李　丹，李中華，仇順海

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單機雙級螺桿壓縮機在艦艇食品供應站冷凍調(diào)理食品生產(chǎn)線中的應用研究

李丹，李中華，仇順海

目的研究速凍裝置、制冷壓縮機及速凍溫度、凍結(jié)速度、節(jié)能等因素，以確保冷凍調(diào)理食品的速凍品質(zhì)。方法對單級螺桿式壓縮機與單機雙級壓縮機各自的應用范圍及性能進行比較，并選型。結(jié)果在R22與R404A制冷系統(tǒng)中，蒸發(fā)溫度低于-30 ℃時單機雙級螺桿式壓縮機組在速凍食品制冷系統(tǒng)中的制冷量、制冷效果有著明顯的節(jié)能優(yōu)勢。結(jié)論單機雙級螺桿式壓縮機組在海軍艦艇食品保障冷鏈中有廣泛的應用前景。

單機雙級壓縮機；螺桿壓縮機；冷凍調(diào)理食品；節(jié)能

1　概況

冷凍調(diào)理食品生產(chǎn)線中速凍裝置關(guān)鍵技術(shù)是如何設(shè)計和選擇制冷壓縮機。壓縮機吸入從蒸發(fā)器出來的低壓制冷劑氣體，將其壓縮為高溫高壓氣體。壓縮機的選擇是整個速凍制冷系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)之一。活塞壓縮機的使用具有悠久的歷史，但是，一般冷量較低(小于62.5 kW)?；钊麎嚎s機因具有較多的運動部件，維護要求高。螺桿式壓縮機具有較大的冷量(12.5～125 kW)，螺桿式壓縮機的潤滑系統(tǒng)要求較高，必須得到足夠的潤滑，以保證螺桿的密封效果[1]。

“冷凍調(diào)理食品”是指農(nóng)產(chǎn)、畜禽、水產(chǎn)品等為主要原料，經(jīng)前處理及配制加工后，采用速凍工藝，并在凍結(jié)狀態(tài)下(產(chǎn)品中心溫度在-18 ℃以下)儲存、運輸和銷售的包裝食品[2]。

目前，裝備艦艇部隊的冷凍調(diào)理食品。食品原料經(jīng)預處理加工成菜肴，快速冷卻后裝入尼龍-聚丙烯復合袋熱合密封，再經(jīng)-45 ℃以下溫度速凍，移入-18 ℃冷凍庫貯藏。烹制后的食品經(jīng)過-45 ℃以上低溫速凍處理，使食品盡快通過-1～-5 ℃的最大冰晶生成帶和0～4 ℃的淀粉老化溫度帶，在45 min內(nèi)使食品中心溫度達到-18 ℃，避免在細胞之間生成最大的冰晶體，減少細胞內(nèi)水分外泄，解凍時汁液流失少；既能最大限度地保持食品本身的色澤風味及營養(yǎng)成分，又能有效地抑制微生物的活動，保證食用安全；其品質(zhì)優(yōu)于罐頭食品，但貯藏和運輸條件相對較高。

在歐美和日本等發(fā)達國家，為了提高凍結(jié)食品的質(zhì)量，多趨向于采用-25～-30 ℃的冷凍溫度。因為食品凍結(jié)后的貯藏溫度越低，食品的穩(wěn)定性越好，貯藏周期越長[3]〕，如圖1所示。但是凍結(jié)溫度的降低將對冷凍系統(tǒng)，特別是對制冷壓縮機的可靠性及效率提出更高的要求，如選用活塞式單機雙級并聯(lián)機組，則會產(chǎn)生壓縮機臺數(shù)多，操作管理不便，且成本高等問題，選用開啟式氨機單機雙級螺桿，工期長，維護成本、使用成本高及安全性差。

圖1　食品儲藏期與儲藏溫度關(guān)系曲線

中小容量的速凍裝置的傳統(tǒng)設(shè)計一直以來是采用單級或兩級往復式壓縮機。但是，在低圓周速度下具有最佳轉(zhuǎn)子型面的螺桿式壓縮機發(fā)展，對在速凍裝置中選用螺桿式壓縮機提供了很有價值的參考[4]。

