冷库制冷机组的系统设计与运维

1.  压缩机       

压缩机是制冷机组的心脏 , 其类型、排量和效率直接决定了机组的制冷量和能耗比。活塞式压缩机结构简单 , 调节方便 , 广泛应用于中小型冷库 , 其开启式、半封闭式、全封闭式机型可满足不同工况需求。

螺杆压缩机具有排气量大、振动小、噪音低等优点 , 多用于大型冷库。喷油螺杆机采用高效的容积式喷油冷却 , 有利于提升机组性能系数。近年来 , 随着转子型线、喷油量优化等新技术的应用 , 其在部分负荷工况下的效率也得到大幅提升。

离心式压缩机转速高 , 体积流量大 , 制冷量可达数百万大卡 , 但其压比通常低于 5, 更适合大型单级低温冷库。离心机多采用可调进口导叶、扩压器调节等容量控制技术 , 在满足宽工况范围的同时 , 尽可能降低能耗。

2.  蒸发器        

冷库蒸发器主要采用鳍管式换热器 , 其传热面积大 , 低温下霜少 , 适合长时间连续运行。蒸发器多采用干式吸气方式 , 即制冷剂在蒸发器内完全气化 , 以提高回气过热度 , 防止压缩机液击。

蒸发温度是蒸发器设计的关键参数 , 应与库温密切匹配。蒸发温度越低 , 压缩比越大 , 制冷系统效率越低。因此 , 设计时应在保证蒸发器盘管表面温度低于库温的基础上 , 尽量提高蒸发温度 , 减小温差。

蒸发器的气液分配器设计也至关重要 , 应确保制冷剂在各支路间均匀分配 , 充分蒸发。常用的分配方式有鼓泡式、文丘里式、喷嘴式等。大型蒸发器还应设置集液器 , 防止液体溢出。

3.  冷凝器       

冷库冷凝器的散热方式主要有风冷和蒸发式冷却两种。风冷冷凝器投资省 , 维护简单 , 但散热受环境温度影响较大。蒸发式冷凝器利用水蒸发潜热带走冷凝热 , 在高温干燥地区效果更佳 , 但需定期补水和水处理。

冷凝器的冷凝温度和冷凝压力直接影响压缩机的耗功率 , 因此应合理控制。冷凝温度越低 , 压缩比越小 ,COP 值越高 , 但散热风机功率也会增加。一般风冷冷凝温度比环境温度高 10-15℃, 蒸发冷凝温度则视湿球温度而定。

冷凝器的传热面积和管排数量也是优化的重点。换热面积过小会导致冷凝不充分 , 压缩机耗功增加 ; 面积过大又会增加设备和管路投资。因此 , 应在满足冷凝压力和过冷度要求的基础上 , 适度选择冷凝器规格。

4.  节流装置       

节流装置是连接冷库高压侧和低压侧的关键部件 , 其作用是降低制冷剂压力 , 调节进入蒸发器的制冷剂流量。热力膨胀阀 TXV 依靠蒸发器出口过热度的变化自动调节开度 , 能适应工况波动 , 是冷库的首选节流装置。

热静力膨胀阀利用蒸发压力平衡调节阀芯开度 , 其结构简单 , 价格低廉 , 但调节品质不如 TXV 。电子膨胀阀 EEV 由步进电机控制开度 , 可实现精确调节 , 但成本较高。毛细管虽然结构简单 , 但易堵塞 , 且调节困难 , 在冷库中较少采用。

1.  设计参数的选取原则         

冷库的设计温度和湿度取决于储存货物的种类和保鲜要求。常见的冷冻库温度为 -20℃ 至 -30℃, 冷藏库温度为 0℃ 至 10℃, 气调库温度则因气体成分而异。库温波动度应控制在 ±1℃ 以内 , 以防货品品质劣化。

