小型冷库多效冷凝制冷机组的能耗及节能分析

1、第26卷第6期农业工程学报V ol.26No.62010年6月Transactions of the CSAE Jun. 2010103小型冷库多效冷凝制冷机组的能耗及节能分析刘晓辉1，鲁墨森2，王淑贞2，辛力2，张倩2，鲁荣3（1山东理工大学农业工程与食品科学学院，淄博255049；2山东省果树研究所，泰安271000；3一新保鲜设备厂，泰安271000）摘要：为解决目前我国小型冷库用风冷机组在高温季节运行时存在耗能大、制冷效率低、开机时间过长、压缩机排气压力超高造成故障停机等问题，设计研制出一种集风冷、水冷和蒸发冷却于一体的多效冷凝制冷机组。以10t 保鲜冷库（03）为试验库，在室外温度3

2、6左右的条件下，利用热电偶、数据采集系统、三相电参量监测仪和计算机处理系统等对多效冷凝制冷机组进行了节能和安全高效运行的试验研究。试验表明：多效冷凝制冷机组平均每次降温用时仅0.38h ，与风冷机组比较，节电46%以上，压缩机排气温度降低了28.79，排气压力降低了0.9MPa 。多效冷凝制冷机组的翅片管簇式换热器冷凝温度较低、温度场均匀。因此，多效冷凝制冷机组应用于小型冷库节能效果显著，属节能、高效、安全型制冷机组。关键词：制冷机械，冷库，节能，排气压力，温度场，铜-康铜热电偶doi ：10.3969/j.issn.1002-6819.2010.06.018中图分类号：TQ051.5文献标识

3、码：A 文章编号：1002-6819(2010-06-0103-06刘晓辉，鲁墨森，王淑贞，等.小型冷库多效冷凝制冷机组的能耗及节能分析J.农业工程学报，2010，26(6：103108.Liu Xiaohui, Lu Mosen, Wang Shuzhen, et al. Analysis of energy consumption and energy conservation of multi-effect condensed refrigeration unit in small cold storageJ.Transactions of the CSAE, 2010, 26(6:10

4、3108. (inChinese with English abstract0引言保鲜冷库是农副产品保鲜的主体设施1-5，其制冷装置的节能高效安全运行，一直是业者追求的目标，在冷库的制冷装置中，冷凝系统是高效节能的重要环节，不同结构形式冷凝系统的金属耗量、换热能力对制冷装置的制造成本和运行经济性有直接影响。因此，提高冷凝系统的经济性，强化传热过程，寻求工艺先进、结构紧凑、效率高的新型结构形式，乃是当今制冷装置设计和制造中的重要研究课题。冷凝系统按冷却介质和冷却方式的不同可分为水冷式、蒸发式及风冷式6。现有制冷系统中，大型装置用水冷和蒸发冷却，小型装置用风冷。水冷装置冷却效果好，但因其结构庞大、

5、辅助设备复杂、冬季需防水冻结、用水量大等因素影响了小型冷藏设施的推广应用1。蒸发式冷凝具有节水、节能等优点7-8，但蒸发冷凝制冷装置结构复杂，体积较大，对水质要求高，高湿性环境对设备要求高，故障率高，制造和维护都比较麻烦9。风冷机组结构紧凑、系统简单、便于安装，现在被大量应用于小型冷藏设施中6，尤其是100t 以下的冷藏设施，80%以收稿日期：2010-01-07修订日期：2010-04-13基金项目：山东省科技攻关项目（2008GG1009038）作者简介：刘晓辉（1983），女，内蒙古赤峰人，从事制冷设备测控与分析研究。淄博山东理工大学农业工程与食品科学学院，255049。Email ：l

6、iuxiaohui0908通信作者：鲁墨森（1956），男，山东沾化人，研究员，中国农业工程学会永久高级会员（E041100005S ），从事贮藏加工设施和技术研究。泰安山东省果树研究所，271000。Email ：lumosen上应用风冷凝机组。但由于空气的传热性能较差、且机组的性能受环境空气的影响大，高温季节运行工况恶劣，因此，常造成制冷压缩机排气压力超高停机、长期高温高压运行损毁机组以及缩短机件使用寿命等诸多问题10。同时，高温高压运行大大提高了耗能量，增加运行成本。当代社会，低碳经济是追求目标。因此，最大限度地做好节能工作显得尤为重要。2010年，全国人大会议和全国政协会议力挺低碳经济