2　多級壓縮應用的必要性

為保證冷凍調(diào)理食品的質(zhì)量，關(guān)鍵在于提高食品的凍結(jié)速度，同時在儲藏和運輸過程中控制速凍食品的溫升，因為較大溫度波動會導致冰晶的生長，細小的冰晶不斷長大，直到破壞食品的組織結(jié)構(gòu)，以至于使速凍食品的優(yōu)點逐漸的消失。在速凍食品的凍結(jié)和儲藏過程中，需要制冷設(shè)備達到-50～-60 ℃的蒸發(fā)溫度，而單級壓縮制冷機只能獲得-20～-40 ℃的溫度，只能滿足普通食品的冷藏和冷凍。速凍食品的生產(chǎn)必須采用多級壓縮制冷機，其中應用最多的是兩級壓縮制冷機。若選用單級半封閉螺桿壓縮機組配經(jīng)濟器的并聯(lián)機型，當蒸發(fā)溫度低于-40 ℃ 時，由于機器本身結(jié)構(gòu)特點，能效比較低。在這些低溫應用場合，采用半封閉單機雙級螺桿壓縮機組或配組雙級螺桿并聯(lián)機組將是節(jié)能、成本低的最合適的方案。

螺桿單機雙級壓縮制冷循環(huán)每級壓比減小，泄漏少、絕熱損失少；容積效率高，制冷量大；中冷器過冷，從而使制冷量增加，制冷系數(shù)提高；轉(zhuǎn)子軸承受力小，使用壽命長；絕熱效率高，電機功率省、節(jié)能、易于實現(xiàn)自動化控制，是一種高效的具有國際先進水平的制冷循環(huán)方案。

單機雙級螺桿機組的結(jié)構(gòu)十分緊湊；低壓級和高壓級共用1臺電機，有較高的運轉(zhuǎn)效率，所以節(jié)能；并聯(lián)單機雙級螺桿機組可以采用多臺壓縮機交替運轉(zhuǎn)，機組的壽命也得到延長。另外，機組所配置的極好的潤滑油監(jiān)測和分配系統(tǒng)保證了系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的高度安全性。除此之外還可利用回收廢熱產(chǎn)生熱水、熱氟融霜，同時也提高了整個制冷系統(tǒng)的效率。

單機雙級螺桿機組蒸發(fā)溫度范圍R22：-30～-60 ℃(R404A：-65 ℃)；制冷量范圍:63～756 kW(±40 ℃)；特點:噪音低、震動小、抗液擊能力強；油路簡單(壓差供油、開機僅用一臺預潤滑油泵)；操作方便，自動化程度高，機組采用PLC觸摸屏控制或并聯(lián)機組專用自動控制器，可直接與各種冷風機、鋼(鋁)排管、殼管式蒸發(fā)器或其他類型蒸發(fā)器匹配組成完整的制冷系統(tǒng)。其不足是高、低壓級容積比偏小，尤其在蒸發(fā)溫度低于-40 ℃時與最佳容積比有一定偏差。

單機雙級螺桿壓縮機因在單臺壓縮機內(nèi)實現(xiàn)兩級壓縮，進一步延伸了螺桿壓縮機的低溫應用范圍。制冷循環(huán)方式一般為兩級壓縮一級節(jié)流中間不完全冷卻循環(huán)。因為中間完全冷卻循環(huán)的中間冷卻器體積較龐大，不適合機組配置，所以機組帶一臺中間不完全冷卻的中間冷卻器(一般為板式熱交換器為宜)，無論對R22、R404A或是其他制冷劑，均采用中間不完全冷卻的循環(huán)方式。

3　單級、雙級螺桿壓縮機的選擇比較

實際上，單級與雙級在壓縮過程不會依等熵行程進行，當高壓縮比時，其容積效率降低，質(zhì)量流量減少，使制冷性能系數(shù)(COP)值大幅度地下降。對螺桿機而言，當蒸發(fā)溫度長期小于等于-30 ℃時，并不是所有情況都需要采用雙級壓縮，當所需制冷量較小時，可采用單臺帶經(jīng)濟器螺桿式制冷機組以簡化系統(tǒng)。僅在蒸發(fā)溫度低于-30 ℃的情況下，宜采用雙級系統(tǒng)；溫度要求更低時，特別在蒸發(fā)溫度在-40 ℃的條件下，雙級系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢十分明顯[5-6]。

