冷冻冷藏一体机研究的现状及展望

【摘 要】本文主要介绍了冷冻冷藏一体机的冷库制冷系统及分类，并且对氨机和氟机、全封闭活塞式制冷压缩机与半封闭活塞式制冷压缩机、并联机组与单机机组从经济、安全、智能等几个方面做出比较，最后对一体机的提出一些节能改进措施及建议，从整体上对冷冻冷藏一体机技术进行了研究和展望，与广大同行共同探索和进步。

【关键词】冷冻冷藏；压缩机；节能

0.引言

近年来，随着国民经济的飞速发展，越来越多中、小型冷藏库投入使用。冷冻冷藏一体机在能耗、安全、经济等放愈来愈不能满足社会的需要。面对不可再生能源资源的日益消耗，安全可靠、经济环保、节能减排己成为科技发展的必然路线。而冷冻冷藏是整个系统耗电最大的部分，因此研究它的节能技术显得尤其重要。本文的研究将为将来冷冻冷藏一体机的发展设计、运行管理提供参考。

1.冷库的制冷系统

1.1按循环方式分

制冷系统按照循环方式可以分为单级蒸气压缩式制冷循环和双级蒸气压缩式制冷循环。在实际如何选择循环方式中，需要考虑压缩比、冷凝压力和蒸发压力等因素。

1.1.1单级蒸气压缩式制冷循环

图1 单级蒸气压缩式制冷循环流程示意图

单级蒸气压缩式制冷循环的建立基于以下假设（引用自第八届全国食品冷藏链大会论文集）：

（1）压缩过程为等熵过程，即在压缩过程中不存在任何不可逆损失。

（2）在冷凝器和蒸发器中，制冷剂的冷凝温度等于冷却介质的温度，蒸发温度等于被冷却介质的温度，且冷凝温度和蒸发温度都是定值。

（3）离开蒸发器和进入压缩机的制冷剂蒸气为蒸发压力下的饱和蒸气，离开冷凝器和进入膨胀阀的液体为冷凝压力下的饱和液体。

（4）制冷剂在管道内流动时，没有流动阻力损失，忽略动能变化，除了蒸发器和冷凝器内的管子外，制冷剂与管外介质之间没有热交换。

1.1.2双级蒸气压缩式制冷循环

双级蒸气压缩式制冷循环的建立的特点如下（引用自第八届全国食品冷藏链大会论文集）：

（1）采用双级压缩制冷循环，可使每一级的压力比降低，减少活塞式制冷压缩机的余隙容积的影响，减少制冷剂蒸气与汽缸壁之间的热交换，减少制冷剂在压缩过程中的内部泄露损失，提高制冷压缩机的输气系数，提高实际输气量。

（2）每一级压力比的降低，可以提高每一级制冷压缩机的指示效率，减少实际压缩过程中的不可逆损失。

（3）每一级压力比的降低同样也降低了每一级制冷压缩机的压力差，使得制冷压缩机运行的平衡性提高，机械摩擦损失减小。

1.2按冷却方式分

制冷系统按照冷却方式可以分为直接冷却系统和间接冷却系统。

直接冷却系统是指通过制冷剂的蒸发吸热来冷却物体，直接冷却系统根据蒸发器供液的动力不同，可以分为直接膨胀供液、重力供液和气泵供液这么几种。目前市场上主要应用的是直接膨胀供液，这种供液方式具有以下优点：

（1）利用高压液体的能量，减少了无功损耗，除压缩机外不再消耗其他动力。

（2）可利用一台压缩机担负几个蒸发温度。

（3）冷库设备少、系统简单、制冷剂充注量少，冷库报价低，一次性投资低于其他系统。

间接冷却系统是指通过第三种介质，将需要冷却的物体的热量传给第三种物质然后再传递给制冷剂。例如，盐水制冰广泛应用于冷库，特别是水产冷库中。间接冷却系统的优点如下：

（1）温差相对较小，冷库内的相对湿度比较稳定，保证冷库内的质量。

（2）第三种介质的热容量大，可以减少冷库内冷风机的面积。

（3）如果制冷系统发生泄漏，由于通过第三方介质，不存在制冷剂污染冷库内食品现象。

2.氨机和氟机比较

在安全性方面，氨对人体有毒，氨气无色，具有强烈的刺激性臭味。一旦泄露将污染空气、食品，并刺激人的眼睛、呼吸器官。如果空气中氨的容积浓度达到0.5～0.6%时，人在其中停留半个小时即可中毒。氨蒸气对食品有污染和使之变味的作用。氟里昂是一种常用的中温制冷剂。它无色，无味，不燃烧，不爆炸，化学性能稳定，基本无毒。

