制冷系统的节能设计

2011-10-26河南千年冷冻设备有限公司崔文升

河南科技 2011年18期

河南千年冷冻设备有限公司崔文升

制冷系统的节能设计

河南千年冷冻设备有限公司崔文升

冷库节能是冷藏业管理的核心环节。当前，冷库的制冷系统，每冻结1t白条肉平均耗电为110kW，其中高的耗电指标为每吨180kW，低的耗电指标为每吨70kW；对于冻结物冷藏间，储藏1t冻食品，每天耗电平均为0.4kW，其中高的耗电指标为每天每吨1.4kW，低的耗电指标为每天每吨0.3kW。可见，冷库的能耗存在较大的差别。因此，为了实现节能，对冷库制冷系统进行技术改造是很有必要的。本文，笔者主要从以下几个方面进行阐述。

一、单机机组和并联机组的比较

单机在为负荷比较稳定的冷库及冷库群提供冷源方面是有优势的，单机的电机功率比并联机组的电机功率小，单机的制冷系统比较简单，初期投资成本也比较低。但是，在对负荷变化比较大的冷库特别是冷库群，并联机组的节能优势就比较明显。并联机组根据压力、温度等相关参数和冻品热负荷（或者运行冷库数量的多少）自动控制开停不等数量的压缩机，当冻品热负荷较大时，可以由多台压缩机工作，使冻品在最短时间内降到所需要的温度，当冻品负荷较小时，可以由单台压缩机供冷。表1是单机和并联机组在相同制冷量的冷库系统配置的比较。

表1 单机和并联机组配置对比

二、并联机组和双级配搭的比较

螺杆式压缩机单级有较大的压缩比及宽广的容量范围，适用于高、中、低温各种工况，特别是在低温工况及变工况情况下仍有较高的效率。但是，在低温工况下的较高效率只是相对活塞式等其他类型的制冷压缩机而言的，一般说来，低温工况对单级压缩的螺杆压缩机会产生诸如容积效率下降、性能系数降低、欠压缩、噪声增大、排气温度上升等影响。所以，在蒸发温度低于－30℃时，采用双级配搭比较节能，在蒸发温度高于－30℃时，采用并联机组比较节能。

同时，由于双级配搭并联机组几乎可以以任意容积比进行配组，可以根据不同应用工况的最佳容积比进行选配，确定最佳方案，使系统效率得到提高。此外，可以采用河南千年设备冷冻有限公司的专利技术：根据吸气压力开停高压级压缩机，根据中间压力开停低压级压缩机；根据PLC程序控制，在蒸发温度高于－30℃时，采用并联机组制冷，在蒸发温度低于－30℃时采用双级配搭制冷；在低压级压缩机的吸气管道和高压级压缩机的吸气管道中间加入单向阀和截止阀，使制冷系统在每次开机运行时可以快速通过不节能的高温区（蒸发温度高于-30°C）；在低压级压缩机的排气管道和高压级压缩机的吸气管道的中间加入中间混合桶，并通过电磁阀组严格控制高压级压缩机吸入气体的过热度等方式，同样可以实现系统的节能。

双级压缩循环对单级压缩制冷系统而言，已经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进一步过冷，冷凝器（或者储液器）中出来的制冷剂经过两级过冷后，其温度已降低至-30°C～-10°C，较普遍的双级循环系统，其COP值得到进一步提高。这种改进的双级压缩系统相当于一个准三级压缩系统。

三、变频控制并联机组

研究发现，滑阀调节压缩机在部分负荷时不节能，在满负荷时是节能的，而变速调节压缩机在部分负荷时节能，在满负荷时是不节能的。所以，将滑阀调节螺杆机组和变频调节螺杆机组并联起来，组成并联机组，发挥各自的优点，避免各自的缺点，能更好地实现系统的节能，大概可节能17%以上。在控制方面，当有开机指令时，先开变速调节压缩机。当变速调节压缩机工作到满负荷时，开启滑阀调节压缩机，同时降低变速调节压缩机的转速；当有停机指令时，先降低变速调节压缩机的转速，降到最低转速时，停止滑阀调节压缩机，同时调整变速调节压缩机。

