【暖通学院】小型冷库制冷工艺设计

小型冷库一般由冻结间、高温冷藏间、低温冷藏间、常温穿堂、值班室、机房等组成。图1为冷藏容量30吨的生产性小型冷库建筑平面图；图2为冷藏容量为100吨的生活供应性小型冷库建筑平面图。

（一）冻结间：冻结间也称急冻间、速冻间,冻结间的室内设计温度为-23℃～-30℃。

（二）高温冷藏间：高温冷藏间的室内设计温度一般为0～2℃。

（三）低温冷藏间：低温冷藏间也称冻结物冷藏间，室内温度一般在-12℃以下，贮存肉类时室温为-18℃～-20℃。

（四）穿堂：穿堂是食品进出库的通道，并起到沟通各冷间、便于装卸周转的作用。目前冷库设计中较多采用库外常温穿堂，将穿堂布置在冷库主体建筑之外。

（五）机房：压缩机间、设备间、水泵房、配电间、工人值班室组合在一起的部分称为机房。

冷库容量的确定：

（一）冻结间冻结量的计算：

小型冷库的冻结间一般以搁架式排管作为冷分配设备兼货架，搁架式排管冻结间的每昼夜冻结量按下式计算：

式中：G—冻结间每昼夜冻结能力（t）；

η—搁架利用系数，取值为：盘装食品η=0.85～0.90；听装食品η=0.7～0.85；箱装食品η=0.7～0.85；

A—搁架各层有效载货面积之和（不包括弯头部分）（m2）；

a—每件冻结食品容器所占面积（m2）；

g—每件食品净重（kg）；

T—冻结一次周转的时间（h）；

24—每昼夜小时数（h）；

1000—吨和千克之间的数值变换。

（二）冷库冷藏间的容量计算

冷库冷藏间的容量以冷藏间的公称容积为计算标准，其贮藏吨位G可按下式求得：

式中 G—冷藏间贮藏吨位（t）；

V—冷藏间公称容积（m3）；

ρ—食品的计算密度（kg/m3），见表-1；

η—冷藏间容积利用系数；见表-2；

1000——吨与千克间的数值变换。

表-1 食品的计算密度表

注：同一座冷藏库如同时存放猪、牛、羊肉、禽类、水产品等，其密度均按400kg/m3计。当只存羊腔时，密度按250kg/m3；只存冻牛、羊肉时，密度按330kg/m3计算。

