际应用两个方 面具体分析讨论了制冷系统的节能设计措施，：本文还就蓄冷技术的发展，探讨了其在冷库 中实际应用的可行性，浅述了对现存冷库的节能改造方案。 关键词 冷库有效能分析节能蓄冷 东南大学硕士学位沦文 a b s t r a c t e n e r g yp r o b l e miso n eo f t h eh o t t e s ti s s u e si nt h en o w a d a y sw o r d t h e e f f ic i e n tu s eo fe n e r g yh a sb e e nr e g a r d e da sas o l u t i o nt oe n e r g ys h o r t a g ea n da s e r i e so fr e l e v a n tp r o b l e m sa r o s ef r o me n e r g ys h o r t a g e ，w h i c hh a db e e np a i dm o s t a t t e n t i o ni nm o s tc o u n t r i e s e x e r g ya n a l y s i sw a sa p p l i e d i nt h e e n e r g yl o s sa n a l y s i s o fr e f r i g e r a t i o ns l o r a g e r e f r i g e r a t i o ns y s t e m - - - o n eo f t h eb i g g e re n e r g yc o n s u l n e r s t h ism e t h o da i m e da tf i n d i n g w e a k1i n k si nt h e s y s t e ma n di m p r o v i n gt h e m ，t h e r e b y ，t oi n c r e a s et h el o w u t i1 i z a t i o nr a t i oo fe n e r g ya n di m p r o v et h ee c o n o m i cb e n e f i t so fr e f r i g e r a t i o ns t o r a g e i no u rc o u n t r y t h isp a p e rb a s e do nam o d e l o fr e f r i g e r a t i o ns t o r a g er e f r i g e r a t i o ns y s t e mi nn a n j i n g m e a tp l a n t i n t r o d u c e dt h ep r e s e n tc o n d i d o no f a l le q u i p m e n t s a n a l y z e da n do p t i m i z e dt h e s y s t e mw i t ht h em e t h o do fe x e r g ya n a l y s i s s u m m a r i z e dt h ep r e s e n td e v e l o p i n g e o n d i t i o no fd o m e s t i ca n da b r o a dr e f r i g e r a t i o ns t o r a g ei n d u s t r y s o m ed e s i g nw a y so f e n e r g y s a y i n gi nr e f r i g e r a t i o nw e r ee x p o u n d e di nt h ep a p e r t h ef e a s i b i l i t yo fc o l d s t o r a g ea p p l y i n gt or e f r i g e r a t i o ns t o r a g ew a sd i s c u s s e d p u tf o r w a r dt h ep r e i m i n a r y r e f o r mp r o g r a m so fe n e r g ys a y i n gi ne x i s t i n gr e f r i g e r a t i o ns t o r a g e k e y w o r d sr e f r i g e r a t i o ns t o r a g e ，e x e r g ya n a l y s i s ，e n e r g y s a v i n g ，c o l ds t o r a g e 东南大学硕士学位论文 学位论文独创眭声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 日期： 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学 位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文 的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：导师签名：赵盟日期： 绪论 绪论 1 研究的背景和意义 随着全球的技术发展、科技进步，人们生活生产的各个方面对能源的需求日益加大。 