宛 超

冷庫制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

宛 超

（四川省商業(yè)建筑設(shè)計(jì)院有限公司 成都 610041）

介紹冷庫制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，主要包括制冷系統(tǒng)選擇，如制冷劑的選擇、制冷系統(tǒng)形式的選擇、制冷壓縮機(jī)組的選擇、供液形式的選擇等，制冷系統(tǒng)回油技術(shù)及制冷系統(tǒng)壓力管道材質(zhì)選擇，以供冷庫制冷工藝設(shè)計(jì)人員參考。

冷庫；制冷系統(tǒng)；回油；壓力管道

0 引言

在宏觀經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步發(fā)展，業(yè)態(tài)創(chuàng)新大環(huán)境活躍，居民收入和消費(fèi)水平日益提高以及諸多冷鏈物流扶持政策的推動下，中國的食品冷鏈物流產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，冷庫建設(shè)規(guī)模獲得快速增長[1,2]。制冷系統(tǒng)是整個(gè)冷庫的核心組成部分，制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性是決定冷庫項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、科學(xué)性的關(guān)鍵因素。

1 制冷系統(tǒng)選擇

1.1 制冷劑的選擇

目前國內(nèi)冷庫制冷系統(tǒng)制冷劑主要有氟利昂、氨和二氧化碳三種。氟利昂制冷劑應(yīng)用較多的為R410A，R404A和R507。氨和二氧化碳是兩種天然制冷劑，氨O(jiān)DP=0，GWP=0，二氧化碳ODP=0，GWP=1，對環(huán)境的影響小，也是當(dāng)今較為熱門的兩種制冷劑。

根據(jù)環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的《關(guān)于生產(chǎn)和使用消耗臭氧層物質(zhì)建設(shè)項(xiàng)目管理有關(guān)工作的通知》（環(huán)大氣〔2018〕5號）文件，禁止新建和擴(kuò)建生產(chǎn)和使用作為制冷劑等受控用途的ODS建設(shè)項(xiàng)目，R22已禁止使用于新建冷庫項(xiàng)目，R22的替代與新型環(huán)保制冷劑的研究一直是行業(yè)熱點(diǎn)[3]。

液氨由于本身具有毒性，可燃及爆炸危險(xiǎn)性，包含在國家安全監(jiān)管總局首批重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化學(xué)品名錄內(nèi)，且液氨儲存量超過10噸即被判定為重大危險(xiǎn)源，因此氨制冷系統(tǒng)受到安全監(jiān)督部門嚴(yán)格監(jiān)管，對其應(yīng)用具有很大的限制作用。

二氧化碳作為天然制冷劑歷史悠久，由于受到人工合成制冷劑的影響，在國內(nèi)發(fā)展的較晚，因此還沒有得到廣泛的應(yīng)用，目前由于氟利昂對環(huán)境的破壞作用而重登舞臺，發(fā)展前景看好。

1.2 制冷系統(tǒng)形式的選擇

冷庫按冷藏設(shè)計(jì)溫度分類可以分為高溫、中溫、低溫和超低溫四大類冷庫：①高溫冷庫設(shè)計(jì)溫度為-2℃～+8℃；②中溫冷庫設(shè)計(jì)溫度為-10℃～-23℃；③低溫冷庫設(shè)計(jì)溫度為-23℃～-30℃；④超低溫冷庫設(shè)計(jì)溫度一般為-30℃～-80℃。

冷庫的設(shè)計(jì)規(guī)模按冷藏間的公稱容積可分為大型、中型和小型三大類冷庫：①公稱容積大于20000m3為大型冷庫；②20000m3～5000m3為中型冷庫；③20000m3～5000m3為小型冷庫。

為了減小制冷系統(tǒng)制冷劑的充注量，滿足經(jīng)濟(jì)性和安全性要求，一般中小型冷庫采用氟利昂或氨制冷系統(tǒng)，大型冷庫根據(jù)冷庫的設(shè)計(jì)溫度采用氨和二氧化碳復(fù)疊/載冷制冷系統(tǒng)或氟利昂和二氧化碳復(fù)疊/載冷制冷系統(tǒng)[4]。對于氨和二氧化碳復(fù)疊/載冷制冷系統(tǒng)，當(dāng)制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度高于-25℃，一般采用二氧化碳載冷制冷系統(tǒng)；當(dāng)制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度低于-25℃時(shí)，一般采用二氧化碳復(fù)疊制冷系統(tǒng)[5]。

1.3 制冷壓縮機(jī)組的選擇

制冷壓縮機(jī)是制冷系統(tǒng)的心臟，根據(jù)冷庫的規(guī)模和設(shè)計(jì)溫度等因素，合理選擇制冷壓縮機(jī)組是制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

