浅谈半封闭单机双级螺杆压缩机在食品冷藏链中的节能优势

　　摘  要：本文以“复盛”低温半封闭单机双级螺杆压缩机为例，对单级螺杆式压缩机与单机双级压缩机各自的应用范围及性能比较，揭示了在R22与R404A制冷系统中，蒸发温度低于-30℃时带经济器的单机双级螺杆式压缩机组在食品冷藏链制冷系统中的制冷量、制冷效果上有着明显的节能优势，有广泛的市场应用前景。

　　食品冷藏链是在二十世纪随着科学技术的进步，制冷技术的发展而建立起来的一项系统工程。它是建立在食品冷冻工艺学的基础上，以制冷技术为手段，使易腐农产品从生产者到消费者之间的所有环节，即从原料（采摘、捕捞、收购等环节）、生产加工、运输、贮藏、销售流通的整个过程中，始终保持合适的低温条件，以保证食品的质量，减少损耗。这种建立在食品冷冻工艺学上的连续低温环节称为冷藏链（Cold Chain）。目前，为适应市场需求，提高农副产品的附加值，减少生产和分配中的食品消耗，保证各个季节市场的合理销售，我国的农副产品已从初级原料生产阶段不断的向高附加值的深加工阶段转变，把资源优势转化为市场优势和经济优势。

　　食品冷藏链主要为冻结温度带与冷却温度带保质的两大类产品服务。

　　冷却温度带产品，如冷冻保鲜肉禽、果蔬、低温保鲜奶品，通常根据品种不同，分别需要在-3℃～15℃低温条件下进行加工处理及流通。

　　冻结温度带是指市场上各种调理冷冻食品、分割的畜禽肉块以及冰淇林等冷饮品都属于冻结温度带产品，这类食品一般在-30℃以下温度快速冻结，甚至要求到-35℃左右，。然后在-18℃至-25℃之间贮存流通。在欧美和日本等发达国家，为了提高冻结食品的质量，多趋向于采用-25℃至-30℃的冷藏温度。因为食品冻结后的贮藏温度越低，食品的稳定性越好，贮藏周期越长，如图1所示。但是冻结温度的降低将对冷冻系统，特别是对制冷压缩机的可靠性及效率提出了更高的要求，如选用活塞式单机双级并联机组，则会产生压缩机台数多，操作管理不便，且成本高等问题，选用开启式氨机单机双级螺杆，工期长，维护成本、使用成本高及安全性差。

　　中小容量的速冻装置的传统设计一直以来是采用单级或两级往复式压缩机。但是，在低圆周速度下具有最佳转子型面的螺杆式压缩机发展，对在速冻装置中选用螺杆式压缩机提供了很有价值的参考。

 

　　图1食品储藏期与储藏温度关系曲线

　　1.2 多级压缩应用的必要性

　　要保证速冻食品的质量，关键主要在于提高食品的冻结速度，同时在储藏和运输过程中控制速冻食品的温升，因为较大温度波动会导致冰晶的生长，细小的冰晶不断长大，直到破坏食品的组织结构，以至于使速冻食品的优点逐渐的消失。在速冻食品的冻结和储藏过程中，需要制冷设备达到-50～-60℃的蒸发温度，而单级压缩制冷机只能获得-20～-40℃的温度，只能满足普通食品的冷藏和冷冻。速冻食品的生产必须采用多级压缩制冷机，其中应用最多的是两级压缩制冷机。若选用单级半封闭螺杆压缩机组配经济器的并联机型，当蒸发温度低于-40℃ 时，由于机器本身结构特点，能效比较低。在这些低温应用场合，采用半封闭单机双级螺杆压缩机组或配组双级螺杆并联机组将是节能、成本低的最合适的方案。

　　螺杆单机双级压缩制冷循环每级压比减小，泄漏少、绝热损失少；容积效率高，制冷量大；中冷器过冷，从而使制冷量增加，制冷系数提高；转子轴承受力小，使用寿命长；绝热效率高，电机功率省、节能、易于实现自动化控制，是一种高效的具有国际先进水平的制冷循环方案。