表-2小型冷库容积利用系数

注：蔬菜冷库的容积利用系数应按表-2数值乘以0.8的修正系数。

冷藏库耗冷量计算：

冷藏库耗冷量计算包括围护结构耗冷量φ1、货物耗冷量φ2、通风换气耗冷量φ3、连续运行的电动设备耗冷量φ4和操作管理耗冷量φ5五个部分。

一、围护结构耗冷量的计算：

围护结构耗冷量按稳定传热公式计算：

φ1=KA（tW–tn）a

式中：K—围护结构的传热系数[W/（m2?℃）]；

A—围护结构传热面积（m2）；

tW—围护结构外侧计算温度（℃）；

tn—围护结构内侧计算温度（℃）；

a—围护结构两侧温差修正系数。

（一）围护结构传热面积A的尺寸丈量

1．地面、屋面的面积：内墙的中到中或外墙的外表面到内墙中。

2．墙高度

1）中间层：由该层楼板面至上层楼板面。

2）最高层：由该层楼板面至屋盖外表面或阁楼绝热层的上表面。

3）首层：

①土壤上无绝热层的地坪：由该层地坪表面至上层楼板面；

②土壤上有绝热层的地坪：由绝热层下表面至上层楼板面；

③有架空通风的地坪：由架空板的下表面至上层楼板面；

④埋设通风管的地坪：由通风管顶表面至上层楼板面。

3．外墙长度

1）有拐角的外墙：由端部外表面至内隔墙中线。

2）没有拐角的外墙：由内隔墙的中到中。

4．内墙长度

1）两端连接外墙的：两外墙内表面的距离。

2）一端连接外墙的：由外墙内表面至内隔墙中。

3）两端内墙：由两内墙中到中。

（二）围护结构传热系数K的确定

在计算耗冷量时，围护结构已经确定，故传热系数可根据围护结构的材料和具体构造按下式进行计算：

式中：αw、αn—围护结构外、内表面的放热系数[W/（m2?℃）]，见表3；

δ1、δ2—围护结构各构造层厚度（m）；

λ1、λ2—围护结构各构造层的导热系数[W/（m?℃）]，查有关设计手册。地面的传热系数可查表-4和表-5。

表-3 冷藏库围护结构外表面和内表面放热系数

式中：αw、αn—围护结构外、内表面的放热系数[W/（m2?℃）]，见表3；

δ1、δ2—围护结构各构造层厚度（m）；

λ1、λ2—围护结构各构造层的导热系数[W/（m?℃）]，查有关设计手册。地面的传热系数可查表-4和表-5。

表-3 冷藏库围护结构外表面和内表面放热系数

（三）围护结构内外侧计算温度的确定

1、围护结构外侧计算温度

围护结构外侧的计算温度应按下列规定取：

1）计算外墙、屋面、顶棚时，tW应采用夏季空气调节室外计算日平均温度。

2）计算内墙和楼面时，tW应取其邻室的室温。当邻室为冷却间或冷冻间时，应取该类冷间空库保温温度。空库保温温度，冷却间应按10℃计算，冷冻间应按-10℃计算。

3）冷间地面隔热层下设有通风加热装置时，其外侧温度按1～2℃计算；如地面下部无通风等加热装置或地面隔热层下为通风架空层时，其外侧的计算温度应采用夏季空气调节日平均温度。

2、围护结构内侧计算温度

围护结构内侧计算温度即库房室内设计温度，见表-6。

（四）围护结构两侧温差修正系数a值

围护结构两侧温差修正系数a值见表-7。

表-6 库房设计温度和相对湿度

注：1．D为围护结构热惰性指标，材料层热绝缘系数M （传热阻R）与蓄热系数S的乘积，即D=M[m2/（℃?w）]?S（m/m2?℃）；重型结构的外围护结构总热惰性指标D>6（不常用）；中型结构的外围护结构总热惰性指标 D≥4（不常用）；轻型结构的外围护结构总热惰性指标D≤4（常用）。

2．负温穿堂可参照冻结物冷藏间选用a值；

3．表内未列的其它库温等于或高于0℃的库房可参照各项中冷却间的a值选用。

二、货物耗冷量的计算：

一般食品进库时的温度都高于库房温度，食品温度与库房温度之差会导致食品向库内放热。生鲜食品当其为活体时，还要进行呼吸，吸进氧气与体内糖类进行氧化分解，这种生理作用也是放热反应；带包装的食品，由于进出库温差的存在，包装材料还会有显热放出等等。这些放出的热量就构成了一项货物耗冷量φ2。货物耗冷量按下式计算：

式中：φ2a—食品热量（W）；

φ2b—包装材料和运载工具热量（W）；

φ2C—食品冷却时的呼吸热量（W）；

φ2d—食品冷藏时的呼吸热量（W）；

换算成W的数值；

G—库房的每日进货量（Kg）;

h1、h2—食品进入库房初始温度和终止降温时的焓值（KJ/kg），见表-8；

T—货物冷却时间（h）；对于冷藏间取24h，对于冷却间、冻结间取设计冷加工时间；

B—货物包装材料或运载工具重量系数，见表-9；

Cb—包装材料或运载工具的比热容[KJ/（k?℃）]，见表-10；

t1、t2—包装材料或运载工具进入库房时和终止降温时的温度（℃）；

ｑ1、ｑ2—食品冷却初始温度时和终止温度时的呼吸热量（W/kg），见 表-12；

Gn—冷却物冷藏间的冷藏量（Kg）。

使用以上公式时应注意以下几点：

1、当冷库仅有鲜水果和鲜蔬菜的冷藏间时，只需计算φ2C和φ2d。

2、如冻结过程中需加水时，应把水的热量加入公式值内。

3、库房每日的进货量G应按下列规定取值：

1）冷却间或冷冻间应按设计冷加工能力计算；

2）存放果蔬的冷却物冷藏间应按不大于该间冷藏吨位的8%计算；存放鲜蛋的冷却物冷藏间，应按不大于该间冷藏吨位的5%计算；

3）有从外地调入货物的冷藏库，其冻结物冷藏间每间每日进货量应按该间冷藏吨位的5%计算；

4）无外地调入货物的冷藏库，其冻结物冷藏间每间每日进货量一般宜按该库每日冻结量计算；如该进货量大于按该冷藏间吨位5%计算的进货量时，则应按冷间冷藏吨位的5%计算。

4、货物进入冷间时的温度，应按下列规定来计算

1）未经冷却的鲜肉温度应按35℃计算，已冷却的鲜肉温度按4℃计算。

2）从外地调入的冻肉温度按-8～-10℃计算。

3）无外地调入货物的冷库，进入冻结物冷藏间的货物温度按该冷库冻结间终止降温时的货物温度计算。

4）鲜蛋、水果、蔬菜的进货温度按当地货物进入冷间生产旺月的月平均温度计算。

5、包装材料或运载工具进出库房的温度按下列规定取值：

1）包装材料或运载工具进入库房温度的取值应按夏季空调日平均温度乘以生产旺月的温度修正系数（见表-11）。

2）包装材料或运载工具在冷间内终止降温时的温度，一般为该冷间的设计温度。

表-8 食品焓值表（KJ/KG）

三、通风换气耗冷量的计算

室外空气进入冷间将被冷却，同时空气的含湿量也将产生变化，导致一部分水蒸气凝结也将消耗一定的冷量，这二项就构成了冷间的通风换气耗冷量φ3。

通风换气耗冷量φ3按下列公式计算：

式中：φ3a—冷却物冷藏间换气耗冷量（W）；

φ3b—操作人员需要的新鲜空气耗冷量（W）；

hw—室外空气的焓（KJ/Kg）；

hn—室内空气的焓（KJ/Kg）;

