单机双级螺杆压缩机在舰艇食品供应站冷冻调理食品生产线中的应用研究

李　丹，李中华，仇顺海



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单机双级螺杆压缩机在舰艇食品供应站冷冻调理食品生产线中的应用研究

李丹，李中华，仇顺海

目的研究速冻装置、制冷压缩机及速冻温度、冻结速度、节能等因素，以确保冷冻调理食品的速冻品质。方法对单级螺杆式压缩机与单机双级压缩机各自的应用范围及性能进行比较，并选型。结果在R22与R404A制冷系统中，蒸发温度低于-30 ℃时单机双级螺杆式压缩机组在速冻食品制冷系统中的制冷量、制冷效果有着明显的节能优势。结论单机双级螺杆式压缩机组在海军舰艇食品保障冷链中有广泛的应用前景。

单机双级压缩机；螺杆压缩机；冷冻调理食品；节能

1　概况

冷冻调理食品生产线中速冻装置关键技术是如何设计和选择制冷压缩机。压缩机吸入从蒸发器出来的低压制冷剂气体，将其压缩为高温高压气体。压缩机的选择是整个速冻制冷系统最重要的环节之一。活塞压缩机的使用具有悠久的历史，但是，一般冷量较低(小于62.5 kW)。活塞压缩机因具有较多的运动部件，维护要求高。螺杆式压缩机具有较大的冷量(12.5～125 kW)，螺杆式压缩机的润滑系统要求较高，必须得到足够的润滑，以保证螺杆的密封效果[1]。

“冷冻调理食品”是指农产、畜禽、水产品等为主要原料，经前处理及配制加工后，采用速冻工艺，并在冻结状态下(产品中心温度在-18 ℃以下)储存、运输和销售的包装食品[2]。

目前，装备舰艇部队的冷冻调理食品。食品原料经预处理加工成菜肴，快速冷却后装入尼龙-聚丙烯复合袋热合密封，再经-45 ℃以下温度速冻，移入-18 ℃冷冻库贮藏。烹制后的食品经过-45 ℃以上低温速冻处理，使食品尽快通过-1～-5 ℃的最大冰晶生成带和0～4 ℃的淀粉老化温度带，在45 min内使食品中心温度达到-18 ℃，避免在细胞之间生成最大的冰晶体，减少细胞内水分外泄，解冻时汁液流失少；既能最大限度地保持食品本身的色泽风味及营养成分，又能有效地抑制微生物的活动，保证食用安全；其品质优于罐头食品，但贮藏和运输条件相对较高。

在欧美和日本等发达国家，为了提高冻结食品的质量，多趋向于采用-25～-30 ℃的冷冻温度。因为食品冻结后的贮藏温度越低，食品的稳定性越好，贮藏周期越长[3]〕，如图1所示。但是冻结温度的降低将对冷冻系统，特别是对制冷压缩机的可靠性及效率提出更高的要求，如选用活塞式单机双级并联机组，则会产生压缩机台数多，操作管理不便，且成本高等问题，选用开启式氨机单机双级螺杆，工期长，维护成本、使用成本高及安全性差。

图1　食品储藏期与储藏温度关系曲线

中小容量的速冻装置的传统设计一直以来是采用单级或两级往复式压缩机。但是，在低圆周速度下具有最佳转子型面的螺杆式压缩机发展，对在速冻装置中选用螺杆式压缩机提供了很有价值的参考[4]。

2　多级压缩应用的必要性

为保证冷冻调理食品的质量，关键在于提高食品的冻结速度，同时在储藏和运输过程中控制速冻食品的温升，因为较大温度波动会导致冰晶的生长，细小的冰晶不断长大，直到破坏食品的组织结构，以至于使速冻食品的优点逐渐的消失。在速冻食品的冻结和储藏过程中，需要制冷设备达到-50～-60 ℃的蒸发温度，而单级压缩制冷机只能获得-20～-40 ℃的温度，只能满足普通食品的冷藏和冷冻。速冻食品的生产必须采用多级压缩制冷机，其中应用最多的是两级压缩制冷机。若选用单级半封闭螺杆压缩机组配经济器的并联机型，当蒸发温度低于-40 ℃ 时，由于机器本身结构特点，能效比较低。在这些低温应用场合，采用半封闭单机双级螺杆压缩机组或配组双级螺杆并联机组将是节能、成本低的最合适的方案。

螺杆单机双级压缩制冷循环每级压比减小，泄漏少、绝热损失少；容积效率高，制冷量大；中冷器过冷，从而使制冷量增加，制冷系数提高；转子轴承受力小，使用寿命长；绝热效率高，电机功率省、节能、易于实现自动化控制，是一种高效的具有国际先进水平的制冷循环方案。

单机双级螺杆机组的结构十分紧凑；低压级和高压级共用1台电机，有较高的运转效率，所以节能；并联单机双级螺杆机组可以采用多台压缩机交替运转，机组的寿命也得到延长。另外，机组所配置的极好的润滑油监测和分配系统保证了系统运转的高度安全性。除此之外还可利用回收废热产生热水、热氟融霜，同时也提高了整个制冷系统的效率。

单机双级螺杆机组蒸发温度范围R22：-30～-60 ℃(R404A：-65 ℃)；制冷量范围:63～756 kW(±40 ℃)；特点:噪音低、震动小、抗液击能力强；油路简单(压差供油、开机仅用一台预润滑油泵)；操作方便，自动化程度高，机组采用PLC触摸屏控制或并联机组专用自动控制器，可直接与各种冷风机、钢(铝)排管、壳管式蒸发器或其他类型蒸发器匹配组成完整的制冷系统。其不足是高、低压级容积比偏小，尤其在蒸发温度低于-40 ℃时与最佳容积比有一定偏差。