机组的设计制冷量应满足冷库在夏季极端工况下的冷负荷需求 , 并应留有 10% 至 20% 的裕量 , 以应对货物出入库等瞬时负荷的冲击。冷负荷的计算需考虑库体传热、货物呼吸热、照明设备散热、人员进出等多个因素。

机组的设计工况还应综合考虑冷库所在地的气象参数 , 如室外计算干球温度和湿球温度等 , 以及冷库的使用特点 , 如 24h 连续运行还是间歇运行等。这些因素都会影响机组的选型和能效比。

2.  分系统的匹配与优化       

冷库的制冷系统由多个分系统组成 , 如压缩机系统、蒸发系统、冷凝系统等 , 它们之间需协调匹配 , 优化组合 , 才能发挥最佳性能。系统的匹配性主要体现在制冷剂的流量平衡和压力平衡两个方面。

压缩机的排气量应与蒸发器的制冷剂流量需求相适应 , 既要避免蒸发器供液不足 , 又要防止压缩机过载。冷凝器的散热量应与压缩机的排热量相匹配 , 既要保证冷凝压力稳定 , 又要控制能耗。节流装置的流量特性应与蒸发器和压缩机特性曲线相吻合。

此外 , 还应优化调整系统的运行参数 , 如蒸发温度、冷凝温度、过热度、过冷度等 , 以提高机组在实际工况下的性能系数。一般来说 , 适当提高蒸发温度 , 降低冷凝温度 , 控制适度过热度和过冷度 , 可在保证安全可靠的基础上 , 最大限度地提升机组能效水平。

3.  节能运行策略的应用       

冷库制冷机组的能耗主要来自压缩机和风机电机 , 因此节能的重点是优化压缩机和风机的运行控制策略。变频调速技术可根据负荷需求 , 自动调节压缩机转速和风机频率 , 在满足冷量的同时 , 显著降低能耗。

喷气增焓技术利用膨胀机替代节流阀 , 将制冷剂节流过程的焓降转化为对压缩机的做功 , 可提升机组能效 2% 至 8% 。多级压缩技术采用两个以上压缩机串联 , 使压缩过程更接近等熵过程 , 在高压比工况下可提高效率 3% 至 5% 。

自动化控制技术则通过温度、压力等参数的实时采集和反馈 , 优化协调压缩机、电子膨胀阀、风机等部件的联动逻辑 , 削峰填谷 , 实现机组的节能运行。先进的控制算法 , 如模糊控制、最优控制等 , 可进一步挖掘系统节能潜力。

1.  机组主要部件的安装要求       

压缩机是机组的核心部件 , 安装时应确保就位平稳、水平度调准 , 紧固可靠。活塞式压缩机应特别注意曲轴的同轴度和连杆的定位销方向。螺杆压缩机转子间隙和喷油位置应严格控制。离心式压缩机的叶轮动平衡应符合标准要求。

蒸发器和冷凝器多采用顶装或侧装方式固定在冷库板墙上 , 安装时应避免变形和碰撞 , 保护好铝翅片。安装后应检查盘管紧固件和管路连接件的可靠性 , 确保无泄漏。冷风机与风道的连接应平直和气密 , 减少风量损失。

节流阀的安装位置应尽量靠近蒸发器入口 , 减少吸气管压降。感温包须紧贴吸气管壁 , 注意感温剂量的控制。电子膨胀阀的安装方向应符合要求 , 接线可靠。压力传感器和温度传感器的量程应与工况相匹配。

2.  制冷剂管路的连接与保温       

冷库采用的低温制冷剂对管材有较高的要求 , 一般采用铜管或低温钢管。制冷剂管路应合理布置 , 做到简洁美观 , 减少弯头和接头 , 避开人员活动区域和热源。

管路连接应采用钎焊或氩弧焊等可靠的焊接工艺 , 焊缝表面应饱满光滑 , 无气孔、裂纹等缺陷。焊接前应预制合适的坡口 , 清理管道油污 , 防止杂质进入系统。焊接后应进行氮气吹扫和压力试验 , 确保系统清洁和密封。

