小型蚕种冷库制冷系统设计实例

张 静 任 阔 潘茂华

(河南省蚕业科学研究院 郑州 450008)

蚕种冷库与其它类型的冷库相比，有其自身的特殊性：一是蚕种冷库属于高温冷藏库，蚕卵不同发育阶段对冷库的温度要求有所不同，温度的上下浮动一般要控制在1℃范围内；二是选择氨作为制冷剂，盐水作为载冷剂，必须采用间接冷却方式；三是冷藏的目的和作用不同，果蔬和肉食品冷库重点在于如何保鲜保质，而蚕种冷库重点是控制蚕卵的发育进程以保证不同养蚕季节的蚕种需求。河南省蚕业科学研究院下辖一个蚕种场，2013年蚕种场对蚕种冷库进行了升级改造，采用氨活塞式单级制冷压缩机和以盐水为载冷剂的中间冷却方式冷藏蚕种，冷库投入使用后满足了本省蚕种生产的需要。

1 蚕种冷库氨制冷系统的特点

氨制冷剂的优点在于氨气能溶解于水，泄露时易被发现。氨气的正常蒸发温度低，冷凝压力和蒸发压力适中，单位容积制冷量大，热导率和气化率大，节流损失小，成本低廉。蚕种冷库的温度范围一般在2～5 ℃，属于高温冷藏库，冷负荷比较小，采用单级活塞式压缩机即可满足使用要求。氨有毒性，气味对人体刺激性较强，与空气混合达到一定比例后有燃烧和爆炸的危险。因此，在氨制冷系统中应设置紧急泄氨器，确保在发生意外事故(如火灾等)时，能够将整个系统中的氨液泄入下水道，以防制冷设备爆炸及氨液外逸，从而保证设备和人身安全。

氨制冷机房一般设置有氨气体浓度报警装置，当空气中氨气浓度达到100 μg/mL或150 μg/mL时，能自动发出报警信号，并自动开启冷机房内的事故排风机。氨气浓度传感器安装在氨制冷机组及贮氨容器上方的机房顶板上。

2 蚕种冷库氨制冷系统主要工作参数

冷凝温度和蒸发温度是制冷压缩机的主要工作参数。氨制冷压缩机的产冷量同蒸发温度和冷凝温度有密切关系，蒸发温度越高，冷凝温度越低，产冷量越大。

1)冷凝温度：一般冷凝温度不超过40 ℃。

2)蒸发温度：一般范围为-5～-15 ℃。最高不超过5 ℃。

3)压缩机吸气温度：活塞式单级制冷压缩机的吸气温度一般范围为-10～1℃。最高不能超过10℃。

4)压缩机排气温度：排气温度取决于制冷剂的蒸发压力、冷凝压力以及吸入气体的干度和缸套冷却介质温度。它与排气压力和吸入压力成正比，与吸气温度、过热度也成正比。以氨压缩机为例，单级压缩排气温度应小于150 ℃，正常运行时排气温度范围在100～130 ℃。

3 河南省蚕种冷库氨制冷系统的设计

3.1 冷库库容面积

以河南省蚕业科学研究院蚕种场冷库为例,蚕种冷库库容面积如图1所示。

图1 300 m2蚕种冷库库容设计

初步设计面积为300 m2。其中，四间冷藏库计120 m2，设计尺寸分别为6 m×6 m、6 m×6 m、6 m×4 m、6 m×4 m；两个外库面积计40 m2，设计尺寸分别为12 m×2 m、8 m×2 m；机房84 m2；值班室42 m2；走廊14 m2。每年预计冷藏蚕种3万张。