能源短缺成了影响经济发展的主要因素，开发新能源，节约能源是解决能源问题的两个研 究方向。对我国现行的冷库系统来讲，能源浪费问题是非常严重的。如何解决这种现状， 提高能源利用率，已经成为日益紧迫的实际课题。 用有效能的利用率来表征能源的利用率，能够更加准确的描述出能源在系统中的使用 情况，指明能源利用在系统不同环节中比较薄弱的部分，更有利与我们明确在设计和改造 过程中，节能措施采用的主要方向。 2 国内外研究现状 制冷技术是- - 1 7 研究人工制冷、方法、设备及应用的学科技术。很早以前，人类利用 天然冷源来保存新鲜食品，在夏季也用温度较低的地下水来防暑降温保存食品，这些方法 现在一直沿用至今。但是随着时代的发展，天然冷源已经远远无法满足人们生活和生产的 实际需要，因而，人工制冷行业日益发展起来。 在科学实验中，人民发现了冰盐混合时，会产生制冷效应，并利用这个现象来冷却饮 料或短期保存新鲜食品。这就是最早的人工制冷。1 8 3 4 年，英国人波尔金斯制成了第一台 用乙醚作制冷剂的制冷机，从这以后，制冷技术被不断的发展和完善，产生了基于不同制 冷原理之上的各种肯冷机。1 8 4 4 年，美国人高斯发明了空气压缩式制冷机；1 8 6 2 年，法国 人卡尔里制成了吸收式制冷机；1 8 7 4 年，瑞士人皮克首先制造了以二氧化硫为制冷剂的 制冷机：同年，德国人林杰发明了氨制冷机，它成了公认的制冷机鼻祖，对制冷机的实用 化起了重大作用。以后有出现了以二氧化碳为制冷剂的制冷机( 1 8 8 1 年) ，以水为制冷剂 的蒸气喷射式制冷机( 1 8 9 0 ) ，以氟利昂为制冷剂的制冷机出现在1 9 3 0 年，氟利昂制冷机 的出现，给制冷机的发展开辟了新的道路。到了本世纪6 0 年代，半导体制冷( 又称热电或 温差制冷) 成为制冷技术发展的新方向，对微型制冷器的发展起了推动作用。 在制冷技术的发展道路上，蒸气压缩式制冷始终处于主导地位。从本世纪初开始，随 着科学技术的进步，制冷机出现了多种类型，机器转速的提高使设备日趋紧凑，制冷剂性 能逐步优化有利得到更低的温度，系统逐渐完善并实现自动控制，这些进步，都促使制冷 技术发展成为一个成熟的工程领域，在国民经济中占有一席之地。 我国的制冷技术迅速发展是近3 0 年的事。由于经济的迅猛发展和人民生活水平的提 高，促使了制冷技术的飞速发展，向世界先进水平靠近。目前，我国的制冷工业已建立了 完整体系，已能生产各种类型多规格的制冷机”j 。 制冷技术的应用范围和涉及的温度区域非常广阔，从工农业生产到日常生活，从接近 于绝对零度的最低温度到室温或更高。 制冷技术在食品工业中应用最早，由于肉、鱼、禽蛋蔬菜等易腐食品的生产性有着很 强的季节性，为了旺、淡季节的调节与运输，必须易冷藏方法来保存食品。冷藏库、冷藏 箱、冷藏车也就应运而生。另外，冷饮品的生产、酿酒和其他食品生产过程都离不开制冷 技术。食品是人类赖以生存的基本物质。其品种虽然多种多样，但它们的成分都不外乎水 分、脂肪、蛋白质、糖类、维生素、矿物质和酶等。这些成分及性质不仅决定着食品的品 质和营养价值，而且决定着食品在运输、加工和贮藏过程种的一系列变化。新鲜食品在常 温下存放，由于附着在食品表面的微生物和食品内所含酶的作用，使食品的色香昧、外观 形状和营养价值发生从量到质的一系列变化，如果久放，食品会腐败变质，以至于完全不 东南大学硕士学位论文 能食用。食品变质的原因，主要是由外部的微生物和内部的酶引起的，低温能抑制微生物 的繁殖和降低酶的活性。在一定的范围内，环境温度越低，这种有利的效果久愈明显。处 于低温下的食品能保存较长的时间而不致变质，这就是食品冷藏的根本原理和目的。 随着制冷技术应用的日益广泛，铸冷装置消耗的能源也在迅速的增加。冷库是耗能大 户之一。据统计，我国冷库的电耗约占折光嘎冷库仓储成本的3 0 左右。应此，冷库制冷 装置的节能问题得引起了越来越广泛的重视。 虽然，方面我国的能源工业自建国以来得到了巨大的发展，但另一方面能源供应仍 旧很紧张。全国约有2 5 的工业生产能量由于缺乏能源不能发挥作用，能源的短缺成了制 约我国经济发展的一个重要因素。能源有效利用率低下也是造成我国能源短缺的主要原因 之一。能源有效利用率是指能源所具有的能量与实际有效利用的能量之比值。由于教育、 管理、科技、和经济等诸多因素，我国能源利用一直存在着很大的浪费。长期以来，我国 经济增长是以资源的高消费和牺牲环境为代价的，是一种粗放型经济增长方式。