管路保温应全程无缝 , 选用发泡聚氨酯、橡塑海绵等低导热材料 , 厚度根据管径和环境温度计算确定。保温层表面应包裹铝皮或 PVC 护套 , 美观耐用。阀门、法兰等管件易产生冷桥 , 应单独保温。

3.  机组的真空、检漏与充注       

管路连接完毕后 , 先用真空泵对系统抽真空至 -0.1MPa, 检查 24h 真空度无明显回升。然后用高纯氮气置换系统 2~3 次 , 再抽真空至 -0.1MPa 。此过程可有效去除管路内水分和非凝性气体。

真空合格后 , 用高压氮气对系统进行强度试验和气密性试验 , 试验压力为工作压力的 1.5 倍 , 保压 24h 压降应小于 0.05MPa 。检漏时可在接头处涂抹皂液 , 观察是否起泡。如发现泄漏 , 必须查明原因 , 及时处理。

检漏合格后 , 再次抽真空至 -0.1MPa, 然后按系统设计充注量分步充注制冷剂。氟利昂制冷剂应充注气态 , 氨制冷剂可充注液态。充注过程应控制速度 , 防止压缩机液击。充注完毕后 , 应运行机组 , 检查系统工况是否正常。

4.  机组的试运行与性能测试       

机组安装和充注完毕后 , 进行试运行 , 考核其制冷量、能耗比等关键性能指标是否满足设计要求。试运行前应编制详细的测试方案 , 包括测试目的、步骤、仪器配备、人员分工、应急预案等内容。

制冷量的测试可采用热平衡法 , 即在稳定运行工况下 , 测量冷库围护结构传热量、货物冷却量、库内设备发热量等 , 计算其总和作为制冷机组的实际制冷量。能耗比则通过测量压缩机和风机的消耗功率 , 折算得到。

试运行过程中 , 还应重点检查压缩机的吸排气压力和温度、电机电流和绝缘电阻、油压和油位、噪音和振动等运行参数 , 判断其是否正常。发现异常情况 , 应及时分析原因 , 采取相应措施 , 确保机组安全运行。

日常维护时 , 应定期检查压缩机的油位和油压 , 确保润滑充分。如发现油中有杂质或乳化现象 , 应及时更换。还应定期排放轴封油腔和曲轴箱积液 , 避免液体进入气缸。每运行 2000h 左右 , 应检查皮带轮和联轴器的同心度 , 紧固螺栓。

大修周期一般为 3~5 年 , 内容包括拆解气缸、轴承 , 检查活塞环、配气阀片的磨损情况 , 测量缸径、轴颈的尺寸精度 , 必要时进行修复或更换。大修还应对电机绕组进行清洁和绝缘处理 , 校核定转子间隙 , 确保电机安全运行。    

蒸发器常采用热气除霜或电加热除霜方式 , 使表冰受热熔化。除霜周期和时长需根据结霜量合理设定 , 既要避免结霜过厚影响传热 , 又要防止除霜过于频繁而耗能。除霜时还应注意冷凝水的排放 , 避免积水冻结。

冷凝器多采用压缩空气或高压水枪清洗翅片表面 , 去除灰尘和油污。清洗后应做好防锈处理。对于蒸发式冷凝器 , 还需定期排污和加药 , 控制水质 , 提高传热系数。

常见的泄漏检测方法有卤素检漏仪、电子检漏仪、肥皂水检查等。泄漏点一般集中在焊缝、阀门、法兰等连接部位 , 排查时应重点关注。如确认发生泄漏 , 应第一时间关闭相关阀门 , 停机检修。

泄漏的修复方法取决于泄漏点的位置和严重程度。对于微小裂纹 , 可采用低温焊接或堵漏剂进行处理 ; 对于阀杆和法兰等密封面的泄漏 , 可更换垫片或填料 ; 对于大面积破损 , 则需要更换部件。修复后 , 应重新试压和检漏 , 确保系统的密封性。    