四、多吸气压力制冷系统

并联机组作为冷源，在为不同温度的冷库提供冷量时，由于同一系统的制冷压缩机只能在同一个蒸发温度下运行，所以不同蒸发温度的冷间如果并联运行，相对蒸发温度较高的冷间就处于不节能的运行状态。该冷间热负荷越高就越不节能，应当尽量避免这种情况的出现。氟利昂制冷系统中一机双温冷库的做法，在高温库回气管上加背压阀，在低温库回气管上加单向阀，是人为地提高高温库的蒸发压力以满足实际要求的做法，是不节能的典型做法，不应提倡而宜废止。最好的做法就是在设计联机组时，对不同蒸发温度采用不同的压缩机，然后再将它们并联在机组架上面，组成多吸气压力制冷系统。

五、制冷系统余热回收

余热回收装置的工作原理是制冷机组是能量转换设备，机组将电能转化为热能，能量公式为：Qk=Q0+N，其中，Q0是机组的制冷量，也就是从环境中吸收的热能，Qk为机组冷凝器向环境放出的热量，N是输入电动机的电能。

如果制冷机组不采取热回收装置，则意味着把热气散发到大气或水中去，不但造成能源浪费，而且对环境造成热污染。在制冷量为369.6kW，蒸发温度为-25°C，冷凝温度为+35°C，液体过冷度为+5K，吸气过热为5K，制冷剂质量流量为1 809.5g/s的条件下，当排气温度为92.10°C时，过热气体的焓值为464.39kJ/kg，当冷凝温度为+35°C时，饱和液体的焓值为243.14 kJ/kg，将这部分冷凝热的40%回收用于加热工艺热水，每小时共计节能：（464.39 kJ/kg-243.14 kJ/kg）×1 809.5g/s×3 600s×40%×0.278÷1 000＝160.22kWh。

制冷系统余热回收的热量主要用于制取工艺热水或者生活热水，比如用于冲澡和清洗地面的水等。可根据用户的要求进行设计选择。

六、制冷系统热气融霜

热气融霜是利用制冷系统的压缩机把排出的高温高压的过热蒸汽直接排入冷风机盘管，制冷剂在盘管内冷却、冷凝，集结在冷风机盘管上的霜层吸收制冷剂放出的热量，从而达到融霜的目的。

如图1所示，采用四管制逆流融霜方式，热气从热气集管经过截止阀、电磁阀，在等水盘和冷风机中实现融霜后，液体通过单向阀、电磁阀和截止阀回到排液集管，排液集管的液体再排到储液器里面。由于融霜排液直接排到储液器，然后参与制冷循环，对于制冷系统来说，没有浪费额外的能源来实现融霜，所以该系统是节能的。

以某大型冷库项目为例，该项目冷库净面积8 500m2，库高5.3m，有低温冷库10间，高温冷库24间，其中仅低温冷库电化霜每年消耗的电费高达25万多度，如果采用热气融霜的方案，这个消耗就可以基本避免。热气融霜的方案初期投资成本较高，但是在设备运行两年后，可基本将成本收回。

七、制冷系统控制程序的设计

以往库房以温度调节为主，对蒸发温度往往不作调节，很难达到较好的节能效果。在某一运行状态下如果蒸发温度能以库房热负荷以及制冷系统制冷量为参数进行调节，则既能达到节能的目的还能使能量调节更为合理。一般而言，制冷系统蒸发器和制冷压缩机的配备基本都能满足最高负荷的需要。如果冷间热负荷减少而制冷量不能及时作出相应调节，则制冷系统的蒸发温度将会相应降低，使压缩机的制冷量与热负荷达到一个新的平衡点。而蒸发温度的降低反过来却增加了蒸发器的制冷量，面对已减少的热负荷必然形成频繁启停的后果。蒸发温度每变化1°C，相应增减电能约3%～5%。如果及时调高蒸发温度，使系统在另一个理想的平衡点上，则不但避免了浪费、做到了节能，还减少了制冷压缩机的频繁启动，是一举两得的节能措施。