冷冻食品企业制冷设备节能技术研究

刘德雄

上海美乐柯冷链设备有限公司（上海 201802）

冷冻是一种利用接近或低于0 ℃的低温来处理食物，以改善其产品的加工和储存特性。随着人民的物质生活水平提高，人民的物质生活也变得更加美好，对于食材的需求量也在不断增加。食材的新鲜程度也是人们选择食物的标准，用冷冻来解决食物的问题，已进入千家万户。为保证食物的鲜味，各企业都建立冷冻室储存新加工的食物，以此来占领市场。但由于一些制冷设备的功能并不完善，其能量消耗较大，因此对冷冻食品企业制冷设备节能技术研究进行探索。

1 冷冻食品企业制冷设备节能的必要性

冷冻技术在食物中得到广泛的运用。2021年以来，冰冻食物的销量增长近60%。冷冻技术之所以能够如此迅速地发展，就是因为它有许多优点，可以让食物长期保存，不会变质，在需要时可以随时取用，方便安全。利用冷冻技术保存的食品也不会因为季节的原因而受损，通过冰冻技术，可以在任何时候都能享用食材。

冷冻食品企业的发展需要依靠电动机和压缩机来完成。从2020年起，目前90%的电能都是用燃煤火力发电，因此对环境的影响比较大。一般情况下，冷冻食品行业的制冷设备能耗在整个行业中占有相当大的比例。每年用于生产的制冷机械装置的额定电力消耗相当于建立一座中小型电站。不过，由于制冷系统的消耗很大，所以节能空间也是很大。制冷系统可从四方面进行节能。一是制冷机械自身的具有节能特点，包括制冷压缩机、冷风机、冷凝器等，其制冷效果最佳。二是从制冷系统的角度来看，可以更好实现节能级别的提升。采用自动化技术实现智能化的控制，代替人工来实现节约能源，如由某企业开发的采用IEMC智能自控系统，与实际应用相结合，可节约10%的能源。三是低温速冻，从单级带经济型螺杆机组，转变为单机双极或双极配打系统，可节约15%~20%的能源。四是利用工业余热对环保和节约能源的效果更为明显。制冷是一种传导热量，一般都是将设备的温度散发到大气中，但是在工厂里需要大量的热水，所以冰轮通过应用工业热泵，可将温度提高到更高水平。它还能在低温条件下产生超过75 ℃的热水，用于冬季取暖、锅炉供水、设备消毒等，从而节约资源，降低污染，相比较而言，可节约30%以上的成本[1]。

2 冷冻食品企业制冷设备的类型

制冷设备，是一种用于冷冻食材、冷冻货物等的一种设备。它由压缩机、膨胀阀、蒸发器、冷凝器和配件、管路组成。按照工作原理，可划分为压缩制冷设备、吸收制冷设备、蒸汽喷射制冷设备、热泵制冷设备、电热制冷器等。在冷冻设备中，最常用的是压缩式冷冻设备。按照设备运转周期，将物体和周围的热除去，使其维持在特定温度下。

通常常见的制冷设备可分为2种。一种是直接冷却，直接冷却就是将制冷机的蒸发器安装在制冷装置的箱体或者建筑物内，然后利用制冷剂蒸发冷却的空气，来使物体降温。这种冷却方式具有较高的制冷速度、较小的传热温差和较简单的系统，因而得到普遍应用。另一种是间接冷却，它主要利用制冷机蒸发器中的制冷剂进行蒸发，以使载冷剂进行冷却，将其注入到制冷装置的箱体或建筑物内，利用换热器来进行空气冷却。这种制冷方式有利于保持冷冻物的稳定，并且在制冷剂泄露时不易被沾染，并且自动化程度高，可通过电脑进行遥控。但是，这一方式有一个缺点，即制冷效率很低，而且它的总换热量差很大，而且它的软件也很复杂。所以仅用于小型冷库，并有严格的规定。2种制冷方式各自有其优劣之处，且各自具有其存在的意义。制冷设备是制冷机的核心，是将具有相对低温的物体的热能转化为周围的介质，以获得冷量的机器。常用的制冷设备有压缩型制冷机、吸收型制冷机、蒸汽喷射型制冷机、半导体材质制冷机等[2]。

