摘 要：本文以“復盛”低溫半封閉單機雙級螺桿壓縮機為例，對單級螺桿式壓縮機與單機雙級壓縮機各自的應用范圍及性能比較，揭示了在R22與R404A制冷系統(tǒng)中，蒸發(fā)溫度低于-30℃時帶經(jīng)濟器的單機雙級螺桿式壓縮機組在食品冷藏鏈制冷系統(tǒng)中的制冷量、制冷效果上有著明顯的節(jié)能優(yōu)勢，有廣泛的市場應用前景。
關鍵詞：單機雙級壓縮機 螺桿壓縮機 食品冷藏鏈 節(jié)能
1.前言
1.1 食品冷藏鏈的概念
食品冷藏鏈是在二十世紀隨著科學技術的進步，制冷技術的發(fā)展而建立起來的一項系統(tǒng)工程。它是建立在食品冷凍工藝學的基礎上，以制冷技術為手段，使易腐農(nóng)產(chǎn)品從生產(chǎn)者到消費者之間的所有環(huán)節(jié)，即從原料（采摘、捕撈、收購等環(huán)節(jié)）、生產(chǎn)加工、運輸、貯藏、銷售流通的整個過程中，始終保持合適的低溫條件，以保證食品的質(zhì)量，減少損耗。這種建立在食品冷凍工藝學上的連續(xù)低溫環(huán)節(jié)稱為冷藏鏈（Cold Chain）。目前，為適應市場需求，提高農(nóng)副產(chǎn)品的附加值，減少生產(chǎn)和分配中的食品消耗，保證各個季節(jié)市場的合理銷售，我國的農(nóng)副產(chǎn)品已從初級原料生產(chǎn)階段不斷的向高附加值的深加工階段轉(zhuǎn)變，把資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為市場優(yōu)勢和經(jīng)濟優(yōu)勢。
食品冷藏鏈主要為凍結(jié)溫度帶與冷卻溫度帶保質(zhì)的兩大類產(chǎn)品服務。
冷卻溫度帶產(chǎn)品，如冷凍保鮮肉禽、果蔬、低溫保鮮奶品，通常根據(jù)品種不同，分別需要在-3℃～15℃低溫條件下進行加工處理及流通。
凍結(jié)溫度帶是指市場上各種調(diào)理冷凍食品、分割的畜禽肉塊以及冰淇林等冷飲品都屬于凍結(jié)溫度帶產(chǎn)品，這類食品一般在-30℃以下溫度快速凍結(jié)，甚至要求到-35℃左右，。然后在-18℃至-25℃之間貯存流通。在歐美和日本等發(fā)達國家，為了提高凍結(jié)食品的質(zhì)量，多趨向于采用-25℃至-30℃的冷藏溫度。因為食品凍結(jié)后的貯藏溫度越低，食品的穩(wěn)定性越好，貯藏周期越長，如圖1所示。但是凍結(jié)溫度的降低將對冷凍系統(tǒng)，特別是對制冷壓縮機的可靠性及效率提出了更高的要求，如選用活塞式單機雙級并聯(lián)機組，則會產(chǎn)生壓縮機臺數(shù)多，操作管理不便，且成本高等問題，選用開啟式氨機單機雙級螺桿，工期長，維護成本、使用成本高及安全性差。
中小容量的速凍裝置的傳統(tǒng)設計一直以來是采用單級或兩級往復式壓縮機。但是，在低圓周速度下具有最佳轉(zhuǎn)子型面的螺桿式壓縮機發(fā)展，對在速凍裝置中選用螺桿式壓縮機提供了很有價值的參考。
圖1食品儲藏期與儲藏溫度關系曲線
1.2 多級壓縮應用的必要性