在控制系统方面，氨系统无法完全实现自动控制。其开、停机及供液调节等工作必须由人工操作完成，需设专业人员对氨机进行24小时管理，保护装置不完备，无自动能量调节。氟系统可实现完全自动控制，无需专人看管。保护完备，机组配有电压保护、温度保护、电流保护、压力保护等完备的保护措施，并可实现计算机控制，能量调节范围广。

在经济性方面，对于大型制冷系统来说，国内品牌氨系统总体初投资比国际知名品牌略低。氟系统机组简洁，紧凑，机房占地面积小。国产氨设备的制冷系数比国际知名品牌的设备要低，所以氟系统的运行费用要比氨系统低。氨系统由于阀门多，轴封多，导致易漏点多，需要每年定期检修，两三年还需要大，而氟系统正常运转基本免维护。

3.全封闭活塞式制冷压缩机与半封闭活塞式制冷压缩机比较

全封闭活塞式制冷压缩机将压缩机与电动机一起组装在一个密封的罩壳内，形成一个整体，从外表看只有压缩机进、排气管和电动机引线。这种压缩机由于产生冷量小、不易维修、安装繁琐复杂、冷量调节不方便等，使这种压缩机主要应用于小型或中温、高温库。全封闭活塞式制冷压缩机的特点如下：

（1）电机体积相对较小、转速较快、能量利用率低、耗电量高。

（2）压缩机的噪声大、平衡性差，全封闭活塞式制冷剂通常采用三支弹簧支撑保证其稳定性，排气口径较小，排气量小。

（3）由于电机转速快导致电机的磨损较大，电机容易坏，维修频繁。

（4）电机内由于温度升高影响电机内热保护的精度，引发电机故障。

半封闭活塞式制冷压缩机将压缩机的机体和电动机的外壳铸成一体。电动机的转子直接装在压缩机曲轴的悬臂部分，不需要轴封和联轴器。这种压缩机由于产生冷量比较大，维修简便、冷量可调节等，使这种压缩机广泛应用于各种大、中、小型冷库。半封闭活塞式制冷压缩机的特点如下：

（1）电机体积较大、转速为中速，能量利用率高，耗电量低。

（2）活塞口径大、连杆跨距大、排气量大。

（3）电机自身磨损较小、维修频率低。

（4）电机内具有内热保护装置，在电机运转超载时能够切断线路起到自我保护的作用，使电机损坏的概率降低。

4.并联机组与单机机组比较

并联机组与单机机组相比，如果单机机组出现故障，哪怕是一个小小的压力保护，也会停机使冷库处于瘫痪状态，对库内存放货物的质量造成威胁，只有等待维修，别无他法可循。并联机组的一个最明显的优点是可靠性高，当机组中的某台压缩机出现故障时，其它压缩机仍可继续正常工作。并联机组的另一个明显优点是效率高、运行费用低。

众所周知，制冷系统是按最恶劣工况选配压缩机的，而实际上制冷系统绝大部分时间运行处于半负荷工况，在这种工况下并联机组COP值可以与满负荷状态时完全时同，而单机组在这时的COP值将降低一半以上，综合比较，并联机组要比单机机组要节电30-50%。

5.冷冻冷藏空调一体机的改进措施和建议

5.1节能改造

通过中国连锁经营协会对5类零售业的调查结果显示，家电卖场、便利店、超市、大型超市和百货店全国全年耗电超过300亿千瓦时，在大型超市中冷冻冷藏设备耗电量占总耗电量的60% ，节能改造的空间还有很大的提升[1]。节能途径有以下几个方面：

5.1.1陈列柜照明的节能

一般的超市陈列柜绝大部分使用普通荧光灯，它有较大电耗，使用到LED灯在节能方面能够起到一定的效果。LED灯由发光二极管组成，这种二极管具有亮度高的特点，在光照强度要求不高的室内、外时可以考虑安装这种灯管，它不仅可以满足超市卖场正常的照度要求又能节能。因为这种灯管和普通的灯管发光机理的不同，和相同亮度的荧光灯相比，其消耗能量能够有效地减少 60%左右，而且使用寿命还比后者长。如今有些冷柜制造厂商已经开始使用在他们下一代的陈列柜上。

5.1.2冷柜加盖（加门）节能方法

目前的超市冷柜多为敞开式，在解决冷量外泄这个方面，如今多采用空气幕，然而空气幕也不能完全解决这个问题，也只是起到一部分作用。为了更好地减少冷柜内外的热湿交换和冷气外泄，加装可滑动的玻璃罩在冷柜上就成为一种可能，具有一定的可行性和明显的节能效果。我们以卧式岛柜做一个试验分析，实验的结果表明单独一台陈柜可以降低能耗损失达30%。