　　单机双级螺杆机组的结构十分紧凑；低压级和高压级共用1台电机，有较高的运转效率，所以节能；并联单机双级螺杆机组可以采用多台压缩机交替运转，机组的寿命也得到延长。另外，机组所配置的极好的润滑油监测和分配系统保证了系统运转的高度安全性。除此之外还可利用回收废热产生热水、热氟融霜，同时也提高了整个制冷系统的效率。

　　单机双级螺杆机组蒸发温度范围R22:-30℃～-60℃(R404A:-65℃)；制冷量范围:63KW～756KW(±40℃)；特点:噪音低、震动小、抗液击能力强；油路简单(压差供油、开机仅用一台预润滑油泵)；操作方便(自动化程度高，机组采用PLC触摸屏控制或并联机组专用自动控制器)，可直接与各种冷风机、钢(铝)排管、壳管式蒸发器或其它类型蒸发器匹配组成完整的制冷系统。其不足是高、低压级容积比偏小，尤其在蒸发温度低于-40℃时与最佳容积比有一定偏差。

　　单机双级螺杆压缩机因在单台压缩机内实现两级压缩，进一步延伸了螺杆压缩机的低温应用范围。制冷循环方式一般为两级压缩一级节流中间不完全冷却循环。因为中间完全冷却循环的中间冷却器体积较庞大，不适合机组配置，所以机组带一台中间不完全冷却的中间冷却器(一般为板式热交换器为宜)，无论对R22、R404A或是其它制冷剂，均采用中间不完全冷却的循环方式。图2和图3描述了当前市场上主要的低温螺杆压缩机与单机双级螺杆压缩机在R22和R404A制冷系统中的应用范围。

　　随着人民生活水平的提高，人们对冷冻食品品质要求不断提高以及我国节能降耗的迫切要求，对将来新建的食品冷藏链系统，选择什么类型的制冷压缩机不但需要考虑其运行范围，更应该考虑到制冷系统的运行效率等问题。随着制冷技术应用领域的日益广泛，制冷装置消耗的能源也在迅速增加。因此，制冷装置的节能正引起越来越广泛的重视。图4描述了冷冻市场压缩机技术应用发展历程―氟用；图5为各厂牌冷冻压缩机的规格范围。

　　图4 冷冻市场压缩机技术应用发展历程―氟用

　　实际上，单级与双级在压缩过程不会依等熵行程进行，当高压缩比时，其容积效率降低，质量流量減少，使性能系数COP值大幅度地下降。图6举例了R404A的单级压缩机和双级压缩机的实际运转工況下的比较。对螺杆机而言，当蒸发温度长期小于等于－30℃时，并不是所有情况都需要采用双级压缩，当所需制冷量较小时，可采用单台带经济器螺杆式制冷机组以简化系统。仅在蒸发温度处于－30℃ 以下的场合，宜采用双级系统；温度要求更低的场合，特别在蒸发温度在－40℃左右的场合，双级系统的节能优势十分明显。

　　图6 单双级螺杆机性能比较(H) R404A

　　下面以复盛实业(上海)有限公司自主研发的SDL系列低温半封闭单机双级螺杆压缩机的具体实例来描述，相对于带经济器的单级半封闭螺杆压缩机的节能优势。

　　●单机双级半封闭螺杆压缩机；●马达中间压冷媒冷却；●中间压喷液冷却及节能器；●高效率双段螺旋齿形；●可搭配高效率油分离器；●有段与无段容量调节；●低振动平衡装置；●高效率马达。

　　●特别适用于低温工况（蒸发温度：-30～-65℃）；●可并联使用，最多可达6并联，满足大冷量需求；●系统应用简单，节约投资成本；●对比单级低温螺杆压缩机节能30%以上，节约使用成本。（表1）为“复盛”SDL系列半封闭单机双级螺杆压缩机规范；图8为“复盛”半封闭单机双级螺杆压缩机选型软件（中文版）。（表1、图8、表2）
 