3 冷冻食品企业制冷设备节能技术措施

食物冷加工包括冷冻和冷藏。冷冻是把食品的温度降到一定程度，而冷藏就是把冻好的食品放到温度较低的地方。冷冻分为冷却和冻结2种，冷却是指将食品进行低温处理，而冷结则是将食品进行冰冻，或者低于食物汁液的冻结点。根据不同的冻结方式，冻结分为快速冻结和普通冻结，冻结和快速冻结可以保证食物的质量，提高食品的易用性。冷藏可分为冷却食品（高温冷藏）和冻结食品（低温冷藏）。一般来说，冷冻的食物冻结越短，储存时间越长。近年来，虽然在食品冷冻方面的基础理论进展较慢，但是由于工程技术的发展，许多新技术被用于食品冷冻领域[3]。

3.1 制冷装置设计中的节能措施

确定被冷冻食品的温度和冷却方式是符合规定的。从节能角度，以保护环境和能源为原则，冷却食品的温度要符合设计要求，并且根据实际情况，选用最高效的冷却方式，以保证能量消耗不会太高，以此达到节能目的。

在选择合适的制冷机设备中，特别是在制冷机的压缩机和换热器中，起着重要作用。选择的制冷压缩机容量一定要和制冷器的冷量负载（在计算冷量损耗的情况下）相符，避免造成能量损耗。为了保证制冷系统稳定性和便于控制系统的统一管理，对于多间温度接近的冷库，可采用多台压缩机并联形式，以保证在运转中能合理调配，或者使用带有具有能量调节机构的压缩机。制冷压缩机包括活塞式、滚动转子式、涡旋式、螺杆式等，压缩机的形式较多，很难从绝热效率的大小来判断选择什么样的压缩机，要结合各厂家压缩机资料提供的能效比、冷库负荷大小、制冷机的前期投入资金等因素来选择，从而达到预期的能效比和性价比。在制冷换热器中，选择最主要的是冷凝器和蒸发器（对于复叠式制冷机则还有冷凝蒸发器）。在选择此类型的换热器时，为了节能，应采用相对较低的传热温差和制冷剂流动阻力，以达到绿色和节约能源的目的。为减少传热温差，要根据实际情况是否增加传热面面积，否则盲目增加传热面面积会加大初始投资和成本。因此，必须采用加强传热的方式。然而，加强传热通常会增加冷却液流动压力或增加水泵、风扇的动力，因此需要通过技术和经济性的方法来寻求最优的解决办法。

制冷设备的控制系统中也包含对节能具有影响的制冷剂在管道中的流动阻力和制冷设备、管道的绝热。因此，设备和管道越厚的绝热性能对节能越有利，但也会增加初期工程的投入，因此必须采用技术经济方法确定绝热层的最经济厚度[4]。

3.2 高压食品冷冻技术

高压食品冷冻技术是通过改变压力控制食物中水分的相变行为，使食物在200~400 MPa的高压下达到一定温度，这时水仍然没有冻结，迅速解除压力，由于食物的每一个部分都有相同的过冷度，所以水分无法聚集在一起形成固体状的冰晶，只能形成细小的颗粒状的冰晶，平均分散在食物中。这些分散在各处的冰晶会引起食物中剩余的水分形成细小的冰晶，从而减少由于冰晶体积过大而对食物结构造成的损伤，从而改善所制备的冷冻产品的质量。

另外，由于在特定的高压下，食物表面和食物中的微生物会发生形态结构、酶活性和生物化学反应。遗传物质稳定性以及细胞质膜完整性等多方面发生变化，会对食物中的微生物的活力具有很大的限制作用，所以采用高压冷冻技术生产的食物，可以更好保存。结果表明，在100 MPa加压下，大多数细菌都可以停止繁殖，从而实现对食物的低温冻结。因此，采用高压法处理食物时，应当适度放宽其储存的流通温度，从而大幅降低由于维持低温所带来的成本，具有诸多的技术经济优势。同时，这一技术的发展使得未冷冻干燥条件下的食物品质比传统冷冻保存更好。