统计资料 表面，我国总的能源利用率为3 0 ，相当于发达国家5 0 年代的水平。目前，西欧各发达 国家的能源有效利用率为4 0 以上，日本高达5 0 以上口j 。 因此，国务院制定了能源建设的总方针：“能源开发和节约并蘑，近期要把节能放在优 先地位，大力发展以节能为中心的技术改造和结构改革。”由于新开发能源需要大量资金， 建设周期很长，应此，在注重能源开发的同时，千方百计节约能源，提高能源利用率，对 我国经济发展更具有现实意义。 节能的中心思想是采取技术上可行、经济上合理、以及环境和社会可接受的措施， 以便更有效的利用能源。节能不应简单地理解为减少能源的消耗量，不能与生产水乎和 生活水平对立起来。节能是更有充分发挥能源利用的效果，以尽可能少的能源创造尽可 能多的社会需要的产品或产值。 由于人们对能源短缺和节能意识的不断加强，促进了人们对能量价值和合理用能的 新技术、新理论的探求和研究。有效能理论以及有效能分析方法为我们指出了能量与能 质同时获得合理利用的技术途径，为进一步提高用能水平，有效地降低能耗指标提供了 科学依据。 从长远的观点来看，技术应是利用人类智慧、世界能源和资源，造福人类的技术。 这里包括了子孙后代有节制地使用资源。其中，最关键的似乎是食品增长潜力( 可耕地、 水等) 、能源与环境质量三者之问密切关系。 a - t + 年代，国际制冷界出现了一个热点问题：如何实现制冷系统设计方法的更新， 使之现代化。这不仅是计算机技术的简单介入，而且应该用制冷系统热动力学的基本观 点，把传统的静态分析转到动态分析，把集中参数改为分布参数计算；视制冷系统中的 各参数间是定量耦台的观点来处理制冷系统，形成动态分布参数数学模型及系统参数的 耦合关系。 冷库建筑与民用建筑或其他工业建筑不同之处主要是冷库固护结构设置隔热层和 防潮层。隔热和防潮层的设置不仅使室内温度达到食品工艺的要求，保证储藏食品的质 量，而且对制冷设备的配各以及经营管理费用均有密切的关系，从冷库设计数据统计， 一般综合性冷库围护结构耗冷量占和盼设备总负荷的2 0 左右，分配性低温冷库围护 结构耗冷量占制冷设备总负荷的5 0 0 垃右。所以隔热防潮工程在冷库的建筑造价中占的 比重是很大的”j 。 由于现代的一切生产活动都离不开能源，因此节能的意义是非常广泛的。而冻结、冷 藏中节能的措施是多方面的，如冻结工艺的合理选择、冻结装置和冷藏库隔热层的最佳厚 度、食品最佳冷藏温度。制冷装置废热的利用等等。 2 绪论 3 本文主要内容 我国冷库事业从无到有，从小到大，发展至今，据1 9 8 9 年统计，全国冷藏能力达4 5 0 万吨，冻结能力达6 5 万吨。制冷能力2 万吨，储冰能为达1 6 万。特别是近十年来发展较 快，但与世界先进水牛相比。差距仍较大，我国有个十四亿多人口，冷库容量不及日本的 4 0 ，而一个国家的冷库容量的大小，在一定程度上显示这个国家的经济发展水平。可以 预言，今后我国的冷库建设还会以更快的速度发展。因此冷库的节能研究工作可以预见是 一项1 f 常有意义有前景的工作”j 。 本论文讨论了制冷装置的不稳定工况，利用有效能对制冷系统进行了能质热力学分 析，并对制冷装置进行了最优化，讨论了在部分负荷下压缩机的能量调节方式。讨论了 蓄冷系统在冷库中应用的可能性、以及对蒸发温度不同的冷库系统的改进。 总之，制冷装置的节能包括了制冷装置的设计、操作调节、维护管理，以及技术改 造各个环节，该技术不仅有社会效益，而且对于用户具有多方面的结合效益。一套节能的 制冷设备必然处于高效运行工况，能达到最大生产能力，并保证所需的低温。使各机器设 备处于最佳的运行状态，零部件磨损少维修费用下降，安全可靠性提高。使用寿命延长。 东南大学硕士学位论文 第一章我国冷藏库的发展及设备现状 1 1 国外冷藏库的发展 随着经济的进一步发展，现代物流所带来的巨大效益正日益引起世界各国的重视，而 作为现代物流系统重要组成部分的冷库势必倍受关注。冷库是经营肉类、蛋类、蔬菜、水 果等食品不可缺少的一项措施。一个国家冷藏事业的发展状况，在一定程度上可以反映出 人民生活水平的高低。 冷库作为食品低温流通的中枢，近年来在国外发展较快。1 9 5 5 年，日本冷库开始采用 液泵强制循环供液方式，并且基本上都是“集中式制冷系统”。6 0 年代，制冷系统仍以集 中式为主，只是为了防止氨泄漏对附近居民和储藏食品造成公害有些冷库改用氟利昂机 组。从7 0 年代起，国外一些冷库逐渐采用分散式制冷系统，近年来甚至大到万吨级冷库也 以分散式作为制冷系统的主要形式。7 0 年代后半期，随着制冷装置向机组化方向发展，在 制冷系统上日本也有所变化，开始采用小型分散式制冷系统。8 0 年代以后，分散式系统在 国外得到了很快发展。战后3 5 年间日本冷库贮藏容量增长了2 3 倍，发展最快的是7 0 年代， 平均每年增长4 0 万吨。如果按每一万人拥有的冷库容量计：日本己达到6 6 0 吨，美国为 9 5 0 吨，西欧平均只有4 0 0 吨。 国外冷库随着现代科学技术的发展，在制冷工艺、建筑结构、机械设备和电子技术等 方面都有很大变化： 1 在制冷工艺方面。