冷库制冷系统设计

如何设计冷库制冷系统？

制冷系统方案设计的原则：

（1）满足食品冷加工工艺要求；

（2）系统要运行可靠，操作管理方便，有安全保障；

（3）系统应优先采用新设备、新工艺及新技术；

（4）要考虑经济性。

制冷方案设计的内容：

（1）供液系统；

（2）蒸发冷却系统；

（3）压缩冷凝系统；

（4）融霜系统。

冷库的制冷系统分类：

冷库的制冷装置大多采用蒸汽压缩式制冷系统。

1、单级压缩制冷系统

蒸发器→压缩机→冷凝器→节流阀→蒸发器。

为获得－20℃～－40℃以下的低温，采用双级压缩系统。

要求：氨制冷系统压比≤8，最低蒸发温度＝-25℃；

氟利昂制冷系统压比≤10；蒸发温度＝-37℃。

氨泵供液的双级压缩制冷循环：

单、双级综合系统：

单级系统与双级系统共用同一个油分离器、冷凝器、高压贮液桶，经高压调节站分配。

单、双级综合制冷系统流程：

冷库制冷系统原理图：

制冷系统方案设计：

一、提高制冷效率的基本措施

1、润滑油的分离与回收

1）润滑油的作用：润滑、降温、密封、提供动力。

2）回收润滑油的原因：

① 积存于设备、管道中，占用工作容积；

② 与污物杂质结合为胶状物，堵塞管道、阀门；

③ 附在热交换器壁面，使传热恶化；

④ 压缩机需要润滑油。

3）方法：

I）分离

① 在压缩机和冷凝器之间设置油分离器使大部分油被分离；

② 在冷凝器出液管设液油分离器；

③ 在贮液器、中冷器、低压循环桶、汽液分离器、蒸发器的底部设置放油管道。（氨比油轻，油下沉）。

II）回收

经集油器升温、降压，除去氨气，再经油处理设备再生处理（抽除氨气、过滤油污、蒸发水分）。

4）油分离器

1）作用：分离制冷剂中携带的润滑油。

（2）类型：过滤式，洗涤式，离心式，填料式。

（3）结构及工作原理：

2.不凝气体的分离

系统含O2、N2、Cl2、水汽和其它碳氢化合物不凝气体。

金属材料的腐蚀，润滑油的分解、制冷剂不纯与污物接触后分解，系统不严密或手动加油吸入空气。

危害：冷凝压力升高，传热效果差，加剧金属材料的腐蚀，润滑油的氧化。

方法：设置空气分离器（冷凝、回收不凝气体中的制冷剂）。放空气管从冷凝器的下部出口处和顶部及贮液器的顶部引出接至空气分离器。

空气比氨气重；空气比氨液轻。

空气分离器结构原理图：

3.高压制冷剂液体的过冷

作用：避免冷凝器后的供液管出现闪气；减少节流后的闪气，提高单位容积制冷量。

方法：设置中间冷却器。如图示：

融霜方法：人工扫霜，热蒸气融霜，水冲霜，电热融霜。

4.蒸发器的除霜和排液

（1）除霜作用：减少蒸发器传热热阻。

措施：

① 人工扫霜；简单、库温波动小、无融霜滴水。

② 水冲霜；融霜速度快。冷量损失大，起雾、顶棚滴水，若水盘泄水口冰堵，水满溢，造成冷间地坪结冰。

③ 制冷剂热蒸汽融霜；

④ 电热融霜；简单，初投资少，耗电量大。

搁架式排管及墙、顶排管：用人工扫霜＋制冷剂热蒸汽融霜。隔8～10周（翅片排管）或半年以上（光滑排管）用一次热蒸汽融霜。一般是低温冷藏间。

干式冷风机：水冲霜、制冷剂热蒸汽融霜。一般为冻结间、高温库。

小型制冷机组：电热融霜。如电冰箱。

一台压缩机配多台蒸发器的热气融霜：

（2）排液：

原因：

①除霜前，停止向蒸发器供液，同时排掉其中的制冷剂液体，以发挥除霜效果。

②除霜时，将热蒸汽冷凝下的液体排出。

方案：

A、引至其它冷间正在使用的蒸发器。用于小型冷库。

B、至排液桶。放油、加压回高调站。用于重力及液泵供液系统。

C、至低压循环桶。用于液泵供液系统。

排液桶：

5.设置高压贮液器

作用：

1）调节和平衡热负荷与制冷剂循环量的供需关系。

2）在高压和低压段间形成液封。防止高压气体窜入供液管道，破坏正常的制冷循环。

制冷系统的安全保护措施：

1、压缩机的安全保护

1）安全保护装置：高低压保护，油压、油温保护，排气温度保护，水套断水保护等。

2）防湿冲程措施

措施：对蒸发器回气进行充分的气液分离。具体为：

A、重力供液系统，在氨液分离器设液位控制器。

B、液泵供液系统，在低压循环桶设液位控制器。

C、直流供液系统，在回气管设回气桶。

3）压缩机安全启动-设压缩机卸载启动装置。

2.液泵的安全保护

1）低压循环桶正常液位控制及设置加压管，“净正吸入压头”防气蚀。

2）液泵装抽气管和压差控制器，防气蚀。

3）泵出口处设自动旁通阀和止逆阀，防止液体倒流。

3.压力容器的安全装置

1）设置安全阀;

2）安全熔塞－小型制冷系统的压力容器.