n—每日换气次数，一般可采用2-3次；

V—冷藏间内净容积（m3）；

ρn—冷藏间内空气密度（Kg/m3）；

24—每日小时数；

30—每个操作人员每小时需要的新鲜空气量（m3/h）；

nr—操作人员数；

换算或W的数值。

采用上式计算耗冷量时，应注意以下几点：

1）通风换气耗冷量只适用于贮存着有呼吸作用食品的冷藏间。

2）有操作人员长期停留的加工间、包装间等冷间，需计算操作人员需要新鲜空气的冷负荷φ3b，其余冷间可不计。

3）室外空气的焓应按夏季通风室外计算温度及夏季室外计算相对湿度取值。室内空气的焓应按冷间设计温度和相对湿度取值。

四、电动机运转耗冷量的计算

电动机运转热量是由冷库内工作的冷风机、运输链、搬运设备（电瓶车等）所带电动机所产生。其热量聚集在冷间里，靠制冷装置带走，这给制冷系统又增加了一部分耗冷量φ4，其计算如下：φ4=1000∑Pξb

式中： P—电动机额定功率（KW）；

ξ—热转化系数，电动机在库房内时应取1，电动机在库房外时应取0.75；

b—电动机运转时间系数；对于冷风机配用电动机取1，对冷间内其它设备配用的电动，一般可按每昼夜操作8h计，则b=8/24=0.33。

1000—1KW换算成W的数值。

五、操作管理耗冷量的计算

冷库由于操作的需要，要有库房内的照明，库门由于食品和操作人员的进出库要经常开启，以及操作人员在库内操作，这些都使冷库耗冷量增加。操作管理冷库耗冷量φ5按下式计算：φ5=φ5a+φ5b+φ5c

式中：φ5a—照明耗冷量（W）；

φ5b—开门耗冷量（W）；

φ5c—操作人员耗冷量（W）；

φd—每m2地板面积照明热量；冷藏间、冷却间、冻结间可取2.3W/m2，操作人员长时间停留的加工间、包装间等可取4.7W/m2；

A—库房地板面积（m2）；

nk—门樘数；

n—每日开门换气次数,见下页图-3；

hn、hw—库房内外空气的焓（KJ/Kg）；

V—库房内净体积（m2）；

m—空气幕效率修正系数，可取0.5；如不设空气幕则取1；

24—每日小时数；

ρn—库房空气密度（Kg/m3）

每日操作时间系数，按每日操作3小时。

nr—操作人员数量；

φr—每个操作人员产生的热量，W/人；库房设计温度高于或等于-5℃时，取279W/人，库房设计温度低于-5℃时取395W/人。

采用上式计算耗冷量时，应注意以下几点：

1、冷却间、冷冻间不计算φ5这项耗冷量。

2、操作人员数可按冷间的容积每250m3增加一人。

小型冷藏库制冷工艺设计：

库房制冷工艺设计是冷藏库工艺设计的重要组成部分，它是在确定了冷间冷却设备负荷之后，着重研究冷却排管设计、冷风机的选型计算等内容。

一、负荷计算：

负荷的计算包括冷间冷却设备负荷计算和机械负荷计算。

（一）冷间冷却设备负荷计算

计算冷间冷却设备负荷时，要考虑到热源产生热量的不均衡性，其中φ2的波动产生不均衡性影响最大（在食品冻结过程中，冻结过程开始时及最大冻结生成时其放热量最大，超过冻结过程中平均放热量），所以要对φ2进行修正。冷间冷却设备负荷计算为：

φS=φ1+Pφ2+φ3+φ4+φ5

式中：φS—冷间冷却设备负荷（W）；

φ1—围护结构耗冷量（W）；

φ2—货物耗冷量（W）；

φ3—通风换气耗冷量（W）；

φ4—电动机运转耗冷量（W）；

φ5—操作耗冷量（W）；

P—货物负荷系数，冷却间、冻结间和货物不经冷却而进入冷 却物冷藏间的货物负荷系数取值为1.3，其它冷间取1。

各冷间冷却设备负荷根据冷间作用不同而计算有所不同，如冻结间就没有操作热量，冻结物冻藏间没有通风换气热量，各冷间冷却设备负荷的组成，见表-13。在冷间冷却设备负荷计算时，冷却设备都是按冷间单独设置，所以冷却设备负荷计算也要按冷间分开计算。