为了防止公害和贮藏食品安全，7 0 年代以后新建的冷库逐渐以氟 利昂代替氨作制冷剂。在设备方面，制冷机主要为高速多缸活塞式和螺杆式两种，在新建 大型冷库中以螺杆机居多。近年来，以螺杆压缩机取代活塞式压缩机的趋势正在增加，由 于螺杆压缩机具有操作安全、方便、易损件少，寿命长，维修方便等特点，更由于它能在 能量的2 0 8 0 的范围内无级调节，有利于节能：如果使用带有经济器的螺杆机组，其节能 效果将更加显著，一台制冷量2 3 3kw 的带有经济器的螺杆压缩机组，按年运行4 0 0 0 小时 计算，一年可节电l o 万度。制冷系统，7 0 年代后期在日本出现的“分散式制冷系统”较 为普遍。目前，日本、英国、美国、瑞典、法国等国正广泛推广分散式制冷系统。我国广 东也有多家冷库采用分散式制冷系统。 2 在冷库土建技术方面。对单层冷库正在向预制装配化发展，其承重结构多为薄壁型 钢骨架，在现场只需用螺栓连接或铆接砖石工程仅限于地基和混凝土地面。隔热以中问 充填聚氨酯或聚苯乙稀隔热层，有预制和现场发泡两种，所以施工速度快，建设周期短， 1 = 程质量有保证。日本和欧美不同的只是由于土地有限，在大城市仍是以钢筋混凝土结构 多层冷库居多。当今，为了减少围护的传热量，很多国家建议隔热层适当加厚，法国、前 苏联、日本等国在设计隔热层时，热流量已主张按6 9 8 8 1 4 w m 2 先取。 3 在库内货物的堆垛与运输方面。目前仍以电瓶车为主。同时，由于库内冷藏食品基 本上都有包装，外型完整，所以很多冷库还设有货架以充分利用空间，在这方面最突出的 要算立体自动化冷库，它是国外7 0 年代出现的冷库新技术之一。日本从1 9 7 3 年开始兴建 这种立体自动化冷库，据说至今已有2 0 多座。 4 在自动控制方面。冷库是在制冷装置方面采用电子计算机自动控制。日本的冷库在 6 0 年代初自动化程度并不高，但1 9 6 5 年后逐渐把电子技术应用到制冷装置的自动控制上， 发展甚快；现在新建的冷库都装有库温自动显示、记录和调节仪表，并实现了制冷设备的自 动启停、蒸发器自动融霜等。尤其一些大型冷库自动化程度较高，如东京水产冷藏中心总 4 第一章我国冷藏库的发展及现状 容量为1 8 8 万吨，分为4 幢库，4 个机房，整个冷库群白天操作仅有4 5 个人，晚上只有 一个人值班：主要工作是监视仪表，管理机器。近年来，日本等国相继推出了新研制成功的 带节能的电脑控制系统分体式制冷机组，它与不装节能电脑的同类机组相比可节电1 0 左 右。 5 在冷库储存温度方面。7 0 年代咀来，国际上对冷却间和冻结间的工艺要求趋向低温 快速方向发展，冷却问温度一般采用。1 0 。c ，冻结间采用3 5 4 0 + c 左右，超低温冻结间 为4 8 。c 一5 5 。c ，有的还采用液氮来冻结食品。8 0 年代后，日本建的冻结物冷藏间基本都 是3 0 ，美国的库温约为2 33 2 8 9 * c 。冷库储存温度的低温化，也大大促进了各国速 冻工业的发展。近2 0 年来，特种冷库( 如气调库、夹套库) 在国外得到了很快的发展，装配 库发展也很快，比较著名的有美国b a l l y 公司、日本轻金属株式会社、欧洲装配式鼹大 的制造商芬兰 删r r c o l d i n d u s t r y 公司，它们主要在冷库的型式系列化、多样化以 及节能上显示出重要特征p j 。 1 2 国内冷藏库的发展 我国冷库建设大致经历了三个历史阶段： 五十年代由前苏联援建的首批冷库，主要分布在重点城市：六、七十年代由国家在生 猪产地及中心城市兴建的生产性冷库( 肉联厂) ；八十年代以来，由地方自筹资金兴建的中 转性冷库，主要分布在经济发达以及沿海城市。1 9 5 5 年，我国开始建造第一座冷库，当时 主要是贮存肉食品，总容篮也只有3 万吨。1 9 6 8 年开始，北京建造第一座水果机械冷库， 1 9 7 8 年始建造第一座气调库。截至1 9 9 1 年底，我国己建冷库4 1 3 5 万吨。仅以，“东省为例， 该省商业系统就拥有大中小型冷库3 3 座，冷库容量8 7 5 0 0 吨，速冻能力( - 2 3 * ( 3 ) 3 0 0 吨1 4 j 。 到目前为止， 我国冷库多数冷库仍采用以氨为制冷剂的集中式制冷系统。随着社会 主义经济体制在我国的建立，冷库的建造也发生了很大的改变。主要表现在以下方面： 1 过去冷库大部分集中在大中城市，而现在小城镇也建了不少冷库。 2 过去冷库是国家建，现在一些个体户、集体也开始建，国家建的冷库库容为5 0 0 0 - - 1 0 0 0 0t 的多层冷库或单层高库( 高6 8 m ) ，而个体户和集体所建冷库大多为1 0 1 0 0t ， 少数的集体建2 0 0 1 0 0 0t 的单层水果库。仅以广西为例，近十多年来，广西区冷库的建 设数量急剧增加，但大多是库容量在8 0 0 吨以下的小型冷库，广泛分布于水产、食品等行 业，这些冷库的结构、功能、用途各不相同，各厂的技术水平也有较大差别。