7、，将“关于推动我国低碳经济发展的提案”列为会议一号提案。而对我国保鲜冷库现有的制冷机组冷凝系统来讲，高耗能、低效率问题仍然十分突出11-14，如何通过设计改进冷凝系统的结构提高换热效率、提高能源利用率是制冷机组低碳运行的重要研究方向。目前，中国农副产品贮藏保鲜设施以小型冷库为主体，而小型冷库多是高耗能、低效率的风冷机组，因此小型冷库制冷装置亟需节能、高效和自动化安全运行的制冷机组取代传统的风冷机组。文献15、16中研制了一种新型制冷机组多效冷凝制冷机组。该机组以其结构简单紧凑、安装方便、耗材少、占地面积小、节能、高效、安全、绿色环保及自动化运行等优势在小型冷库得到了快速应用。本文对多效冷凝制冷

8、机组、水冷机组、风冷机组在小型冷库应用时运行状态的能耗情况进行测试和对比分析。重点研究探讨了多效冷凝制冷机组的节能因素和效果，通过试验数据分析，为多效冷凝制冷机组的节能优化设计提供了科学依据和数据基础，对小型冷库制冷装置具有理论创新和生产应用的实际意义。104农业工程学报2010年1试验设备与方法1.1试验设备整套试验冷库设施由山东省果树研究所贮藏加工试验室提供，如图1所示。多效冷凝制冷机组制冷装置（见图2）主要有由密封机壳、翅片管簇式换热器、防水型通风风机和制冷剂贮液器、制冷压缩机、气液分离器等组成。 图1装配式试验冷库群Fig.1Fabricated coldstorages 图2多效冷凝

9、制冷机组结构示意图Fig.2Schematic diagram of multi-effect condensedrefrigeration unit密封机壳由底垫和面板构成，前面板安装引流风机，采用后进风前出风形式，冷风从换热器后面进入，带走热量从前面排出。翅片管簇式换热器是制冷换热的核心部件，采用平行管簇侧立式安装，以扩大进风面积和使上方布水能均匀地通过翅片管簇，最大限度地带走热量。设备运行过程中，经压缩机压缩的高压高温制冷剂气体，首先进入翅片管簇式换热器。布水器从其上部向下均匀布水，吸热后的水落入机壳下的贮水池。同时风机运行，冷风从换热器后面进入，从前面排出，带走冷凝热量。在风的作用下，

10、翅片管簇式换热器表面的水膜雾化蒸发吸热。翅片管簇式换热器中的制冷剂气体在强制空气对流、淋水和水膜蒸发的多重作用下，迅速冷凝成高压液体，高压液体制冷剂通过减压进入冷库，吸热后再变成气体进入压缩机压缩完成制冷循环。1.2试验方法以10t 保鲜冷库为试验监测库（库温上下限设为03），制冷剂为R22（CHF 2Cl ），配置5匹（HP ）压缩机，分别采用风冷、水冷及多效冷凝3种冷凝方式对试验监测库进行制冷降温，选择泰安夏季高温季节（日平均最高气温36左右）为例分析。由于多效冷凝制冷机组的试验研究要求布置的测量点较多，故采用多点数据采集记录仪、计算机与测控系统进行测试数据的采集、存储、处理分析工作。试验

11、中需要测试的物理量主要有：空气的干球温度，压缩机排气温度，压缩机的排气压力，压缩机汽缸盖温度，压缩机油位壳温度，翅片管簇式换热器的温度分布和制冷机组功耗等。1.2.1多效冷凝制冷机组的节能试验方法因风冷机组制冷压缩机排气压力过高，经常出现停机故障，且容易烧坏通风风机，故选择5h 时间段对采用3种不同冷凝方式冷却时试验监测库的耗电量及平均每次降温开机时间进行比较分析。耗电测量：试验监测库用电量（压机、水泵和通风风机等耗电量）的测控采用HB-33000I 智能三相综合电参量监测仪及（3CT ）互感器，其测量精度为0.5%FS。采用RS485传输标准与计算机通讯，配置一台计算机数据采集系统，由MCG

12、S 全中文组态软件支持，组建了一套完整的监测系统，以便实时记录存储试验数据。温度的测量：试验中温度的测量均采用热镀锡膜铜-康铜热电偶（球形裸测头），其测温精度可达±0.0517-18，与LU-R/C2100液晶显示控制无纸记录仪（带U 盘）配套使用19。记录仪能进行多通道数据采集与存储，采集数据为微伏级（µV ）电压信号，通过Excel 的单变量求解转换为温度（）值。数据记录间隔设置为1s ，实时记录监测所测项目温度的微变动态过程。1.2.2多效冷凝制冷机组的安全高效运行试验方法压缩机是制冷系统的心脏，也是制冷剂压缩的动力之源，是整个制冷机组安全高效运行的保障。试验从多效冷