制冷壓縮機(jī)根據(jù)其工作原理可以分為容積型和速度型兩大類,在冷庫應(yīng)用領(lǐng)域，通常采用容積型壓縮機(jī)，主要包含活塞式壓縮機(jī)、螺桿式壓縮機(jī)和渦旋式壓縮機(jī)。

氨制冷系統(tǒng)一般采用開啟式壓縮機(jī)，主要采用開啟式螺桿壓縮機(jī)。氟制冷系統(tǒng)一般采用渦旋式壓縮機(jī)及半封閉或全封閉式壓縮機(jī)，主要采用半封閉式螺桿壓縮機(jī)，半封閉式活塞壓縮機(jī)和半封閉式渦旋式壓縮機(jī)。二氧化碳制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)選擇比較靈活，當(dāng)制冷量較小時(shí)一般采用半封閉式活塞壓縮機(jī)，制冷量較大時(shí)一般采用開啟式螺桿壓縮機(jī)。

一般大型冷庫制冷系統(tǒng)采用螺桿式壓縮機(jī)，小型冷庫制冷系統(tǒng)采用活塞式壓縮機(jī)和渦旋式壓縮機(jī)。為了滿足制冷系統(tǒng)不同負(fù)荷條件下的經(jīng)濟(jì)性要求，以及保證制冷系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，壓縮機(jī)組可采用多個(gè)壓縮機(jī)并聯(lián)組合使用[6]。

1.4 供液形式的選擇

制冷系統(tǒng)供液方式分為直接膨脹供液、重力供液、液泵供液和氣泵供液四種。

冷庫制冷系統(tǒng)較為常用的供液方式為直接膨脹式供液和液泵強(qiáng)制供液，通常小型制冷系統(tǒng)采用直接膨脹式供液系統(tǒng)，大型制冷系統(tǒng)采用桶泵強(qiáng)制供液系統(tǒng)。桶泵強(qiáng)制供液系統(tǒng)與直接膨脹式供液系統(tǒng)相比較，其優(yōu)缺點(diǎn)如下：

桶泵供液的優(yōu)點(diǎn)主要有：①蒸發(fā)器具有較高的換熱效率，冷卻效果好；②能夠保證長距離供液；③制冷壓縮機(jī)的運(yùn)行工況得以改善，保證制冷壓縮機(jī)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)和提高壓縮機(jī)的制冷效率；④系統(tǒng)操作簡單可靠，便于集中控制和實(shí)現(xiàn)自動化。

桶泵供液的缺點(diǎn)主要有：①制冷劑充注量大，增加了桶泵機(jī)組，機(jī)房占地面積增大，初投資增加；②系統(tǒng)回油較復(fù)雜，處理不好會導(dǎo)致整個(gè)制冷系統(tǒng)發(fā)生運(yùn)行故障。

1.5 制冷系統(tǒng)自動化控制

傳統(tǒng)冷庫自動化程度低、操作人員技術(shù)水平較低是我國冷庫事故頻繁發(fā)生的主要原因，尤其是氨制冷系統(tǒng)，一旦發(fā)生泄漏，極易對人身造成直接傷害，所以提高冷庫中制冷系統(tǒng)自動化程度、減少制冷劑液氨的充注量，對于提高制冷系統(tǒng)安全性可以產(chǎn)生明顯效果[7]。對于大型制冷系統(tǒng)，一般采用集中PLC控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)控制對象主要包括壓縮機(jī)、冷風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)式冷凝器、桶泵、沖霜水泵、事故風(fēng)機(jī)[8]。PLC自控系統(tǒng)集中設(shè)置在控制室，除了監(jiān)控速凍裝置、制冷機(jī)房、液罐區(qū)的氨氣泄漏、報(bào)警、事故排風(fēng)、緊急切斷之外，還應(yīng)設(shè)置與氨制冷機(jī)組各分控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊接口，并具備半年數(shù)據(jù)儲存、適時(shí)顯示各相關(guān)安全系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、氨氣濃度等技術(shù)指標(biāo)。

2 制冷系統(tǒng)回油技術(shù)

氟利昂制冷系統(tǒng)與氨制冷系統(tǒng)回油方式不同，氨制冷系統(tǒng)只能用集油器放油，可以將油放出制冷系統(tǒng)外，收集后進(jìn)行集中處理，再加進(jìn)壓縮機(jī)曲軸箱補(bǔ)油。而氟利昂制冷系統(tǒng)一般采用回油器自動回油，油不放出系統(tǒng)外，直接送至各補(bǔ)油部位，采用封閉式回油的油路設(shè)計(jì)。回油技術(shù)是氟利昂制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 并聯(lián)壓縮機(jī)組回油