冷库小型化 的原因，一是资金不够，二是存的果品量不大，这些由个体和集体所建的冷库大部分建在 沿海或产地。 3 过去冷库往往建在货品销地，现在产地也开始建。例如：河北省一些鸭梨产区，山 东苹果产地、四川桔柑产地等，往年北京南苑冷库、大柳树冷库在蒜台生产季节都从山东 沧州运蒜台，1 9 9 4 年由于沧州产地建了冷库，导致两库都没有装满。 4 装配冷库大大发展。因为装配式冷库重量轻，结构紧凑，安装快，美观卫生，越来 越受到用户的青睐，特别在中小型的冷库建造中，组装库逐渐取代了以稻壳、矿渣棉、软 木为隔热层的土建冷库。8 0 年代，为尽快提高我国冷藏工业的水平，许多企业引进国外先 进的生产线或关键设备，进行技术改造，很快地改变了我国组装式冷库的落后面貌。从8 0 年代中期开始我国自己设计建造装配式冷库，库容小的为1 0t ，大的多到5 0 0 0t ，大型 库用涂塑铁板作的夹板。6 冷库库温可以达到3 0 c ，主要为了速冻食品，少部分则是为出 口的需要。例如，1 9 9 1 年出口的速冻蔬菜只有6 0 万吨，出口美国的速冻虾为3 5 2 万吨， 出口日本的为3 5 万吨。低温快速冻结食品，能迅速在膈体表面形成个“冰壳”，大大降 低食品在冷却、冻结过程中的干耗损失。冷库储存温度的低温化，是保持更好的食品质量 5 东南大学硕士学位论文 和减少食品干耗的重要保证。经过一段时间的摸索，虽然我国冷库在生产和管理上都取得 了长足的进步，但与国外相比仍有一定的差距，我们应该吸取国外的先进经验，使我国冷 库的发展再上一个新台阶”j 。 近几年来，冷库的发展不断适应市场结构的调整。我国冷库行业对冷库的多功能设计 也越来越重视，如土建围护结构按低温冷藏库设计，制冷工艺按高、地温制冷设备设计安 装；发展变频技术；开发研究冻藏双效制冷装置等。传统的冷库设计每层高度一般在5 m 左右，近年来有不断增高的趋势，经过投资、库房利用率、物品质量及安全性、冷库自重 和劳动强度的比较证明了这一点。在美国，5 0 7 0 的单层冷库层高不断增加，九十年 代平均每层九高达1 0 。8 米”1 ；冷库的围护结更加简便高效。隔热层材料由软术。稻壳。 聚苯乙烯发展为聚氮酯。就目前来讲，由于聚氨酯硬脂泡沫塑料的导热系数很小，隔热层 可做的比较薄，隔水隔热性能都很好，其内表面用金属铝板豳护即可，总惰性仅为软木隔 热混凝土内墙的1 6 2 0 ，我国冷库大都采用聚氨酯现场发泡技术。防潮层的材料原来用 沥青或油毡，不仅工期长而且施工复杂，造价商。现在防潮层多利用据、聚氨酯现场分层 发泡进行密封，简单有效。已经成为发展趋势。另外，目前国外大量采用的装配式大板冷 库建筑，维护结构外测采用铝合金波纹板，防潮性能良好，值得我国借鉴；新型制冷工艺 的冷库发展迅速。湿空气保鲜冷库、气调库、装配式冷库等新型冷库得到了迅猛发展。湿 空气保鲜冷库的最大优点湿流经产品的湿空气湿农产品的水分损失明显减少，上市后感觉 新鲜。湿空气保鲜冷库起初只是在美国用于名贵花卉的保鲜，但由于其在绿色节能方面的 突出表现，现在已经广泛的应用于欧美的各种蔬菜和瓜果的保鲜。在中国才刚刚起步，值 得我们进一步研究和利用。气调库的初投资大，针对这一情况，我国研制了低成本、高效、 低噪音、全封闭涡旋压缩式制冷机组配置的挂机自动气调库。装配式冷库式一种工厂生产、 现场拼装的冷库。安装方便，建造工期短，适应性强。我国自己设计建造的装配式冷库， 库容量从1 0 t 到5 0 0 0 t ，越来越受到用户的青睐。特别式中小型冷库建筑中，逐渐的取代了 土建冷库。但是，市场上销售的装配式冷库普遍存在着许多不足，如制冷机组和蒸发器配 置不合理、热力膨胀阀选型不正确、安全保护装置不完善等，还有待进一步的完善。 我国冷库的技术工艺相对欧美和日本等发达国家来讲，还是比较落后的。冷藏库的制 冷剂采用方面，我国以氨为主，美国；f n ，m 拿大的冷库8 0 以上也以氨为制冷剂。而且，随 着氟利昂对环境影响的逐渐被认识，氨优良的热力性质和循环效率更加引起了人们的重视。 近年来，带有经济器的制冷压缩机，由于其运行效果相当于一个双级压缩机制冷循环，而 且和活塞式压缩机相比，具有无级能量调节、排气温度低对液击不敏感、运转安全可靠等 优点，所以我国有用此来取代活塞式压缩机的趋势。我国冷库主要以水冷式冷凝器为主， 而国外普遍选用的蒸发式冷凝器，并配有变频调速装置，不仅省去了冷凝器和水泵以及循 环水池的初投资，重要的是蒸发式冷凝器冷却水流量仅为水冷式冷凝器的1 0 ，显著的节 省了电能。我国冷库目前蒸发器采用的多是排管式的1 6 1 。 1 3 冷库制冷设备及制冷系统分析 为确保冷库适应今后市场结构的变化，提高冷库的利用率，近二年来，中国的新建冷 库正朝着灵活、自动化、节能、环保的方向发展。但我国原有冷库的整体设计落后，设备 陈旧，能量浪费情况严重仍是目前所要解决的重要课题。 下面以南京肉联厂冷藏库制冷系统为例，介绍一下我国冷库的制冷系统和设备。 1 3 1 南京肉联厂冷藏库的制冷系统设计 南京肉联厂冷藏库蒸气压缩氨制冷系统采用氮泵集中式供冷系统。 具有单级压缩和双级压缩各自运行的两套制冷系统。