3.3 制冷剂的选择与高效压缩机的研制和使用

在中大型冷冻室中，制冷剂大量采用循环再用的方式来实现制冷机的冷却，因此，选用最合适的制冷剂是推动制冷系统的节能、环保和提高技术的优化程度。为此，应该按照不同的实际状况选择不同的制冷剂。如为保证冷链过程中的制冷低温维持在-22℃，R404A制冷剂的排气压力约是R22的1.2倍，质量流量为R22的1.5倍左右，排气流速的增加会使阻力增大。通常来说，冷凝器的换热容量要比R22增大20%~30%。在相同温度下，R404A和R22有着不同的饱和压力，因此，R404A热力膨胀阀的动作机构与R22不同。同时由于R404A制冷剂及润滑油对密封材料相溶性不同，膨胀阀密封材料也要进行相应变更。所以，在热力膨胀阀的选择上要选用R404A专用膨胀阀。同时氨在需求较小时，能够得到更好的制冷效果（氨制冷剂的制冷系数高），从而实现更好的节能结果。此时，如果使用具有相对低的制冷剂，就需要增加压缩机的功率，以达到冷冻的目的，但能量的消耗就会更大[5]。

选择合适的制冷剂后，是将压缩机的系统进行升级。在压缩式制冷系统中，压缩机是最关键的部分。冷冻的温度与压缩机的工作压力及冷凝的压力有关。在过去的十几年里，大部分的制冷机都是活塞的，这种压缩机在工作中的效率很差。因此，近几年很多厂家通过智能控制器对螺杆式压缩机无级调节，或者利用变频技术对螺杆式压缩机能量调节，这2种方式都为了跟所需冷量相应，避免压缩机的工作压力不稳定。

4 冷冻食品企业制冷设备节能发展

一是企业开发NH3/CO2复叠制冷技术，减少氨的注入，提高系统本身的安全性能。同时加强公司员工的安全意识，使其在主机房、仓库选址，机械设备选型，管道安装要重视，重视设备的维护保养，聘请更高质量的设备操作员。将公司的安全工作做到位，不可以马虎，而节约能源是公司发展的必要条件，可以确保公司的正常运转，使制冷设备更加安全和高效。但是节约能源不是一种手段，它应当包含许多要素，并且需要从系统各个方面来看，按照系统各种配置的最优参数，再加上IEMC的智能监控系统（该系统采用图像处理、模式识别、计算机视觉等技术，在监测中加入智能化的影像解析功能，利用计算机的强大运算功能，将图像中的无用信息剔除出来，自动识别出不同的目标，并对影像中的重要信息进行解析、提取，从而迅速、精确的确定事故发生地点，并对监视器中的异象进行判定）、RDS主动安全防御系统（该系统可以保证互联网信息的安全性方面，使网络安全体系发挥着重要的功能）、氨全热回收系统等措施，逐步优化系统，让客户得到最大的系统实用价值。随着现代信息化技术的迅速发展，采用计算机代替人工进行设备故障分析，以保证设备的安全性和经济性。

二是提高员工的基本素质。员工必须按照说明书在产品自动化流水线上操作制冷装置。对有需求的岗位，制定员工的工作训练方案，通过考试后，方可上岗。建立岗位协调制度，当发现冷冻设施运行不正常，能量消耗不正常时，员工必须立刻制定紧急计划，上报有关单位，对冷冻设施和系统进行维修，有利于延长制冷装置的寿命，提高运行的能源和高效。

三是建立一个系统节能分析评估体系。为确保各制冷系统的效率持续提高，必须建立相关的系统节能分析与评估体系，以便随时监控、及时反映该体系的能源情况。所以，相关评估体系应涵盖5个方面：制冷系统及其所属系统的技术进步评估，包括制冷技术、环境保护特性、系统结构、集成高率，调节控制力等多个层面；对有节能等级进行检测、评价；对制冷装置及其所属的节能改造方案进行合理性预测，并进行实际节能效果预测；开展对制冷设施及其相关系统节能改造的具体措施的分析和评估；针对制冷设备及相关的系统的改造，相关的系统的能效状况进行检查、分析和评价[6]。

5 结语

全球各大发达国家对冷冻食物的需求无法估计，我国的冷冻行业正在快速发展，前景广阔，一些公司已成为国际知名企业，但是大部分企业都存在着严重的设备老化和能源消耗问题，急需得到有效的处理。而在食品行业中，首先要从制冷装置自身的节约能源入手，包括制冷压缩机、冷风机、冷凝器等，选择制冷效率高的制冷装置，其次可以从制冷系统的角度改善能源消耗，比如采用自动技术进行智能化控制，代替人工进行能源节约。另外，尽量充分利用工业废热，可以极大地提高能源节约的实用效益，使冷冻食品企业制冷设备节能技术得到提升。