4.制冷装置的紧急泄液

突发事件时（火灾、空袭）排放制冷剂液体。

5.设备液面的控制和显示

液面控制－为了正常的制冷循环和安全生产。

如中冷器、汽液分离器、低压循环桶等。用浮球阀或液位控制器。

液面显示－用液位指示器。

制冷系统供液方式的确定：

1.供液方式：直流供液，重力供液，液泵供液，气泵供液。

2.各供液方式的原理及特点：

1）直流供液

特点：

① 系统简单；

② 闪气进入蒸发器影响传热；

③ 两相流体不易均匀分配到并联的蒸发器中，造成制冷量不足或因供液量过大使压缩机液击；

④ 当冷凝温度变化或冷库负荷变化时，节流阀需人工调节开启度。

直流供液适用于负荷较稳定的小型制冷装置。

2）重力供液系统

特点：

① 能实现配液均匀；

② 实现汽液分离，避免压缩机液击；

③ 为保证足够的静液柱差ΔH，重力桶需一定的安装高度，对单层冷库要加建阁楼。

3）液泵供液系统

特点：

① 制冷剂供液量大，流速高，传热效果好；

② 蒸发器的供液量数倍于蒸发量，蒸发器面积得到充分利用，压缩机吸气过热度小，提高了制冷系数；

③ 融霜装置和操作简单，易实现自动化；

④ 设备费、维修费、耗电量增加。

3.方案选择：

小型制冷装置采用直流供液；

盐水制冰采用重力供液；（不需建阁楼，省电，易管理）

大中型冷库采用液泵供液；（热交换好，易实现集中和自动化控制）。

冷间冷却方式：

制冷系统供冷方式：

1.集中供冷：机器、设备集中设置，通过管道与各库房的冷却设备相连接。

优点：

1）一套设备向不同的用冷设施同时供冷；

2）冷量可互相调剂，设备利用率高。

缺点：建库周期长，费用高；设计、安装影响效率；库房间相互影响。

2.分散供冷

制冷机组成套设备可直接现场安装。一套制冷机组负责一间库房。

优点：1）互不干扰，控温准确；2）建库周期短。

缺点：设备利用率低。

蒸发温度回路的确定：

1.蒸发温度的确定

蒸发温度与库温存在温差，温差值Δt=tn-te。Δt取决于：

1）冷却设备的一次投资；Δt小，投资大；

2）压缩机运转费；Δt小，压缩机功率小，运转费低；

3）食品贮藏要求的相对湿度。Δt大，食品干耗大。

冻结间、低温冷藏间、冰库：Δt=10℃；

如鱼、肉类冻结间：tn=-23℃，te=-33℃；

鱼、肉类冷藏间：tn=-18℃，te=-28℃；

贮冰间：tn=-4～-6℃，te=-15℃；

果蔬贮藏间：Δt=5～8℃。

2.蒸发温度回路

1）回路：一个制冷系统若存在几个不同的蒸发温度，通常要用不同的压缩机来升压，用不同的节流阀来降压，即不同蒸发温度的制冷剂循环的路径不同，其路径称为“回路”。

某种蒸发温度的制冷剂所对应的回路称为这种蒸发温度的回路。

2）蒸发温度的回路的合并：

为简化系统，把蒸发温度相差不大的的制冷剂共用一种压缩机升压。

为保证各自的蒸发温度，在蒸发压力较高的蒸发器出口处设置气体降压阀。

压缩机的吸气压力是蒸发温度低的蒸发器的制冷剂压力。所以以最低的蒸发温度命名合并后的回路。

3.蒸发温度回路的划分方案

冷库常用的蒸发温度回路的划分方案：

1）制冰、贮冰间的制冷系统设计为同一蒸发温度回路；果蔬、蛋冷藏间的制冷系统设计为同一蒸发温度回路；规模小的冻结间和冻藏间的制冷系统设计为同一蒸发温度回路。

2）果蔬、蛋等的冷却和冷藏不能与制冰共用同一蒸发温度回路。原因：

①果蔬冷却和冷藏对相对湿度要求高。大温差Δt使食品干耗严重；所以制冰的蒸发温度低于果蔬冷却和冷藏蒸发温度。

② 果蔬冷却和冷藏要求蒸发温度稳定，而制冰热负荷很不稳定。蒸发温度回路：

蒸发温度回路合并：

3）对冷库中冷量要求少的加工车间，采用以下方案：