高温库房制冷系统的热负荷是由4 6 第一章我国玲藏库的发展及现状 台单级压缩机负担，其中有3 台单级压缩机设有一台中间冷却器，两台作为低压级一台 为高压极，在双级压缩机不能正常工作的时候可咀替代工作。低温库房蒸发系统足由7 台单机双级压缩机负担的，每次运行其中得3 或4 台，剩f 的作为备用机。冷凝器为l o 台水冷式冷凝器，利用靠近长江的便利条件，直接将江水引进冷凝器。从冷凝器里出来 的高压氮液储存在高压储氨器里，节流到低压循环桶，每个工作日需要2 、3 次打开节流 阀。系统各由8 个低压循环桶，其中5 个为低温库房工作。由库房蒸发器来的湿蒸汽在 磷 鼯 筑。 姆 f 襄 慷 低压循环桶内气液分离，低温氮气回到压缩机，分离的氨液由氨泵打回蒸发器继续运行。 系统配有1 5 台扬程为4 0 m 的氨泵。低温库房的选用光管蒸发器，采用顶排和侧排的方式， 高温库房用的是冷风机。 南京肉联厂冷藏库制冷系统的状态参数：低温库房的库房温度为2 4 0 k ，高温库房的_ f 丰 鞍社孵l i i 雒是蹦 。 霉酋翠幽警l曲 扯辞讯!li 和矿替l 函蝌懈剐避愈器曝鼷蒜哥 _ 【_ 【回 占一 稚匿隶r讲l小 稚磙采孽晡 罂饕越出幄甘 椎豁佥稍髑l门 稚屠受量壬 舡扩科挺f1 舡蜮采j 东南大学硕士学位论文 房温度为2 5 8 k 。冷凝温度，= a t 。+ ( + r ：) 2立式冷凝器中= f + ( 2 2 5 ) ，血，一 般取5 7 c ，南京夏季室外不满足5 0 小时的湿球温度为2 8 5 。可以求出，本系统夏季 冷凝温度f 。为3 0 9 k 1 3 2 南京肉联厂冷藏库制冷系统设备 ( 1 ) 压缩机 压缩机是制冷系统的主要设备，就犹如人体的心脏，在制冷系统中起着关键性作用。压 缩机与系统的匹配性，对整个系统能否高效、节能的运行有着重大影响，本系统的压缩机 配置如f ： 7 台单机双级压缩机，8 1 s j l 7 0 为3 3 库房配备，工作台数为4 台，其他为保障机。6 台单级压缩机8 1 s 1 7 0 为1 5 y ? 库房配备，工作台数为4 台，其他为保障机。其中，有3 台单级压缩机连接中间冷却器，2 台作为低压级，1 台作为高压级，可以作为低温系统的保 障机使用。 一台以压缩机在不同的工况下运行时，它的制冷量、耗功率及能耗指标等是不同的。为了 以统一的工况表示压缩机的制冷量，规定了压缩机的标准工况。 在标准工况下的制冷量即为压缩机的标准工况制冷量缘。 单级压缩机标准工况制冷量q k 计算公式为 鲸2 巧。l 。q 女( w ) 二中k 压缩机的理论排气量，m h 九镕压缩机标准工况下的吸气系数 q * 标准工况下制冷剂单位容积制冷量，t o m 3 系统单级压缩机的实际制冷量，也就是库房的需冷量 巩= 巧。| r 。q r 宴镕 式中屯女。压缩机实际工况下的吸气系数 q ，女* 实际工况下制冷剂单位容积制冷量 两式联立可得： 级。等警如， 这里导出了压缩机制冷换算系数a = 挚，即鳊= o 标a 标。q 诉 ” 制冷换算系数a 可由【氨制冷装置设计标准及规定】( 1 9 6 4 年) 1 1 查得，a = 0 8 1 8 。 单级压缩机的标准制冷量旦1 4 4 0 k w 。蒸发温度为一1 5 y ；，冷凝温度为4 0 ( 2 ，单级压缩 机制冷换算系数a = 0 8 1 8 ，则可以推算出现在冷库高温库房的需冷量a f ， 第一章我国冷藏库的发展及现状 q 需2 4 靠a = 4 4 4 0 0 0 0 0 8 1 8 = 1 4 3 9 6 8 0 w 这足蒸发温度为一1 5 高温库房的实际制冷量。 双级压缩机的标准制冷量为1 4 0 k w ，中间冷却器的温度为0 5 ，取中间温度为3 做 1 9 p h 图，并查出个状态点的参数及高低压级压缩机的吸气参数。 ( 2 ) 冷凝器 采用的是水冷式立式冷凝器 在大中型氨制冷装置中都采用这种冷凝器，从压缩机排出的高温的高压氨气从壳体上部 进入，在竖直管外凝结成液体，冷凝后的氮液从下部流入贮液器内。在冷凝器的上部设有一 个配水箱，冷却水经分配器流入管中，水沿管子内壁流下，集于水池中。 冷凝器的桶体是采用1 0 m m 的钢板，卷焊而成的圆桶，桶体两端各焊有多孔的管板， 上下两块管板之间胀接多根无缝钢管。冷凝器的顶部，装有配水箱，箱内设有匀水板，可 以将冷却水均匀地分配给各个管口，在每一个钢管上部管口备有带槽的导流套，水经过导 流套头的斜槽眼钢管的内壁成螺旋状向下流动，构成膜状的水层，提高冷却效果，节省用 永。制冷剂蒸气从壳体高度2 3 处进入冷凝器管问空隙中，管外高温的制冷剂蒸气与来自 长江水泵的管内冷却水进行充分的热交换，水温升高之后，排入下部水池，而制冷剂蒸气 放出热量之后，被冷凝成高压液体，逐渐地沉积在冷凝器底部，流入高压循环桶。 立式壳管式冷凝器适合大型氨制冷系统，优点是，传热效率高，结构比较紧凑，垂直 安装，占地面积小，可以安装在户外；容易清除管内水垢，且不必停止工作；对水质要求 不高。