中小型冷库制冷设备和制冷剂选型设计

     随着生鲜电商、连锁超市等新兴业态的崛起,中小型冷库需求旺盛。然而受场地、成本等条件制约,如何优化制冷系统设计,提高能效水平,成为摆在业界面前的重要课题。本文围绕中小冷库的特点、制冷需求等展开分析,重点探讨了制冷设备选型、制冷剂应用等关键环节,尤其是详细论证了NH3在中小冷库领域的应用潜力。希望本文能为中小冷库的建设运营提供有益参考。

 

相比大型冷库,中小冷库占地面积小、投资回收期短,更加灵活便捷[1]。据不完全统计,截至2020年底,国内中小冷库保有量约5000万立方米,仍是冷链物流的薄弱环节[2]。随着冷链下沉趋势加快,预计未来5年中小冷库需求量将突破8000万立方米。然而,受场地限制、资金紧张等因素制约,中小冷库的建设规划、设备选型等环节尚不成熟,亟需技术创新突破瓶颈[3]。

一、 中小型冷库特点与制冷需求      

       

(一)中小型冷库的特点
1.占地面积小:库容一般在1000~10000立方米,占地面积多在500平米以下[4]。受场地限制,对制冷设备的小型化、集成化提出更高要求。
2.温区单一:大多为单一温区,只服务于某一冷冻或冷藏品类,温湿度控制要求相对简单[5]。
3.散热困难:由于库体小,库温负荷密度大,散热困难。尤其夏季高温天,围护结构传热量骤增,对制冷系统的适应性提出严苛挑战[6]。
4.配送频繁:作为城市配送网络的中枢,进出库频繁,每日开门时间长。货物搬运、门频开启等引起的显热负荷波动大,亟需灵活调节[7]。
5.全天候运转:配送业务不间断,对设备可靠性、系统运行稳定性要求极高。

(二)中小型冷库的制冷需求      
  1.温度需求:根据储存品类,大致分为冷冻(-20~-30℃)、冷藏(0~10℃)两种温区[8]。不同食材对库温控制精度要求不一,如速冻食品、冰淇淋等需控制在±1℃以内。  
  2.湿度需求:库内湿度应控制在85%。

3.气流组织:要求气流均匀,无死角,风速0.2 0.5m/s,避免局部过冷或温度梯度大[10]。
4.降温速率:启动初期,需快速降温,以缩短货品在高温区的停留时间。一般要求在24h内达到储存温度[11]。
5.节能环保:中小冷库多分布在城市核心区,应最大限度节约能耗,降低碳排放,减少噪音,实现绿色低碳运营。

二、 中小型冷库的制冷设备选型      

       

(一)压缩机选型      
  1.活塞式压缩机:可靠性高,维修便捷,造价低,是中小冷库的首选。其缺点是体积庞大,噪音较大[12]。宜选用半封闭或全封闭式,减少泄漏。  
  2.螺杆式压缩机:体积小,运行平稳,噪音低,节能效果好。但价格较贵,维修不便[13]。适用于对环境要求高的场合。  
  3.涡旋式压缩机:结构紧凑,无阀片,可靠性高,但压缩比受限,多用于小型冷藏冷库[14]。

(二)蒸发器选型      
  1.鳍片管式蒸发器:传热系数高,制冷量大,但易结霜,除霜周期短[15]。适用于温度波动小的冷藏库。  
  2.板翅式蒸发器:紧凑高效,配合电融霜系统使用,可延长除霜周期[16]。适用于频繁除霜的速冻库。  
  3.喷淋式蒸发器:传热均匀,可同时调节温湿度,防止货品冻伤[17]。但容易产生冷凝水,易滋生细菌,需定期清洗消毒。

(三)冷凝器选型      
  1.风冷冷凝器:结构简单,安装方便,广泛应用于中小冷库。但散热效果受环境温度影响大,夏季高温时降低能效[18]。需合理布置,加大散热面积。  
  2.水冷冷凝器:采用闭式冷却塔,散热效果好,能效比高,噪音低。但投资大,需定期清洗,防止水垢[19]。  
  3.蒸发式冷凝器:利用水蒸发带走热量,效果好,但水耗大[20]。适用于水资源充沛、电价高的地区。

 

三、 NH3在中小型冷库的应用      

       

(一)NH3的优点      
  1.热力性能优越:NH3的蒸发潜热高达1371kJ/kg,是常用制冷剂中最高的,单位质量制冷量大[21]。其导热系数是R22的6倍,传热强化效果好[22]。  
  2.温度适应范围广:临界温度高达132.4℃,能在-50℃~+50℃的宽温区平稳运行[23]。饱和蒸气压低,跨临界风险小。  
  3.绿色环保:ODP为0,GWP仅为0.02,是公认的"天然工质"[24]。不含氯氟,分解产物无毒,符合环保政策导向。  
  4.经济性好:NH3造价低,每千克仅为氟利昂的1/3~1/4。且NH3单位制冷量大,循环充注量少,初投资低[25]。  
  5.氢燃料适配性:NH3易于制取、存储、运输,是理想的氢能载体[26]。冷库若配备氢燃料电池,可就地制取NH3,实现"冷热电"高效协同。

(二)NH3的缺点及应对      
  1.毒性:NH3有刺激性气味,大量吸入可导致中毒。但置换通风即可降低浓度,且人对NH3气味极为敏感,可及时察觉泄漏[27]。宜设置NH3检测报警装置,制定应急预案。  
  2.易燃性:NH3与空气混合,浓度在15%~28%时遇火源可燃烧。但其燃点高达651℃,远高于烃类[28]。只要严格控制泄漏,加强管路检修,配备灭火器材,便可杜绝燃爆事故。  
  3.腐蚀性:NH3对铜、锌等有腐蚀作用,但对钢铁、不锈钢无影响[29]。宜选用钢制管道和设备,并定期检查,及时处理锈蚀隐患。  
  4.压缩比限制:NH3在低温时蒸气密度小,压缩比受限。采用双级或多级压缩,可有效解决此问题[30]。

(三)NH3在中小冷库的应用实践      
  1.美国某农产品配送中心,库容5000立方米,采用NH3/CO2复叠制冷,COP高达2.36,年运行费用降低21%[31]。  
  2.加拿大某连锁超市分仓,库容8000立方米,NH3冷冻+R290冷藏,实现无氟化运营,节能率达30%以上[32]。  
  3.北欧某食品加工厂,建有2000立方米速冻库,采用NH3低温卡诺达循环,提高蒸发温度10℃,制冷COP提升39%[33]。  

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