　　图8 “复盛”半封闭单机双级螺杆压缩机选型软件

　　1）带经济器的压缩机为“比泽尔”HSN8571-125(125HP)半封闭螺杆单级压缩机。

　　2）双级制冷压缩机为“复盛”SDL330B(75HP)半封闭单机双 级螺杆压缩机。

　　3）制冷系数=制冷量/轴功率。

　　4）R22效率比单机带经济器压缩机组提高30.8%。

　　5）R404A效率比单机带经济器压缩机组提高49%。

　　2、福建某食品股份有限公司制冷工程项目采用“复盛”半封闭单机双级螺杆压缩机的工程概况及方案考虑

　　该制冷工程项目为福建某食品股份有限公司速冻车间生产过程中的速冻设备提供用冷要求，速冻机房与原制冷机房共用，提供蒸发温度为-42℃、冷凝温度为+35℃(蒸发冷)，需冷量为340kW的用冷要求。

　　下面以工艺用冷要求: 蒸发温度为-42℃、冷凝温度为+35℃(蒸发冷)，需冷量为340kW的用冷要求为例该制冷方案的设计思路和过程.

　　根据工艺生产提供的用冷温度要求以及低温多机单级并联方案特点，该制冷系统应采用螺杆单机双级压缩制冷循环装置，制冷剂选择R22。下面介绍两个主要方案的比较：

 

　　螺杆单机双级压缩制冷循环方案同带经济器螺杆压缩机制冷循环方案相比；经过与用户针对上述数据分析我们可知：

　　① 运行成本降低15%～20%，② 投资减少，

　　③ 制冷系数提高，④ 减少附属设备台数及相应的自控元件、阀门，有利于压缩机的通用性，系统工作的稳定性及相对节能效果。

　　任何一种制冷方案都不可能尽善尽美。工程考虑中要因地制宜，既要考虑冷冻设备的初投资、运行费用等

　　经济性问题，也要考虑冷冻设备的噪声、振动、运行、操作、维护管理等技术性能问题，与工程整体及周围环境相协调；既要考虑当前投资效益，也要考虑长远利益，合理的选择制冷方案。

　　通过再三综合考虑，用户最终选择方案一，并经调试运行，发现系统运行稳定，节能效果明显，值得推荐单机双级螺杆压缩机。

　　从表2可以看出，随着蒸发温度的降低，双级压缩比单级带经济器螺杆制冷量增加幅度、制冷系数提高幅度不断加大，节能效果明显！

　　随着我国食品冷藏产业链快速发展以及节能减排意识的提高，单机双级螺杆压缩机以其突出的节能优势将在我国食品冷藏产业链中扮演著越来越重的角色，具有广阔的市场前景。

 

　　附图：单机双级螺杆压缩机PLC控制逻辑框图

　　［1］ “复盛”SDL系列单机双级螺杆式制冷压缩机《技术手册》。

　　［2］ 北京“比泽尔”制冷设备有限公司 Bitzer 半封闭螺杆压缩机（HS.85系列）SP-110-4-CN。

　　［3］ 杨博、赵刚《我国食品冷藏供应链现状及构建》上海海事大学交通运输学院。

　　［4］ 徐世琼《国外食品冷加工及冷藏库技术的最新进展》上海水产大学。

　　［5］ 缪道平，吴业正《制冷压缩机》北京:机械工业出版社。

　　［6］ 吴业正《制冷原理与设备》（第3版）西安：西安交通大学出版社：

　　［7］ 吴宝志《螺杆式制冷压缩机》华中工学院

　　北京:机械工业出版社。

　　［8］李军《螺杆式双级压缩系统的分析应用》（下）制冷与空调，2004,4（5）：66-85。

　　［9］李军《螺杆式双级压缩系统的分析应用》（上）制冷与空调，2004,4（4）：52-56。