合并在制冰，冷却物冷藏回路；（单级压缩）

合并在双级压缩机的高压级回路；

利用恒压阀，控制空调器蒸发温度。

制冷系统自控方案：

1、手动式：机器、设备、工艺流程手动控制。

2、半自动式：制冷系统的安全保护；

局部回路的自控（液泵、冻结间、冷藏间回路）；

压缩机指令开停机，库房内的冷却设备在机房的遥控和库温遥测；

3、全自动式

压缩机自动开停机和能量调节；

辅助设备自控；电脑进行最佳工况调节；

冷加工工艺调节；库房管理自控。

我国冷库多采用半自动式。

制冷机器、设备的配置方案：

冷库制冷系统分为：压缩机部分、高压侧部分、低压侧部分、独立部分。

一．压缩机部分

1.范围：压缩机入口～油分离器入口。

2.组成：压缩机、吸排气管道、中冷器。

1）单级压缩机的配置形式

设检修阀；一台压缩机设反抽阀；（维修冷凝器时，抽除其中的制冷剂气体）； 吸入管设切换阀，切换不同的温度回路。

2）双级压缩机

单机双级压缩机组：节省初投资、占地面积制冷效率高，便于操作管理。

单级机配组形式：可合理的配置高低压输配比，工况更佳；在冬季，低温库的库温可由单级机实现；对冻结间，进货预冷时，先采用单级机，实现节能。

3）单、双级压缩机综合系统（普遍）

单、双级压缩机不同回路相互切换。

两台双级机可同时承担-28℃和-33℃回路，或分别负责。单级机同时承担-15℃和-28℃回路，或分别负责，冬季-28℃温度可用单级机实现。

二、高压侧部分

范围：从油分离器入口～节流阀前。

组成：油分离器，冷凝器、贮液器，总调节站

一）冷凝器的配置

有水冷式，空冷式，蒸发式（风机冷却），淋水式（自然冷却）冷凝器。

1.空冷式冷凝器的配置

用于小型氟制冷，与压缩机组装成机组。不需要管道设置。

2.水冷式冷凝器的配置：立式、卧式。

3.蒸发式，特点：压损大，并联时易发生排液桶不畅。（上进下出）

4.淋水式（下进上出）。

二）贮液器的配置

1）通过式：广泛采用。

波动式：当回气量与供液量相等时,不经贮液器，防止冷凝液体升温。为保证冷凝器的液体进通畅地进入贮液器：

1）保证安装高差；

2）设均压管；

贮液器底部设油包。

三）油分离器的设置

油分离器设有进气、出气、放油管接口。有的还有供液管接口或自动回油装置。

分类有：洗涤式、离心式、填料式、过滤式。

通常多台压缩机合用一台油分离器（省钱）。

多台压缩机分设各自的油分离器时，油分离器间设桥阀沟通。

四）总调节站的配置

1、作用：

1）向低压部分分配制冷剂液体；

2）根据负荷变化调节控制制冷剂供液量。

2、类型：

1）直流供液式的总调节站

设节流阀；适用于机房与库房距离近、单级压缩小型制冷系统。

2）重力和液泵供液的总调节站

无节流阀；小型冷库的液泵供液不设总调节站。

三、低压部分的配置

1、范围：从节流阀出口～第一级压缩机入口。

2、组成：蒸发器、低压调节站、低压循环桶（重力桶、气液分离器）。

3、配置：

一）蒸发器

1、制冷剂流向的确定

（1）制冷剂的流向：上进下出

特点：蒸发器存液少，静液柱较小，易自动化控制；不积油。传热效果差，要求循环桶位置低于蒸发器。

（2）下进上出-应用广泛

特点：易实现配液均匀，传热效果好；静液柱影响大，易积油。

2、“下进上出”的管道配置

（1）同类蒸发器

①串联，特点：流速高、换热好。

② 并联，配液均匀：

（2）不同类蒸发器

大型冷库：不同类蒸发器由调节站分别控制；

中型冷库：不同类蒸发器回气管可共用，供液管分开；

小型冷库：不同类蒸发器回气管、供液管均可共用。（使蒸发压力接近）

二）低压调节站，设置方案：

三）不同供液方式的低压部分配置

1、直流供液