要保證速凍食品的質(zhì)量，關鍵主要在于提高食品的凍結(jié)速度，同時在儲藏和運輸過程中控制速凍食品的溫升，因為較大溫度波動會導致冰晶的生長，細小的冰晶不斷長大，直到破壞食品的組織結(jié)構(gòu)，以至于使速凍食品的優(yōu)點逐漸的消失。在速凍食品的凍結(jié)和儲藏過程中，需要制冷設備達到-50～-60℃的蒸發(fā)溫度，而單級壓縮制冷機只能獲得-20～-40℃的溫度，只能滿足普通食品的冷藏和冷凍。速凍食品的生產(chǎn)必須采用多級壓縮制冷機，其中應用最多的是兩級壓縮制冷機。若選用單級半封閉螺桿壓縮機組配經(jīng)濟器的并聯(lián)機型，當蒸發(fā)溫度低于-40℃ 時，由于機器本身結(jié)構(gòu)特點，能效比較低。在這些低溫應用場合，采用半封閉單機雙級螺桿壓縮機組或配組雙級螺桿并聯(lián)機組將是節(jié)能、成本低的最合適的方案。
螺桿單機雙級壓縮制冷循環(huán)每級壓比減小，泄漏少、絕熱損失少；容積效率高，制冷量大；中冷器過冷，從而使制冷量增加，制冷系數(shù)提高；轉(zhuǎn)子軸承受力小，使用壽命長；絕熱效率高，電機功率省、節(jié)能、易于實現(xiàn)自動化控制，是一種高效的具有國際先進水平的制冷循環(huán)方案。
單機雙級螺桿機組的結(jié)構(gòu)十分緊湊；低壓級和高壓級共用1臺電機，有較高的運轉(zhuǎn)效率，所以節(jié)能；并聯(lián)單機雙級螺桿機組可以采用多臺壓縮機交替運轉(zhuǎn)，機組的壽命也得到延長。另外，機組所配置的極好的潤滑油監(jiān)測和分配系統(tǒng)保證了系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的高度安全性。除此之外還可利用回收廢熱產(chǎn)生熱水、熱氟融霜，同時也提高了整個制冷系統(tǒng)的效率。
單機雙級螺桿機組蒸發(fā)溫度范圍R22:-30℃～-60℃(R404A:-65℃)；制冷量范圍:63KW～756KW(±40℃)；特點:噪音低、震動小、抗液擊能力強；油路簡單(壓差供油、開機僅用一臺預潤滑油泵)；操作方便(自動化程度高，機組采用PLC觸摸屏控制或并聯(lián)機組專用自動控制器)，可直接與各種冷風機、鋼(鋁)排管、殼管式蒸發(fā)器或其它類型蒸發(fā)器匹配組成完整的制冷系統(tǒng)。其不足是高、低壓級容積比偏小，尤其在蒸發(fā)溫度低于-40℃時與最佳容積比有一定偏差。
單機雙級螺桿壓縮機因在單臺壓縮機內(nèi)實現(xiàn)兩級壓縮，進一步延伸了螺桿壓縮機的低溫應用范圍。制冷循環(huán)方式一般為兩級壓縮一級節(jié)流中間不完全冷卻循環(huán)。因為中間完全冷卻循環(huán)的中間冷卻器體積較龐大，不適合機組配置，所以機組帶一臺中間不完全冷卻的中間冷卻器(一般為板式熱交換器為宜)，無論對R22、R404A或是其它制冷劑，均采用中間不完全冷卻的循環(huán)方式。圖2和圖3描述了當前市場上主要的低溫螺桿壓縮機與單機雙級螺桿壓縮機在R22和R404A制冷系統(tǒng)中的應用范圍。
圖2 壓縮機運轉(zhuǎn)范圍比較 R22
圖3 壓縮機運轉(zhuǎn)范圍比較 R404A
1.3 冷凍市場壓縮機技術應用發(fā)展歷程―氟用
隨著人民生活水平的提高，人們對冷凍食品品質(zhì)要求不斷提高以及我國節(jié)能降耗的迫切要求，對將來新建的食品冷藏鏈系統(tǒng)，選擇什么類型的制冷壓縮機不但需要考慮其運行范圍，更應該考慮到制冷系統(tǒng)的運行效率等問題。隨著制冷技術應用領域的日益廣泛，制冷裝置消耗的能源也在迅速增加。因此，制冷裝置的節(jié)能正引起越來越廣泛的重視。圖4描述了冷凍市場壓縮機技術應用發(fā)展歷程―氟用；圖5為各廠牌冷凍壓縮機的規(guī)格范圍。
圖4 冷凍市場壓縮機技術應用發(fā)展歷程―氟用