但是，由于冷却水升温小，故耗水量大，置于空气中，管壁上结水垢后，传热效果 会大大降低，需要定期清洗，管子容易被腐蚀，泄漏不易被发现。 南京肉联厂制冷系统备有1 0 个这样的立式冷凝器， ( 3 ) 蒸发器 蒸发温度为3 3 。c 的低温库房，采用直接蒸发的光滑管排管，有顶排和侧排多种方式。蒸 发温度有1 5 的高温库房，采用的用风机强制循环冷却，即冷风机。 ( 4 ) 高压贮液器 南京肉联厂冷藏库制冷系统设有八个3 m 3 的高压贮液器。 高压贮液器的作用是贮存冷凝下来的高压制冷剂。在高压贮液器里要保持一定的液封， 防止高压系统的制冷剂气体及其他混合气体进入低压系统的管道中去。均压管要与各个并 联的冷凝器和高压贮液器相连通，使它们之间工作压力平衡，借助位差使制冷剂从冷凝器 流到高云贮液器里。系统是多台贮液器并联，底部用管子及截止阀连通，正常运行时，阀 门打开，使个贮液器之间压力平衡。氨制冷系统贮液器的最大贮液量不能超过7 0 ，防j r 温度变化时因热膨胀而造成危险。 ( 5 ) 油分离器 压缩机排出的高温高压气体制冷剂，能够使压缩机气缸壁上的润滑油部分气化成油蒸 气，弗随着制冷剂一起进入制冷系统，在冷凝器和蒸发器的传热面上形成油膜，并沉积在 其底部，从而降低了它们的传热系数，使有效传热面积减少，导致冷凝温度上升，蒸发温 度下降，制冷能力降低，系统就不能正常地工作。因此，压缩机排气在进入冷凝器之前， 必须设置油分离器，将制冷剂中的润滑油大部分分离出来，并送回压缩机中。当然，此外 还需要对进入氨制冷系统的少量润滑油采取有效的排油。 ( 6 ) 中间冷却器 中间冷却器的作用是在双级压缩时，冷却低压级排出的过热蒸气，使之达到中间压力 相对应的饱和温度，以及使冷凝后的饱和液体被冷却到设计要求的过冷温度。中间冷却器 采用的供液方式是制冷荆从进气管以喷雾状与低压排气混合后一起进入容器内。中间冷却 9 东南大学硕士学位论文 器包有隔热层。系统没有一个中间冷却器，供工作的4 台单机双级压缩机使用。 ( 7 ) 低压循环桶 低压循环桶是氧泵供液制冷系统的重要设备之一，作用是贮存和稳定地供给氨泵循环 所需的低压氨液，对蒸发装置回气进行气液分离，必要时候也可以兼做排液桶， 本系统采用的是立式低压循环桶，桶体由钢板壳体和封头焊接而成，其上部侧面的进 气管和库房回气总管相接。从库房来的不完全挥发的气液两相流体进入低压循环桶后，速 度骤然降低至0 5 m s 以下，并改变流向，加之伞形挡板的作用，实现气液分离。为避免进 气直接冲击桶底，影响氨泵的稳定供液，进气管下端周围开口，并焊有板底。 ( 8 ) 集油器 用于收集高低压容器中分离出来的润滑油如油分离器、冷凝器、贮氨器、中间冷却 器、蒸发器等都要连接集油器，并且回收润滑油中夹带的氨，然后，在低压状态下讲润滑 油安全地放出制冷系统。 ( 9 ) 空气分离器 用来排放空气等不能在冷凝器中冷凝的气体，大型的氨压缩式制冷系统，不可避免的回 混进不凝性气体，一些小型制冷系统，为了简化系统，直接从冷凝器、高压贮液器或排气 管上的放空阀把空气放出。 ( 1 0 ) 氨泵 采用氨泵供液系统。氨泵供液系统与重力供液系统比较，具有冷分配设备换热好、压缩 机制冷效率高、操作方便等优点，在大中型冷库中得到广泛应用，但在5 0 0 吨以下的冷库 中应用就不那么普遍，设计时大多仍选择重力供液系统。用液泵供液的氟利昂制冷系统， 目前在国内仅在个别引进设备的大型氟利昂制冷系统的冷库中采用。【7 1 3 3 氨泵供液系统”j 氨泵供液的大型氨制冷系统是食品冷藏库中广泛采用的方式。其主要优点是 f i t 蒸发排管内表面能得到充分的润湿，由于氨液吸热蒸发而生成的气泡，将 被高流速、高流量的氨液迅速带走，不致于黏附在蒸发排管的内表面，因 而可以使蒸发排管发挥更大的制冷效能。 b 高流量、高流速的氨液能够冲刷蒸发排管内表面的润滑油油膜，提高蒸发 排管的传入效率，润滑油被带回低压循环桶，可以安全，集中的被排放。 c 回器过热度小，可以提高氨压缩机的效率，提高制冷循环的制冷系数。 d 融霜装置以及融霜操作都比较简单、商效。 e 重力供液系统中常用的氨液分离器、融霜排液捅等辅助设备，均被低压循 环桶所替代，可以简化系统。节省设备安装费用，节约建筑面积，简化操 作。 f 供液膨胀阀、氨液液位控制器、放油装置等都集中在机房设备问内，便于 监视、操作和维修，有利于安全运行。 g 便于实现控制自动化。 氨泵供液系统中氨泵的供液总量对应于蒸发器蒸发总量的比值被称为氨液循环倍数 n 。氨液循环倍数的选取，主要考虑提高蒸发器的传热系数，减少制冷剂的流动阻力，已经 保证蒸发器不同通路所需的供液量。氨液循环倍数n 与传热系数k 之间的关系是，当n 从 1 增加到3 的时候。传热系数迅速增长，当n = 4 的时候，k 接近达到最高值，当n 大予4 的时候，随着n 的提高，传热系数的增长已经不再很明显。而且，n 值取的越大，会导致 系统中制冷剂的流量过大、流速过高，蒸发的时候产生过大的压力降，从而导致传热温差 减少，相对的抵消了放热系数的增长。此外，泵动力消耗也会随n 值的增大而增加。