一只节流阀向一组蒸发器供液；

每一通路的蒸发器当量长度不宜过长；

氨系统蒸发器采用下进上出；

回汽管设汽液分离器和排液桶，防液击。

2、重力供液

1）蒸发器的配置

A.制冷剂流向为下进上出，蒸发器管组并联。

B.每一通路的蒸发器当量长度有限制。

2）汽液分离器设置

A.保证正常供液所需的静液柱。取1.5m。

设置在上层川堂或加建阁楼，库房与机房较远时，在机房设二次分离器，防湿冲程。

B.汽液分离器的数量

不同蒸发回路分别设置；不同蒸发器类型分别设置； 多层库房分别设置。

3）低压调节站

分散（分层）布置。不便于集中管理和自动控制。

重力供液系统仅当总装机容量小于350kW可考虑采用。

3、液泵供液

①低压循环桶和液泵的配置

A.低循桶的数量

不同的蒸发温度分别设置。同一蒸发温度回路由冷量的多少决定。

B.低循桶的容积和直径

保证汽液分离所需的空间；

泵停时，能容纳蒸发器和管道的回液；

C.防液泵气蚀

1、桶液位和泵中心线的高差；

2、设抽气管排气；

3、压差控制器，当泵断液时，

自动断电；

4、选抗气蚀强的产品；

5、减少阻力。

止回阀防液体倒流；

自动旁通阀：引液回低循桶，防蒸发压力高。

D.液体再循环倍率

β=供液量/蒸发量

β大，K高。按经验数据选取。

②蒸发器的配置

A.允许通路长；

B.流向-库温自动控制采用上进下出；手动控制采用下进上出。

C.蒸发器管组接法-串联，顶管优选蛇形顶管。

③低压调节站，如图：1-3-18～21。

四.独立部件

系统正常时不参与运作的部分。含：安全管网、紧急泄氨器、空气分离器、集油器、排液桶。

1、安全管网—避免压力过高

2、紧急泄氨器

与贮液器、低循桶、蒸发器底部通。

方法：1）只从贮液器接出；

2）利用容器的放油口作接口。

3、空气分离器

有供液管、回汽管、混合气体管、排液管、放空气管。

①供液管—向空气分离器供冷液。

②回气管-将蒸发后的气体送回低循桶或汽液分离器。

③混合气体管—引自冷凝器和高贮桶。

④排液管-回到高贮桶或节流循环使用。

⑤放空气管-用橡皮管接入盛水容器。

4、集油器

在集油器内除氨-有处理设备再生-手动或自动返回压缩机。

分高压集油器（油分离器，高贮桶、中冷器、冷凝器）

低压集油器（低循桶、排液桶、汽液分离器）

流动状态：底部设油包。

5、排液桶

冷库制冷装置部分自控方案：

局部回路的自控：第二级

氨泵回路自控、中冷器、氨液分离器、低压循环桶等容积的液位自控和库房回路自控。

一.库房回路自控方案

包括：库温控制（供、停液控制），湿度控制， 融霜控制（三种方法）。

（一）冻藏间的自动控制

1.特点：温度低，库温精度&plu ** n;1℃ ，采用顶、墙排管，人工扫霜为主、空货时热氨融霜（1～2次/年）。

2.控制内容：库温遥测、蒸发器供液回汽控制—自动控制，融霜控制—手动控制。

3.示意图：

1）供液、回汽由电磁主阀分别控制。回汽延迟关闭，防水锤。

2）回汽阀压降引起温升，回汽管道可采用常开电磁主阀。

3）供液电磁主阀前设手动调节阀，调节流量，使供液均匀。

4）为简化系统，采用供液自控，回汽不自控。

5）除霜时，将手动调节阀关闭，防止供液电磁主阀背压开启。

（二）冷却物冷藏间的自动控制

1、特点：库温精度&plu ** n;0.5℃，采用冷风机，融霜比冻藏间排管频繁，热氨与水融霜相结合。

2、控制内容： 库温遥测、蒸发器供液、回汽控制、融霜控制（热氨与水融霜相结合）、排液—全自动控制。

3、示意图及说明：供液、回汽由电磁主阀分别控制（控制库温）。回汽延迟关闭，防水锤。

融霜：