3.2 冷库冷却方式

蚕种冷库设计采用盐水作为载冷剂，盐水池蓄冷后再向库房输送冷量，如图2所示。

图2 蚕种冷库冷却方式示意图

3.3 蚕种冷库冷负荷估算

3.3.1 库容量

库容量(冷藏吨位)计算公式：

冷藏吨位(G)=库房净面积(A)× 库房净高(H)×蚕种计算密度(ρ)×容积利用系数(η)÷1000

式中，ρ=600 kg/m3；η=0.3。

由此得出，1、2、3、4号库冷藏吨位分别为22.68 t、22.68 t、15.12 t、15.12 t，合计75.6 t。

3.3.2 机械负荷

冷库机械负荷计算公式：机械负荷(Q)=冷藏吨位(G)×系数

100 t以下冷库的单位机械负荷(系数)为230 W/t，由此得出冷库机械负荷为17 388 W。

3.3.3 冷凝温度

冷凝温度的计算公式：T=(T1+T2)/2+Δt

T1代表冷凝器冷却水进口温度(T1=30 ℃)，T2代表冷凝器冷却水出口温度(T2=32 ℃)，采用立式冷凝器，Δt=4，由此得出冷凝温度为35 ℃。

3.3.4 蒸发温度

氨活塞式压缩机吸气温度-7 ℃，参照表1数据确定蒸发温度为-10 ℃。

表1 氨压缩机蒸发温度与吸气温度参考表

3.3.5 压缩机理论输气量计算

压缩机理论输气量的计算公式：

理论输气量(Vp)=机械负荷(Q)×3.6÷单位容积制冷量(qv)÷输气系数(λ)

式中，功率换算系数为3.6(1W=3.6 kJ/h)，压缩机单位容积制冷量为2 588.2 kJ/ m3(见表2),压缩机输气系数为0.74。

表2 氨单级制冷压缩机单位容积制冷量qv参考表

由此得出，氨活塞式单级制冷压缩机的理论输气量为32.68 m3/h。

根据相关专家建议，最终选择了大连冰山冷冻机厂生产的6AW10型活塞式制冷压缩机，它的理论输气量为190.2 m3/h， 符合本院蚕种冷库的设计要求(理论输气量≥32.68 m3/h)。

3.4 冷库库房保温设计

冷库墙体、屋顶均采用厚150 mm金属聚氨酯夹芯板作保温材料。它是在两层金属薄板之间填充聚氨酯泡沫制成，密封、防水、阻燃、防潮效果优于其他保温材料。

3.5 冷库线路设计

为冷库机房、配电室及库房内部的排气扇、照明灯具布线时，对穿墙电缆线路用镀锌钢管作保护管，而排气扇和照明灯的一般线路穿PVC管作防护。

3.6 冷库照明光源设计

冷库库内湿度大，而且每年都要进行消毒操作，因此每间库房均采用防水、防尘、防虫的25 W LED灯作为照明光源，防护等级达到IP65，节能环保寿命长且使用安全。

3.7 冷库通风换气及防鼠害设计

每间库房均设计安装日本三菱MITSUBISHI 200 W排气扇，主要用于库房消毒后的通风排湿，祛除异味。为防止排气扇通风换气时有鼠类从风扇间隙处钻入，在每间库房排气扇的内墙位置，贴墙安装一层75cm×75cm内嵌钢丝网木质框架推拉式结构，防止鼠类进入库房危害蚕种。

3.8 库房其它特色设计

外库库门上部安装一台贯流式风幕机，当库门打开时风机工作，在库内与库外之间形成一堵风幕气流墙，具有隔热、防虫、防尘等功能，既能保证库温的稳定，又能阻挡外部飞虫及灰尘。

4 蚕种冷库的运营情况

蚕种冷库于2014年投入生产，至2020年底已安全运营7 年，年冷藏蚕种2万余张，累计冷藏蚕种18万余张，出库蚕种其孵化率可达到98%以上。蚕种冷库300 m2的面积、75.6 t的库容量和采用氨活塞式单级压缩机制冷系统，冷机制冷效率、库房温度等各项设计均能够满足使用要求，小型冷库发挥了不小的作用，为河南省蚕桑生产的发展奠定了坚实基础。