4　單機雙級螺桿壓縮機在冷凍調(diào)理食品生產(chǎn)線中的應用

艦艇食品供應站冷凍調(diào)理食品生產(chǎn)線中SDL系列低溫半封閉單機雙級螺桿壓縮機，相對于帶經(jīng)濟器的單級半封閉螺桿壓縮機的節(jié)能優(yōu)勢明顯。

4.1單機雙級螺桿壓縮機系統(tǒng)應用特點適用于低溫工況(蒸發(fā)溫度：-30～-65 ℃)，可并聯(lián)使用，最多可達6并聯(lián)，滿足大冷量需求；系統(tǒng)應用簡單，節(jié)約投資成本；比單級低溫螺桿壓縮機節(jié)能30%以上，節(jié)約使用成本。

4.2螺桿雙級與帶經(jīng)濟器循環(huán)的性能對比在冷凝溫度40 ℃的工況下， “比澤爾”HSN8571-125(125 HP)半封閉螺桿單級壓縮機，為帶經(jīng)濟器的壓縮機，與“復盛”SDL330B(75HP)半封閉單機雙級螺桿壓縮機相比，R404A效率比單機帶經(jīng)濟器壓縮機組提高49%；R22效率比單機帶經(jīng)濟器壓縮機組提高30.8%(制冷系數(shù)=制冷量/軸功率)。

5　冷凍調(diào)理食品生產(chǎn)線采用半封閉單機雙級螺桿壓縮機設(shè)計方案

5.1工程概況以某艦艇食品供應站冷凍調(diào)理食品生產(chǎn)線速凍裝置制冷方案的設(shè)計思路為例，該項目用冷要求為：蒸發(fā)溫度為-42 ℃、冷凝溫度為+35 ℃(蒸發(fā)冷)，需冷量為340 kW。

5.2設(shè)計方案根據(jù)生產(chǎn)工藝提供的用冷溫度要求以及低溫多機單級并聯(lián)方案特點，該制冷系統(tǒng)應采用螺桿單機雙級壓縮制冷循環(huán)裝置，制冷劑選擇R22。

5.3綜合分析螺桿單機雙級壓縮制冷循環(huán)方案同帶經(jīng)濟器螺桿壓縮機制冷循環(huán)方案相比，運行成本降低15%～20%，投資減少，制冷系數(shù)提高，減少附屬設(shè)備臺數(shù)及相應的自控元件、閥門，有利于壓縮機的通用性，系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性及相對節(jié)能效果。

任何一種制冷方案都不可能盡善盡美。工程考慮中要因地制宜，既要考慮冷凍設(shè)備的初投資、運行費用等經(jīng)濟性問題，也要考慮冷凍設(shè)備的噪聲、振動、運行、操作、維護管理等技術(shù)性能問題，與工程整體及周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)；既要考慮當前投資效益，也要考慮長遠利益，合理的選擇制冷方案。

通過再三綜合考慮，用戶最終選擇方案一，并經(jīng)調(diào)試運行，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行穩(wěn)定，節(jié)能效果明顯。

6　結(jié)論

隨著我國食品冷藏產(chǎn)業(yè)鏈快速發(fā)展以及節(jié)能減排意識的提高，單機雙級螺桿壓縮機以其突出的節(jié)能優(yōu)勢將在我國食品冷藏產(chǎn)業(yè)鏈中扮演越來越重的角色，具有廣闊的市場前景。

[1]Sherri DC，周水洪.易腐食品冷鏈百科全書[M].上海：東華大學出版社，2009：75.

[2]隋繼學.食品冷藏與速凍技術(shù)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2007：155.

[3]隋繼學，張一鳴，孫向陽.速凍食品生產(chǎn)技術(shù)[M].北京：中國科學技術(shù)出版社，2012：14-19.

[4]吳寶志.螺桿式制冷壓縮機[M].北京:機械工業(yè)出版社，1985：4-35，123-129.

[5]繆道平，吳業(yè)正.制冷壓縮機[M].北京:機械工業(yè)出版社，1985：123-129.

[6]吳業(yè)正.制冷原理與設(shè)備[M].3版，西安：西安交通大學出版社，2014：28-32.

(本文編輯：林永麗)

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

單位]200433上海，海軍醫(yī)學研究所

李中華，電子信箱：13030734@qq.com

R821.6

A

10.3969/j.issn.1009-0754.2016.04.030

2015-04-03)