a）采用热氨与水融霜相结合的除霜方式。

b）可采用平时水自动融霜，定期手动热氨融霜（除管内积油）。

除霜时，为防止供液电磁主阀背压开启。于阀后设止逆阀。

B.上进下出——蒸发器位置低于低循桶

1）采用供液自控，回汽不自控。

2）采用水单独冲霜（不积油）

3）为使多台冷风机配液均匀，在每台机的供液管上设调节阀调节供液量。

除霜时，为防止供液电磁主阀背压开启。于阀后设止逆阀。

（三）冻结间的自动控制

1．特点：降温、恒定库温与冷加工工艺流程相配合。温度低，采用搁架式排管或冷风机，融霜比冻藏间排管频繁。

2．冻结间的工艺流程：空库保温－进货－冻结－出货－融霜。

3．控制内容：库温遥测、蒸发器供液、回气控制、融霜控制—自动控制。

（三）冻结间的自动控制

1）空库保温：停止使用冻结间时，为防冻融循环，空库保温－5℃以下。于机房手动操作开、停机。

2）空库降温（进货）：进货前，库温控制为－10～－15℃。防止冻融循环并使货物尽快降温。控制由库房中的温控器控制供液、回汽电磁主阀。

3）冻结时间

系统投入运行受库温控制，停止运行指令受库温和冻结时间共同控制。

控制由库房中的温控器和时间继电器控制供液、回气电磁主阀开、启。

4.自控中采用的回路--与高温冷藏库基本相同

1）为降低回气阀压力损失，选用气体常闭型双电磁主阀或气体常开型电磁主阀。

2）融霜为热氨与水融霜相结合。

a）采用热氨与水融霜相结合的除霜方式。

b）采用平时水自动融霜（当水温高于20℃），每星期 1～2次手动热氨融霜（除管内积油）。

小型冷库：

① 供液自控，回汽不自控。

② 冻结间与冻藏间合用同一温度回路，为防止冻结间回气倒窜，冻藏间回汽管设止逆阀。

（四）冰库的自动控制

1.特点：为-15℃蒸发温度回路，蒸发器采用顶排管。

2.控制内容：与采用排管的冻藏间相似，只是温度控制精度不同，为-4℃～-15℃。 库温遥测、蒸发器供液、气汽自动控制、融霜手动控制（热氨加人工扫霜）。

3.中小型冷库中，冰库与制冰间共用同一蒸发回路。为防止制冰间回气倒窜，冰库回气管设止逆阀。

小型冷库的特点：

1)冻结间与冻藏间合用同一蒸发温度回路；冰库与制冰间共用同一蒸发温度回路，直流供液。

2)若货物经常出空，可采用单阀单流向供液回汽调节站。开门融霜。

3)不设紧急泄氨器。

4)负荷稳定时，可采用直流供液。

二、供液的自动控制

（一）液泵循环供液的自动控制

液位控制、高液位报警、流量旁通、液泵保护等。

1、液位控制：浮球液位控制器（或遥控液位计）与供液电磁主阀控制正常工作液位；另一套遥控液位计控制报警液面，报警并切断压缩机电源。

对于低循桶：正常工作液位30%～35%，报警液位为70%。

2、流量旁通：氨泵排出管设旁通阀，将多余的制冷剂旁通到低循桶，防止蒸发器液温升高。

3、氨泵保护：

氨泵保护：在泵出口处设止逆阀防液体倒流。

屏蔽泵设压差控制器，当低循桶液位过低或气蚀时，泵进出口压差小，报警和停泵。

齿轮泵自带安全回放阀，不设保护装置。

开启式离心泵：进口处要有足够的液柱即可。

抽气阀使泵易启动和防气蚀。

（二）浮球阀控制供液

沉浸式和卧式蒸发器液位用浮球阀控制。

（三）中间冷却器的自动控制

液位控制、高液位报警-与低循桶相同。

中压保护（压力高，压缩机启动困难）-设泄压管与低循桶接通。

方案：

①泄压管装旁通阀，超压时阀自动开启，减压到低循桶。

②泄压管装电磁阀和压力控制器，超压时阀自动开启，减压到低循桶。

③泄压管装恒压电磁主阀。使压缩机轻荷启动。

可设自动放油阀。不设排液电磁阀。

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