13、与风冷2种冷却方式对压缩机排气压力和排气温度、试验库库温的影响及压缩机高温结构热工特性等方面进行了对比研究。压力测量：试验中压力的测量均采用BPS3238数字压力变送器（420mA ），其测量精度为0.25%FS，与LU-R/C3000液晶显示控制无纸记录仪（带U 盘）配套使用19。记录仪能进行多通道数据采集与存储，采集数据为电流信号（mA ），通过数字压力变送器输出电流与输入压力的特性曲线回归转换为压力（MPa ）值。数据记录间隔设置为1s ，对压缩机的排气压力进行实时监测与记录。数字压力变送器输出电流与输入压力的特性曲线回归：压力变送器是一种将压力变量转换为可传递的标准化输出信号（420m

14、A ）的仪表，其输出信号与压力变量之间有一定的连续函数关系（通常为线性函数）。数学模型为P=a×I+b式中：I 压力变送器输出电流，mA ；P 输入压力第6期刘晓辉等：小型冷库多效冷凝制冷机组的能耗及节能分析105值，MPa ；a ，b 常数。 将观测原始数据输入Origin Pro8.0workbook 表格，以输出电流为横坐标，以输入压力为纵坐标，生成散点图，对分散数据进行回归分析，并计算回归方程与决定系数R 2，通过R 2检验回归的显著性。由图3知，PI 特性曲线线性度很高（R 2=1），表明BPS3238数字压力变送器（420mA ）具有良好的测压特性，可精确测量、放大压力信

15、号，保证现场压力测量 信号准确可靠。 图3压力变送器输出电流与输入压力线性回归曲线Fig.3Linear regression curve of output current and incomingpressure for pressure transformer2结果与分析2.1多效冷凝制冷机组的节能试验效果由图4知，对同一项目试验库，多效冷凝冷却降温其耗电量最小，5h 仅耗电14.56kW ·h ，明显低于水冷及风冷，节能效果显著。尤其与风冷比较，节电达46%以上。 图4不同冷凝方式试验库的耗电量 Fig.4Electricity consumption with differ

16、ent condensing types for fresh-preserved storehouse由图5知，将试验库的库温由3降到0，多效冷凝冷却用时仅0.38h ，降温速度最快，制冷效率高。而风冷冷却用时高达5h ，远远高于多效冷凝冷却降温所需时间，制冷效率低。过长的降温运行时间不仅增加了制冷机组的耗能量，而且会危及设备的安全，设备使用寿命相对缩短。图5不同冷凝方式试验库降温时间Fig.5Cooling time with different condensing types forfresh-preserved storehouse由以上分析可知：多效冷凝制冷机组节能效果显著。多效冷凝

17、制冷机组既保持了风冷机组结构紧凑、制造简单的优点，又复合了水冷换热效果好、蒸发冷却高效的传质传热的优势，避免了风冷受环境影响大及空气传热性能较差的缺陷，排除了水冷及蒸发冷凝制冷装置结构复杂、体积较大、故障率高的问题。它是利用风冷、水冷、蒸发冷却的相互增效来达到更好的冷凝效果。引风错流式强制通风结构、自上而下均匀喷淋水循环冷凝系统强化了盘管内制冷剂的冷凝过程，达到了相变换热的高效蒸发冷凝效果。2.2多效冷凝制冷机组的安全高效运行试验效果2.2.1对压缩机排气压力和排气温度的影响比较图6中排气压力曲线表明：风冷机组降温速度慢，过长的开机时间使压缩机排气压力超高（1.91MPa ）造成故障停机。图6

18、风冷机组工况参数变化曲线Fig.6Changes of working condition parameters of air-cooled unit由图6中库温曲线知：风冷机组开机降温过程中，试验库的库温不是呈稳定下降趋势，而是呈先下降后上106农业工程学报2010年升的趋势，表明风冷机组制冷效率低，不能保证库温稳步下降。 由图7中库温曲线知：多效冷凝制冷机组降温速度快，制冷效率高，开机降温过程中，试验库的库温稳步下降。 图7多效冷凝制冷机组工况参数变化曲线Fig.7Changes of working condition parameters of multi-effectcondense

19、d refrigeration unit 对比图6和图7中的排气压力曲线与排气温度曲线知：开机过程中，多效冷凝制冷机组排气压力最高仅为1.01MPa ，排气温度最高为98.9，而风冷机组的排气压力及排气温度分别高达1.91MPa 和127.69。表明多效冷凝制冷机组大大降低了压缩机的排气压力及排气温度，保证了制冷机组在高温季节（36左右）安全高效运行，进而使设备使用寿命相对延长。2.2.2压缩机高温结构热工特性分析 多效冷凝制冷机组对压缩机的高温结构以水分流的形式进行冷却。由图8和图9知：在相同的时间段内（1h ），多效冷凝制冷机组开机2次，压缩机汽缸盖和油位壳最高温度分别为48.14，36.

