河南千年冷凍設(shè)備有限公司 陳 昭

雙級配搭制冷系統(tǒng)設(shè)計

河南千年冷凍設(shè)備有限公司 陳 昭

隨著國內(nèi)商用冷凍市場的發(fā)展，并聯(lián)壓縮機組因其良好的調(diào)峰能力和節(jié)能特性得到了市場的廣泛認可。特別是近年來，螺桿并聯(lián)機組由于具有冷量范圍大、運行高效可靠等突出優(yōu)點，成為大中型冷庫和速凍隧道等領(lǐng)域的首選冷源。

近年來，我國對冷凍食品的質(zhì)量要求不斷提高，在速凍行業(yè)，大噸位、超低溫速凍已成為速凍行業(yè)發(fā)展的趨勢，速凍冷庫庫溫也由原來的-23℃降至-30℃，甚至要求到-35℃。針對這些應(yīng)用場合，如選用活塞式單機雙級并聯(lián)機組，會產(chǎn)生壓縮機臺數(shù)過多、操作管理不便等問題；選用螺桿壓縮機組配經(jīng)濟器的并聯(lián)機型，當蒸發(fā)溫度低于-30℃時，由于機器本身的結(jié)構(gòu)特點，能效比較低。因此在低溫應(yīng)用場合，采用雙級配搭螺桿并聯(lián)機組是最合適的方案。

一、中間冷卻方式

雙級壓縮系統(tǒng)按其節(jié)流和冷卻方式可分為一級節(jié)流（中間完全冷卻、中間不完全冷卻、中間不冷卻）、兩級節(jié)流（中間完全冷卻、中間不完全冷卻）兩種。一般情況下，對于絕熱指數(shù)較大的制冷劑，如R717，宜采用中間完全冷卻方式；而對于R22等絕熱指數(shù)較小的制冷劑，宜采用中間不完全冷卻方式。

中間冷卻器是雙級壓縮循環(huán)實現(xiàn)增加制冷量、提高制冷效率的重要部件之一。合理的中間冷卻方案和高效的中間冷卻器對雙級系統(tǒng)來說十分重要。

圖1為帶中間混合桶的一次節(jié)流中間不完全冷卻循環(huán)，其與眾不同的地方就是在低壓級壓縮機的排氣管路和高壓級壓縮機的吸氣管路中間位置加入中間混合桶。低壓級壓縮機排出的高溫過熱氣體和中間冷卻器排出的低溫過熱氣體在中間混合桶里面充分混合后，由高壓級壓縮機吸入。

同時，在高壓級壓縮機的吸氣口（圖1中a處）設(shè)有壓力傳感器和溫度傳感器，溫度傳感器傳回的數(shù)據(jù)在PLC里面被定義為回氣溫度Th，壓力傳感器傳回的數(shù)據(jù)在PLC里面被定義為蒸發(fā)壓力Pe，蒸發(fā)壓力Pe對應(yīng)的溫度被定義為蒸發(fā)溫度Te，回氣溫度Th減去蒸發(fā)溫度Te，即是由PLC計算的過熱度。PLC根據(jù)計算的過熱度，可以控制電磁閥組5開啟不同數(shù)量的電磁閥，以匹配其中間冷卻器的負荷。電磁閥組5由4個電磁閥組成，根據(jù)實際測試的電磁閥的冷量，選擇電磁閥的冷量大小和中間冷卻器的冷量大小進行匹配。比如，整個制冷系統(tǒng)的冷量看作100%，選擇電磁閥時，可以選擇兩個10%冷量的電磁閥（一個20%冷量的電磁閥，一個50%冷量的電磁閥）PLC可根據(jù)蒸發(fā)器的過熱度的大小，選擇不同冷量的電磁閥的組合，從而實現(xiàn)冷量的分段調(diào)節(jié)，達到對中間冷卻器過熱度的閉環(huán)控制。

筆者通過對現(xiàn)場數(shù)臺速凍設(shè)備使用的配搭雙級螺桿并聯(lián)機組的測試發(fā)現(xiàn)，高壓級壓縮機的吸氣過熱度控制在8～10K范圍內(nèi)是合理的，此時高壓級壓縮機的輸入電流接近最小值，且運行的狀況也很穩(wěn)定。

二、采用準三級壓縮

雙級壓縮循環(huán)對單級壓縮制冷系統(tǒng)而言，已經(jīng)是極大地提高了系統(tǒng)的COP值，但對螺桿式制冷劑而言，還可以利用經(jīng)濟器進一步挖掘其潛力。具體做法是低壓級帶經(jīng)濟器，將中間冷卻器過冷出來的制冷劑液體進一步過冷。冷凝器（或者儲液器）中出來的液體經(jīng)過兩級過冷后，其溫度已降低至-10℃～-30℃，較普遍的雙級循環(huán)系統(tǒng)，其COP值得到進一步的提高。這種改進的雙級壓縮系統(tǒng)相當于一個準三級壓縮系統(tǒng)。