故障诊断需要对制冷系统有全面的认识 , 了解各个部件的工作原理和性能特点。诊断时应先观察故障现象 , 分析可能的原因 , 再采取针对性的检查和测试手段 , 逐一排查和验证。例如 , 制冷量不足可能是由于压缩机排气量不足、蒸发器结霜、节流阀堵塞等原因引起 , 需结合压力、温度等参数的变化趋势进行综合分析。

排除故障应遵循 " 先急后缓、先重后轻 " 的原则 , 优先解决危及人身和设备安全的问题。对于一些简单故障 , 如接触器烧坏、保护开关跳闸等 , 可现场更换和复位。对于压缩机等关键部件的故障 , 则需请专业人员拆检 , 更换损坏零件 , 必要时送厂大修。

1、变频调速技术的普及应用       

变频调速技术通过变频器实现压缩机和风机电机的无级调速 , 根据冷库温度和负荷的变化 , 自动调节机组的运行功率 , 在满足制冷需求的同时 , 达到节能的目的。相比传统的台数控制方式 , 变频调速不仅能耗更低 , 而且温度波动更小 , 货品品质更有保障。

变频调速在螺杆机和离心机上的应用最为广泛。得益于变频器和电机技术的进步 , 高功率变频器的可靠性和经济性不断提升 , 已成为大型冷库机组的标准配置。对于中小型的活塞机组 , 虽然变频器成本相对较高 , 但从全生命周期来看 , 运行费用的节省也非常可观。  

随着变频技术的成熟和推广 , 预计未来大部分的商业和工业冷库都将采用变频制冷机组。同时 , 针对冷库的负荷特性 , 开发更加智能的变频控制策略 , 与除霜、送风等环节优化协同 , 将进一步发掘变频机组的节能潜力。

CO2 跨临界制冷技术利用 CO2 的低临界温度特性 , 通过气冷器代替冷凝器 , 实现跨临界直接制冷 , 显著提高了制冷效率。 CO2 机组常采用并联压缩、喷射增焓等深度节能技术 , 在高温环境下运行优势明显 , 更适合低温冷冻领域。

氨作为传统的工业制冷剂 , 其热力性能优于大多数氟利昂工质 , 与 CO2 复叠使用 , 可获得更高的能效水平。但氨的毒性和可燃性限制了其在商业冷库的推广。近年来 , 氨制冷机组的半封闭和全封闭设计日趋成熟 , 泄漏检测和防护措施也更加完善 , 有望重新得到市场青睐。

丙烷、异丁烷等碳氢化合物的热力性能与 R22 相当 , 但其可燃性一直是制约应用的瓶颈。随着微通道换热和低充注技术的进步 , 碳氢制冷剂的安全性大为提升。一些国际著名的冷库设备供应商已推出了丙烷冷凝机组 , 其能效比可达到 3.0 以上。    

大数据分析技术则可对上述信息进行挖掘 , 优化冷库的温度分布、货位布局、货品周转等仓储管理策略 , 最大限度地减少货品损耗。针对设备运行数据 , 采用机器学习算法 , 建立机组能耗模型、健康评估模型 , 指导节能运行和预测性维护 , 避免非计划停机。

此外 ,VR 、 AR 等可视化管理技术在冷库的运维和培训中也有广阔的应用前景。利用三维模型和虚拟装配 , 可实现机组和货架布局的仿真分析和优化。通过可视化的设备操作流程和故障处理指南 , 可提高作业人员的技能和效率。

总之 , 随着人工智能、互联网等新一代信息技术与传统制冷技术的深度融合 , 冷库制冷机组必将迎来智能化的变革 , 实现更高水平的节能、安全、便捷、高效运行 , 为经济社会的可持续发展提供有力支撑。