20、45；风冷机组开机 图8多效冷凝及风冷对压缩机汽缸盖温度的影响Fig.8Effects of air-cooled and multi-effect condensation oncompressor cylinder headtemperature图9多效冷凝及风冷对压缩机油位壳温度的影响Fig.9Effects of air-cooled and multi-effect condensation oncompressor crust of oil level temperature1次，压缩机汽缸盖和油位壳最高温度分别为82.32，56.68，表明多效冷凝冷却系统大大降低了制冷机组压缩机

21、的工作温度，不仅有效避免了压缩机过热而造成设备损坏的问题，同时也提高了制冷效果。2.2.3翅片管簇式换热器温度场分析翅片管簇式换热器的温度场分布是衡量制冷机组冷却效果的关键因素之一。从图10中可以看出，仅用风冷时，翅片管簇式换热器温度场呈高温度分布，最高达80，最低为45，温度高，温差大。图10风冷时翅片管簇式换热器温度场Fig.10Temperature field of fins-and-tubes heat exchanger inair-cooled从图11中可以看出，多效冷凝时，翅片管簇式换热器温度场呈低温度分布，温度分布均匀，除制冷剂高温进气口外，温度均低于35（室外气温36），温

22、度低，温差小。由图10和图11的对比分析可知：多效冷凝制冷机第6期刘晓辉等：小型冷库多效冷凝制冷机组的能耗及节能分析107组充分利用了翅片管的换热面积，为减少金属耗材、降低制造成本提供了依据。 图11多效冷凝时翅片管簇式换热器温度场Fig.11Temperature field of fins-and-tubes heat exchanger inmulti-effect condensation3结论1）多效冷凝制冷机组将风冷、水冷和蒸发冷却技术相结合，使其集成于一体，相互增效，大大降低了机械制冷的能耗，使制冷机组在高温季节安全高效运行，可用于中小型冷库和相关的空调工程。2）多效冷凝制冷机组

23、制冷效果好，辅助设备少，结构紧凑，用水量少，成本低，节约了冷却用水和省略了复杂的凉水冷却设备。3）多效冷凝制冷机组将10t 保鲜冷库的库温由3降到0，用时仅0.38h ，降温速度快，制冷效率高；机组耗电量小，5h 仅耗电14.56kW ·h ，节能效果显著，比风冷机组节能46%以上；高温季节（36左右）运行压缩机排气压力不超过1.1MPa ，排气温度低于100，制冷效果好，减少了机组设备损耗。4）多效冷凝制冷机组压缩机的高温结构以水分流的形式进行冷却。压缩机工作时，其汽缸盖及油位壳最高温度分别为48.14，36.45，压缩机的工作温度大大降低，有效避免了因压缩机过热而造成设备损坏的问

24、题，提高了制冷效果和安全运行保障。5）多效冷凝制冷机组的翅片管簇式换热器冷凝温度低，温差小，换热效率高，可作为减少金属耗材、降低成本的依据。参考文献1鲁墨森挂机式自动冷库的研制和应用效果J农业工程学报，2005，21(12：7579Lu Mosen. Design of automatic cold storage with wall-hanging refrigeration units and its applicationJ.Transactions of the CSAE, 2005, 21(12:7579. (inChinesewith English abstract 2李喜宏，夏

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26、 and development of portable mini cold storage roomJ.Transactions of the CSAE, 2003, 19(4:245248. (inChinese with English abstract4刘训海，白燚，朱华，等低温试验冷库制冷系统完善试验研究J制冷与空调，2009，9(5：5356Liu Xunhai, Bai Yi, Zhu Hua, et al. Experimental investigation on improvement of refrigeration system for low temperature

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28、ract6郑贤德制冷原理与装置M北京：机械工业出版社，2001：1181217江沿源，钟桂龙风冷、水冷和蒸发式冷凝器制冷系统经济性研究J广东化工，2008，35(10：3134Jiang Yanyuan, Zhong Guilong. Economy research on air-cooled, water-cooled and evaporative condensers refrigeration systemJ.Guangdong Chemical Industry, 2008,35(10:3134. (inChinese with English abstract8Knebel Da

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37、densed refrigeration unit in small cold storage Liu Xiaohui1, Lu Mosen2 , Wang Shuzhen2, Xin Li2, Zhang Qian2, Lu Rong3 (1. School of Agriculture and Food Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China; 2. Shandong Institute of Pomology, Tai 271000, China; an 3. Yi Xin Preservati

38、on Equipment Factory, Tai 271000, China an Abstract: Air-cooled unit is mainly used in small and medium-sized refrigeration storage currently, which still has many problems with higher consumption of energy, inefficiency, longer starting time and failure shutdown due to high compressor exhaust pressure. Multi-effect condensed refrigeration unit combining air-cooled, water-cooled and transpiration-coo