5.1.3采用蒸发式冷凝器替代风冷冷凝器

风冷冷凝器具有较低的换热系数，同时它的冷凝温度比较高。将水当做换热介质的蒸发式冷凝器，是靠冷却水的蒸发来带走潜热，而且空气的温度较之冷凝温度低，也能吸收一部分的冷凝热量。水的消耗量很小是这种冷凝器的特点，而且它的结构较紧凑，占地小，使得它可以被安装在屋顶上。其节能作用体现在以下三点：

（1）由于蒸发冷凝器具有良好的热效能和热交换效果，所以压缩机工作效率高。

（2）蒸发冷凝器和水冷式蒸发系统相比较，具有故障发生率小，蒸发温度较低，蒸发冷凝器的冷凝温度一般保持在 36～40℃之间。

（3）压缩机组能效比得到提高，同时降低系统运转率，节能 5～8%。

5.1.4采用冷凝热回收装置节能方法

回收制冷系统冷凝热是一种有效的节能措施。所谓冷凝热回收，就是利用热回收装置（即热交换器）是将高温高压制冷剂气体收集起来，这些制冷气体是由压缩机排出，在这个过程中首先预冷所需的制冷剂，排出的冷凝热可以用来加热超市加工房、卫生保洁等日常生活用水。如果冷凝的压力不够（如北方冬季），假如不想预冷压缩机排气，那么我们可以直接利用电动三通阀进入冷凝器。因此使用冷凝热回收技术不但节省了超市温水费，还使得冷凝设备负荷得到了很大程度降低，从另外一个角度上看也起到了节约系统的运行成本。

5.2热氟融霜技术

传统的电加热融霜仍然是现有的冷风机融霜的主要方式，融霜控制器来控制融霜所需要的时间，霜层的融化是靠电加热丝通电之后所产生辐射热来融化的，融化形成的水就沿着冷风机中的排水管排出去。这种方法也是有弊端的：融霜系统消耗的功率较大，并且电加热系统元件多，不能够充分地除霜，这就使得产品的可靠性、安全性大大地降低。而热氟融霜系统，就是利用压缩机排出的高温高压气体，直接通过冷风机的换热器中，以融化凝结其上的霜层而实现融霜的目的[2]：这种融霜系统，由于是用高温气体在冷风机的换热器内部加热，所以融霜时间短、功率消耗低，同时减少压缩机开机次数，延长了其使用寿命。由于热氟融霜系统自控元件少，换热器表面无电加热器件，因而安全、可靠、节能。

5.3压缩机变频

目前的大、中型超市都使用并联压缩机组的制冷主机，这种主机是根据主机的工作负荷变化来决定需要运行多少台并联压缩机，换句话说就是通过启停控制压缩机来达到能量调节的[3]：这种情况下任何一台压缩机输气量和转速都是一个定值。但是变频压缩是通过改变任何一台压缩机的转速来实现改变输气量，以达到能量调节，这种变频调节方法使得机组输出冷量与末端负荷需求线性匹配，从而有效地提高了压缩机组的效率，减少了压缩机的启停次数，更易于实现库房温度的稳定，具有很大的节能优点。

5.4 EMS集中控制方案

超市能源管理系统（EMS）通过对超市内大负荷用电设备如冷冻系统、空调系统及照明系统，实现自动控制以达到节能的目的。EMS 系统由主控制器、输入/输出模块、专用控制模块及传感器组成。主控制器中设调制解调器或以太网卡，这样，通过电话线或以太网，即可接入远程监控中心进行远程监控和远程维护[4]。

6.结论

随着我国工业的不断发展，冷冻冷藏技术的重要性日益凸显。本文通过对冷冻冷藏一体机进行分类分析，从三个方面进行比较、分析存在的问题，主要通过改进节能措施，使其达到节能环保，延长设备使用年限，降低运行成本、水电能耗，从而最终达到降低成本，为企业提高市场竞争力。

【参考文献】

[1]雪灵.超市节能面面观[J].质监视窗，2010（2）：13-17.

[2]董德永，郭明涛，陈钢，隋继.学冷风机热氟融霜的探讨[J].肉类工业，2010（10）：30-31.

[3]忍.制冷装置自动化[M].北京：中国农业出版社，1996.

[4]黄华.能源管理系统（EMS）在超市中的应用[J].工程技术，2008.5.