三、雙級配搭機組和并聯(lián)機組的切換

當蒸發(fā)溫度低于-30℃時，雙級配搭比并聯(lián)機組節(jié)能；當蒸發(fā)溫度高于-30℃以上時，并聯(lián)機組比雙級配搭節(jié)能。而速凍隧道每次降溫都要從+25℃降到-35℃，如何實現(xiàn)雙級配搭制冷系統(tǒng)快速地經(jīng)過不節(jié)能的高溫區(qū)呢？可以通過雙級配搭機組和并聯(lián)機組的切換來實現(xiàn)。其運行原理如圖2所示。

如圖2所示，在雙級配搭并聯(lián)機組的吸氣集管和高壓級壓縮機的吸氣集管中間加入單向閥連接的管道。在蒸發(fā)溫度高于-30℃時，只開高壓級壓縮機，來自蒸發(fā)器的氣體經(jīng)過單向閥被高壓級壓縮機吸入。在蒸發(fā)溫度降到-30℃以下時，打開低壓級壓縮機，來自蒸發(fā)器的氣體被低壓級壓縮機吸入后排出，被高壓級吸入后再排出，由于雙級配搭并聯(lián)機組的吸氣集管和高壓級壓縮機的吸氣集管中間加入單向閥連接的管道，來自蒸發(fā)器的氣體不會從單向閥經(jīng)過，實現(xiàn)雙級配搭工作。

在肉類速凍方面，由于加工工藝、實際操作等原因，產(chǎn)品陸續(xù)進入速凍庫可能需要10h，然后關(guān)上速凍庫的門凍結(jié)10h。在陸續(xù)進貨的10h中，蒸發(fā)溫度高于-30℃的，即使在剛開始關(guān)閉庫門開始凍結(jié)的前4h，蒸發(fā)溫度也高于-30℃，因此，提高配搭雙級在肉類速凍中的節(jié)能效果是非常必要的。

四、控制策略

高壓級壓縮機根據(jù)吸氣壓力進行加載和卸載：當吸氣壓力高于設(shè)定的吸氣壓力上限時，加載高壓級壓縮機；當吸氣壓力低于設(shè)定的吸氣壓力下限時，卸載高壓級壓縮機。低壓級壓縮機根據(jù)中間壓力進行加載和卸載：當中間壓力低于設(shè)定的中間壓力下限時，加載低壓級壓縮機；當中間壓力高于設(shè)定的中間壓力上限時，卸載低壓級壓縮機。

為了控制加載速度和卸載速度，可以通過控制高壓級壓縮機和低壓級壓縮機的加卸載脈沖數(shù)來實現(xiàn)。具體做法是建立關(guān)于測量壓力和設(shè)計壓力偏差的函數(shù)，即f（n）=ax2+bx+c，式中，x為測量壓力和設(shè)計壓力的偏差值，n為控制壓縮機加載和卸載快慢的脈沖變量。通過PLC的計算，可以實時得到脈沖變量，進而控制高壓級壓縮機和低壓級壓縮機加載和卸載的速度。

壓縮機的加載和卸載包括壓縮機臺數(shù)的調(diào)節(jié)和壓縮機能量的調(diào)節(jié)，壓縮機能量的調(diào)節(jié)只允許調(diào)節(jié)到75%，100%兩級能量調(diào)節(jié)。螺桿壓縮機50%和25%也可以進行能量調(diào)節(jié)，但是當在50%和25%工作時，會嚴重影響壓縮機的吸氣量。半封閉螺桿壓縮機都是靠吸入低溫氣體來冷卻電機的，所以長時間在50%和25%能調(diào)下工作，會影響壓縮機電機的壽命。

通過筆者在近幾年幾十個速凍工程的應(yīng)用情況來看，這種控制方式操作簡單可靠，能夠滿足負荷的變化要求，對溫度的控制精度可以達到0.5℃以上。并且，該方式不僅可應(yīng)用于雙級配搭機組，還可應(yīng)用于并聯(lián)機組。

五、結(jié)論

通過以上方式設(shè)計改進的雙級配搭制冷系統(tǒng)，在工程應(yīng)用中顯示出以下特點。

1.降溫速度快。早上8∶30開始降溫，當時溫度為7.7℃，8∶44時，溫度降到-37.0℃，平均降溫速度3.19℃/min。

2.可靠性高。到目前為止，沒有出現(xiàn)由于制冷系統(tǒng)和控制系統(tǒng)設(shè)計不合理導致的壓縮機損壞。

3.系統(tǒng)節(jié)能。以冷飲行業(yè)在使用氟利昂雙級配搭制冷系統(tǒng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，每生產(chǎn)一支冰激凌的制冷成本為1.7分，比使用前(1.1分)降低了0.6分的成本。