表-13 各冷间冷却设备负荷φS组成表

二）冷间机械负荷计算

冷间机械负荷是整个冷库选用制冷机所具有的制冷能力，它需要适合冷库全年生产的要求，又要充分考虑到冷库常年经营费用的经济性。在一般情况下冷间机械负荷计算时，应根据实际情况对各种计算耗冷量进行修正。冷间机械负荷的计算公式为：

φj=（n1∑φ1+n2∑φ2+n3∑φ3+n4∑φ4+n5∑φ5）R

式中：φj—冷间机械负荷（W）；

n1—围护结构耗冷量的季节修正系数，一般应根据生产旺季的出现月份，查表-14，当全年生产无明显的淡旺季区别时，应取1；

n2—货物耗冷量的机器负荷折减系数；冷加工间和其它冷间应取1；

冷却物冷藏间按下列数值取值：公称容积为10000m3以下时取0.6；

公称容积10001～30000m3时取0.45； 公称容积为30001m3以上时取0.3；

冻结物冷藏间按下列数值取值：公称容积为7000m3以下时取0.5； 公称容积为7001～20000m3时取0.65； 公称容积为20001m3以上时取0.8；

n3—同期换气系数，一般取0.5—1.0，根据同时最大换气量和全库每日总换气量的比率选择，比率大时取大值；

n4—冷间用电动机的同期运转系数。冷却间、冻结间、冷却物冷藏间中的冷风机，取值为1，其它冷间按表-15取值；

n5—冷间同期操作系数，按表-15取值；

R—制冷装置和管道等冷损耗补偿系数，一般直接冷却系统取值1.07，间接冷却系统取值1.12。

表-14季节修正系数

二、库房冷分配设备的选型计算

（一）排管的设计计算

排管的设计计算是确定排管的结构型式，计算排管的冷却面积（蒸发器传热面积）和长度。

1、排管冷却面积计算

排管的冷却面积按下式计算：

式中 ：φS—排管的设计冷负荷（W）；

K—排管的传热系数[W/（m2?℃）]，查表-16；

Δt—冷藏间温度与蒸发温度之差，宜按算术平均温差计算，并不宜大于10℃。

表-16 排管传热系数表

2、排管用钢管总长度及排管结构尺寸的确定

根据排管冷却面积F和所采用的无缝钢管规格，可计算出排管所用管子的总长度L：

式中：F—排管的冷却面积（m2）；

f—每米长无缝钢管的外表面积（m2）。

根据排管用管子的长度来确定排管的长度、根数及高度等结构尺寸。

（二）冷风机的选型计算

1、根据库温选择冷风机类型；

2、根据库房相对湿度Φ查图-4确定时数平均温差Δt；

3、根据工况及Δt，查表-19确定冷量修正系数CF；

4、以计算确定冷库所需负荷φS乘以修正系数CF的数作为选定冷风机的冷量，确定冷风机的具体型号。

表-19冷量修正系数CF表：

下面以一例题说明冷风机的具体选择方法：

[例1]已知设计冷负荷φS=15.28KW，库房相对湿度Ф=78%，库房温度-15℃（蒸发温度-25℃），工质为R22，试选择冷风机。

[解]选择步骤和方法如下：

（1）因库温为-15℃，查有关设计手册，选择DD型冷风机，双重翅片节距为8/4mm。

（2）由相对湿度Ф，据Ф与Δt的关系曲线确定Δt=6℃。

（3）由冷量修正系数表查得CF=1.8。

（4）冷风机的选型冷量为：1.8×15.28=27.5KW。

（5）由参数表查得所选冷风机型号为DD100，名义制冷量为30.23KW，富裕系数为10%。

小型冷库氟利昂制冷系统的图式：

小型冷库一般采用氟利昂制冷剂的整体型冷机，冷机的冷凝器有水冷式和风冷式两种，常用的制冷剂有R12、R22和R502，当小型冷库要求蒸发温度-30℃时，仍可采用单级压缩制冷。

为了提高制冷效率，应采用回热循环，即让制冷剂在膨胀前过冷，但小冷库通常不设回热热交换器，而是将膨胀阀前的供液管和回气管捆扎在一起，进行耦合保温，达到液体过冷、回气过热的效果。

小型冷库典型制冷系统的图式见图-5～-8。

小冷库工程实例：

图-9 公称容积为150m3 (20t冷风机式)的小型冷库制冷工艺原理图

图-10 公称容积为150m3 (20t冷风机式)的小型冷库制冷工艺剖面图

图-11公称容积为150m3 (20t排管式)小型冷库制冷工艺原理图

图-12公称容积为150m3(20t排管式)小型冷库制冷工艺剖面图

来源：制冷世界