综合 考虑各种因素，系统采用循环倍数n 的依据是：a 对负荷比较稳定或蒸发器组数较少或不 0 第一章我国冷藏库的发展及现状 易积油的系统，氨液循环倍数n = 3 4 ，如冷藏间和采用空气自然对流的排管等：b 对负荷 波动较大或蒸发器组数过多或容易积油的系统，氨液循环倍数n = 5 6 ，如冻结间和采用空 气强制对流的冷风机等。本系统的氨液循环倍数取的是4 。 为了防止发生“气蚀”现象的发生，氮泵的入口处需要一定的液柱静压即“净正吸入 压头”，以补偿氨液在泵入口处因为加速和涡流而引起的压力损失，保持氨泵的正常1 作， 净正吸入压头是氨泵性能参数中一个重要的数据，一般由氨泵制造厂给出。系统设计时， 为了保证氨泵吸入口有足够的净正吸入压头，通常使低压循环桶设计液位水平线与氨泵中 心之间保持一定的相对高度差h ，h 高度内形成的液柱静压，扣除氨泵吸入管段的沿程摩 擦阻力损失和局部阻力损失，应大于氨泵所要求的净正吸入压头。 根据经验，h 的取值如下： 齿轮泵：h = 1 一1 5 离心泵：蒸发温度一1 5 ；h = 1 5 2 0 m 蒸发温度一2 8 ；h = 2 0 2 5 m 蒸发温度3 3 ；h = 2 5 - - 3 0 m 回气 一 供液 图卜2 低压循环桶氟泵系统示意图 1 低压循环桶2 氨泵3 滤氨器4 压差控制嚣5 旁通管6 抽气管 7 止回阀8 压力表9 安全阀1 0 膨胀阀1 1 电磁阀1 2 蒸发器1 3 放油阔 如图l 一2 示，氨泵布置在低压循环桶的操作平台下，安装场所通风，明亮，排水流畅， 有足够的操作管理和维护保养的位置，为了保证氨泵的安全运转和正常工作，采取r 一下 的技术措施。 a 在氨泵的进液管入口处装有导流片，可以防止在此处产生漩涡，将低压循环 桶上部的气体带进氨泵。 b 在氨泵的吸入端和排出端之间，装设c w k 一1 l 型压差控制器，当氨泵不上液 而压差不足时，压羞控制器可以自动切断氨泵电源，防止氨泵损坏。 东南大学硕士学位论文 c 氦泵出液管上装止回阀、压力表以及氨液自动旁通阀。当库房供液阀相继关 闭后，氨泵输液量超过实际需要，能使多余的氨液通过旁通阅返回低压循环 桶，以免蒸发器内的压力过高而影响制冷效果。 1 3 4 氨液调节站和融霜设备f 9 】 冷库的氨液调节站和热氨融霜设备介绍如下。 图l 一3 冷库调节站示意图 供液分配站2 热氨调节站3 各层库房供渣回气调节站 4 回气分配站5 低压循环桶6 氨泵 卷 如图l 一3 示，调节站的作用是分配供液量和便于系统维护管理。 热氨融霜重力排液调节站，供液调节站上引出的供液管，视冷间的多少和冷分配的 情况而定。每个冷间都有单独的供液管。对于负荷波动较大的冻结冷藏间，设有双条供液 管，按冷藏负荷设一条供液管，连接冷藏耗冷量所需的蒸发排管，另一条供液管连接其余 的蒸发排管，当冻结结束的时候关闭。 热氨调节站设在机房设备间内，接至通往各层楼的氨泵输液管，利用两相流体回程管 作为融霜排液管，当任何一个冷藏间需要融霜时，截断其氨液分配站上的供液阀，打开相 应的热氨阀，及壳进行融霜。由于融霜世界短暂，库温波动能够控制在1 以内。因为系 统单间库房容量较大，问数较少，而且采用光滑排管，便于扫霜，故系统每年融霜两次。 1 3 5 冷库制冷系统的自控设各” 冷库制冷系统的自控设各也是及其复杂的。制冷系统是一个严密的封闭系统。制冷剂 在系统中的运行情况是通过个测量点的压力、温度、流量等参数来反映的。为了使整个制 冷装置能正常运行，并达到所要求的指标，有许多参数需要进行自动控制和调节。自动调 第一章我国冷藏库的发展及现状 节的目的，首先应满足食品和货物冷藏过程的工艺要求，保证与所需负荷匹配，简化管理， 提高装置变工况运行的经济性，其次，是保证系统装置的可靠性、安全性。任何一个自动 调节系统都是在无人直接参与下，能使被控制的参数达到所要求的数值或按预先给定的规 律变化的系统。制冷设备中有好多参数需要控制，例如：温度、压力、流量、液位等热工 参数。一个自动调节系统一般都由调节对象、发信器。调节器、执行器组成。目前，一套 制冷装置的自动调节系统，常由几个单参数自动调节系统组合而成。 制冷装置的液位控制。本系统设备中需要液位控制的有中间冷却器，高压贮液桶，低 压循环桶，常用的液位控制器有浮球节流阀，浮球节流阀起着节流降压和控制液压，在氮 制冷系统中广泛应用的是一种低压浮球阎。w 系列液位控制器包括油位控制器和氨液 位控制器。油位控制器对系统容器放油和压缩机加油进行控制。氨液控制器用来指示设备 或容器内氮液液面位置，而且能发出液面超高的危险报警信号。 温度继电器，是用来控制冷库温度的一种控制开关。在单机单库情况下，可以用温度 继电器直接控制压缩机停、开，使库温稳定在要求的范围内。在单机多库的制冷装置中， 温度继电器和电磁阀配合使用，对各库房的温度进行控制。当库温上升到上限温度值时， 温度继电器吧电磁阀线圈电路接通，电磁阀开启，制冷剂进入蒸发器蒸发降温；当库温下 降到下限值时，温度继电器吧电磁阀线圈电路切断，电磁阀关闭，制冷剂停止进入蒸发器， 从而把库温稳定在所要求的范