并聯(lián)壓縮機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)是各并聯(lián)壓縮機(jī)能順利而均衡地回油，從而保證各壓縮機(jī)的正常潤滑和工作。并聯(lián)壓縮機(jī)組系統(tǒng)的回油問題主要受兩個(gè)因素影響：一是系統(tǒng)設(shè)計(jì)因素，即系統(tǒng)布局與管路設(shè)計(jì)；二是化學(xué)因素，即潤滑油和制冷工質(zhì)混合物性質(zhì)[9]。

一般系統(tǒng)布局與管路設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)重點(diǎn)，通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化，減少甚至消除管道中潤滑油積存現(xiàn)象，增強(qiáng)系統(tǒng)回油能力。渦旋并聯(lián)壓縮機(jī)組和螺桿并聯(lián)壓縮機(jī)組適宜采用高壓回油方案，活塞并聯(lián)壓縮機(jī)組適合采用低壓回油方案[10]。

2.2 氟利昂桶泵機(jī)組回油

大型氟利昂制冷系統(tǒng)通常采用桶泵強(qiáng)制供液系統(tǒng)集中制冷。在低壓循環(huán)桶內(nèi)，冷凍油與氟利昂分離，由于油比重較氟利昂小，冷凍油聚集在低壓循環(huán)桶的上部。氟利昂桶泵供液系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于如何將聚集在低壓循環(huán)桶上部的冷凍油不停地回流到壓縮機(jī)，從而保證壓縮機(jī)的正常潤滑和工作，保持制冷系統(tǒng)運(yùn)行安全。桶泵回油的關(guān)鍵技術(shù)在于采取以下三個(gè)必要措施：①在低壓循環(huán)桶控制液位的上下各100mm處，分別設(shè)置一根回油管，不管低壓循環(huán)桶內(nèi)的冷凍油液面處于什么位置均能通過回油管導(dǎo)出，冷凍油和氟利昂混合液在換熱裝置中分離，氟利昂液體被加熱形成氣體后回到低壓循環(huán)桶，冷凍油則被吸入壓縮機(jī)回氣管，回到壓縮機(jī)。通過調(diào)節(jié)回油管上的閥門，控制回油量，從而使油路系統(tǒng)均衡；②選擇高質(zhì)量高靈敏度的液位控制器，有利于回油系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行；③采用臥式低壓循環(huán)桶，因其截面相對立式桶大，桶內(nèi)液面波動小，更有利于系統(tǒng)回油均衡[11]。

3 制冷系統(tǒng)壓力管道材質(zhì)選擇

冷庫制冷系統(tǒng)中最常用的管道材質(zhì)為20#碳鋼無縫鋼管，其次為紫銅管、10#碳鋼無縫鋼管和16Mn低合金鋼管。氨制冷系統(tǒng)制冷管道不能采用銅管。

根據(jù)《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50316—2000（2008年版）要求，除了低溫低應(yīng)力工況外，10#碳鋼無縫鋼管（GB/T 8163），20#碳鋼無縫鋼管（GB/T 8163），16Mn低合金鋼管（GB/T 8163）的使用溫度下限分別為-29℃；-20℃；-40℃。在冷庫溫度范圍內(nèi)，10#碳鋼無縫鋼管應(yīng)用于低于-29℃工況條件下，只有部分管徑滿足低溫低應(yīng)力工況條件。20#碳鋼無縫鋼管可用于低于-20℃工況，滿足低溫低應(yīng)力工況條件[12]，16Mn低合金鋼管一般應(yīng)用于二氧化碳制冷系統(tǒng)及超低溫冷庫制冷系統(tǒng)管道材料。

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)工作是冷庫建設(shè)過程中至關(guān)重要的一環(huán)，冷庫制冷系統(tǒng)是一個(gè)多種設(shè)備組合和關(guān)鍵技術(shù)運(yùn)用的綜合體，制冷系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)是保證冷庫正常運(yùn)行、環(huán)境友好、初投資及后期運(yùn)行經(jīng)濟(jì)的前提條件。只有把握好制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)要點(diǎn)，憑借新技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)不斷優(yōu)化，才能使制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨于完美。

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Design Points of Refrigeration System for Cold Storage

Wan Chao

( Sichuan Commercial Architecture Design Institute Co., Ltd., Chengdu, 610041 )

This paper introduces the design points of the cold storage refrigeration system, mainly including the choice of refrigeration system, such as the choice of refrigerant, refrigeration system form, refrigeration compressor unit and liquid supply form, etc., the refrigeration system oil return technology and refrigeration system pressure pipeline material Choice for reference by the cold storage refrigeration process designer.

cold storage; refrigeration system; oil return; pressure pipeline

TB657.1

A

1671-6612（2019）04-385-03

宛 超（1983.2-），男，碩士，注冊公用設(shè)備工程師（暖通空調(diào)），E-mail：303032793@qq.com

2019-05-13