单机双级螺杆压缩机因在单台压缩机内实现两级压缩，进一步延伸了螺杆压缩机的低温应用范围。制冷循环方式一般为两级压缩一级节流中间不完全冷却循环。因为中间完全冷却循环的中间冷却器体积较庞大，不适合机组配置，所以机组带一台中间不完全冷却的中间冷却器(一般为板式热交换器为宜)，无论对R22、R404A或是其他制冷剂，均采用中间不完全冷却的循环方式。

3　单级、双级螺杆压缩机的选择比較

实际上，单级与双级在压缩过程不会依等熵行程进行，当高压缩比时，其容积效率降低，质量流量减少，使制冷性能系数(COP)值大幅度地下降。对螺杆机而言，当蒸发温度长期小于等于-30 ℃时，并不是所有情况都需要采用双级压缩，当所需制冷量较小时，可采用单台带经济器螺杆式制冷机组以简化系统。仅在蒸发温度低于-30 ℃的情况下，宜采用双级系统；温度要求更低时，特别在蒸发温度在-40 ℃的条件下，双级系统的节能优势十分明显[5-6]。

4　单机双级螺杆压缩机在冷冻调理食品生产线中的应用

舰艇食品供应站冷冻调理食品生产线中SDL系列低温半封闭单机双级螺杆压缩机，相对于带经济器的单级半封闭螺杆压缩机的节能优势明显。

4.1单机双级螺杆压缩机系统应用特点适用于低温工况(蒸发温度：-30～-65 ℃)，可并联使用，最多可达6并联，满足大冷量需求；系统应用简单，节约投资成本；比单级低温螺杆压缩机节能30%以上，节约使用成本。

4.2螺杆双级与带经济器循环的性能对比在冷凝温度40 ℃的工况下， “比泽尔”HSN8571-125(125 HP)半封闭螺杆单级压缩机，为带经济器的压缩机，与“复盛”SDL330B(75HP)半封闭单机双级螺杆压缩机相比，R404A效率比单机带经济器压缩机组提高49%；R22效率比单机带经济器压缩机组提高30.8%(制冷系数=制冷量/轴功率)。

5　冷冻调理食品生产线采用半封闭单机双级螺杆压缩机设计方案

5.1工程概况以某舰艇食品供应站冷冻调理食品生产线速冻装置制冷方案的设计思路为例，该项目用冷要求为：蒸发温度为-42 ℃、冷凝温度为+35 ℃(蒸发冷)，需冷量为340 kW。

5.2设计方案根据生产工艺提供的用冷温度要求以及低温多机单级并联方案特点，该制冷系统应采用螺杆单机双级压缩制冷循环装置，制冷剂选择R22。

5.3综合分析螺杆单机双级压缩制冷循环方案同带经济器螺杆压缩机制冷循环方案相比，运行成本降低15%～20%，投资减少，制冷系数提高，减少附属设备台数及相应的自控元件、阀门，有利于压缩机的通用性，系统工作的稳定性及相对节能效果。

任何一种制冷方案都不可能尽善尽美。工程考虑中要因地制宜，既要考虑冷冻设备的初投资、运行费用等经济性问题，也要考虑冷冻设备的噪声、振动、运行、操作、维护管理等技术性能问题，与工程整体及周围环境相协调；既要考虑当前投资效益，也要考虑长远利益，合理的选择制冷方案。

通过再三综合考虑，用户最终选择方案一，并经调试运行，发现系统运行稳定，节能效果明显。

6　结论

随着我国食品冷藏产业链快速发展以及节能减排意识的提高，单机双级螺杆压缩机以其突出的节能优势将在我国食品冷藏产业链中扮演越来越重的角色，具有广阔的市场前景。

[1]Sherri DC，周水洪.易腐食品冷链百科全书[M].上海：东华大学出版社，2009：75.

[2]隋继学.食品冷藏与速冻技术[M].北京：化学工业出版社，2007：155.

[3]隋继学，张一鸣，孙向阳.速冻食品生产技术[M].北京：中国科学技术出版社，2012：14-19.

[4]吴宝志.螺杆式制冷压缩机[M].北京:机械工业出版社，1985：4-35，123-129.

[5]缪道平，吴业正.制冷压缩机[M].北京:机械工业出版社，1985：123-129.

[6]吴业正.制冷原理与设备[M].3版，西安：西安交通大学出版社，2014：28-32.

(本文编辑：林永丽)

Research on application of double-stage refrigeration screw compressor in the frozen food production line of the navy supply depot

LiDan,LiZhonghua,QiuShunhai

(NavalMedicalResearchInstitute,Shanghai200433,China)

ObjectiveTo ensure the freezing quality of prepared frozen foods through the access of research on the effects of such influential factors as the refrigeration compressor, the quick-freeze temperature, freezing rate, energy conservation etc.Methods The application and performance of single-stage screw compressor and the double-stage screw compressor were compared in order to choose the proper product type.ResultsThe double-stage screw compressor used in the R22 and R404A refrigeration systems had the obvious advantages of better refrigeration capacity, improved refrigeration efficiency and energy conservation, when evaporation temperature was below -30℃.ConclusionThe double-stage screw compressor had wide application in the naval refrigerated food supply chain for naval vessels.

Single refrigeration compressor; Screw compressor; Prepared frozen foods; Energy conservation

单位]200433上海，海军医学研究所

李中华，电子信箱：13030734@qq.com

R821.6

A

10.3969/j.issn.1009-0754.2016.04.030

2015-04-03)