圖5 各廠牌冷凍壓縮機的規(guī)格范圍
1.4 單級、雙級螺桿壓縮機的選擇比較
實際上，單級與雙級在壓縮過程不會依等熵行程進行，當高壓縮比時，其容積效率降低，質(zhì)量流量減少，使性能系數(shù)COP值大幅度地下降。圖6舉例了R404A的單級壓縮機和雙級壓縮機的實際運轉(zhuǎn)工況下的比較。對螺桿機而言，當蒸發(fā)溫度長期小于等于－30℃時，并不是所有情況都需要采用雙級壓縮，當所需制冷量較小時，可采用單臺帶經(jīng)濟器螺桿式制冷機組以簡化系統(tǒng)。僅在蒸發(fā)溫度處于－30℃ 以下的場合，宜采用雙級系統(tǒng)；溫度要求更低的場合，特別在蒸發(fā)溫度在－40℃左右的場合，雙級系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢十分明顯。
圖6 單雙級螺桿機性能比較(H) R404A
1.5 “復盛”半封閉單機雙級螺桿壓縮機的介紹
下面以復盛實業(yè)(上海)有限公司自主研發(fā)的SDL系列低溫半封閉單機雙級螺桿壓縮機的具體實例來描述，相對于帶經(jīng)濟器的單級半封閉螺桿壓縮機的節(jié)能優(yōu)勢。
1.5.1“復盛”半封閉單機雙級螺桿壓縮機結(jié)構(gòu)
圖 7“復盛”半封閉單機雙級螺桿機壓縮機結(jié)構(gòu)圖
1.5.2 “復盛”半封閉單機雙級螺桿壓縮機特點
●單機雙級半封閉螺桿壓縮機；●馬達中間壓冷媒冷卻；●中間壓噴液冷卻及節(jié)能器；●高效率雙段螺旋齒形；●可搭配高效率油分離器；●有段與無段容量調(diào)節(jié)；●低振動平衡裝置；●高效率馬達。
1.5.3 “復盛”半封閉單機雙級螺桿壓縮機系統(tǒng)應用特點
●特別適用于低溫工況（蒸發(fā)溫度：-30～-65℃）；●可并聯(lián)使用，最多可達6并聯(lián)，滿足大冷量需求；●系統(tǒng)應用簡單，節(jié)約投資成本；●對比單級低溫螺桿壓縮機節(jié)能30%以上，節(jié)約使用成本。（表1）為“復盛”SDL系列半封閉單機雙級螺桿壓縮機規(guī)范；圖8為“復盛”半封閉單機雙級螺桿壓縮機選型軟件（中文版）。（表1、圖8、表2）
表1“復盛”SDL系列半封閉單機雙級螺桿壓縮機規(guī)范
圖8 “復盛”半封閉單機雙級螺桿壓縮機選型軟件
表2 螺桿雙級與帶經(jīng)濟器循環(huán)的性能對比
表注：
1）帶經(jīng)濟器的壓縮機為“比澤爾”HSN8571-125(125HP)半封閉螺桿單級壓縮機。
2）雙級制冷壓縮機為“復盛”SDL330B(75HP)半封閉單機雙 級螺桿壓縮機。
3）制冷系數(shù)=制冷量/軸功率。
4）R22效率比單機帶經(jīng)濟器壓縮機組提高30.8%。
5）R404A效率比單機帶經(jīng)濟器壓縮機組提高49%。
2、福建某食品股份有限公司制冷工程項目采用“復盛”半封閉單機雙級螺桿壓縮機的工程概況及方案考慮
2.1 工程概況
該制冷工程項目為福建某食品股份有限公司速凍車間生產(chǎn)過程中的速凍設備提供用冷要求，速凍機房與原制冷機房共用，提供蒸發(fā)溫度為-42℃、冷凝溫度為+35℃(蒸發(fā)冷)，需冷量為340kW的用冷要求。
下面以工藝用冷要求: 蒸發(fā)溫度為-42℃、冷凝溫度為+35℃(蒸發(fā)冷)，需冷量為340kW的用冷要求為例該制冷方案的設計思路和過程.
2.2 方案考慮
根據(jù)工藝生產(chǎn)提供的用冷溫度要求以及低溫多機單級并聯(lián)方案特點，該制冷系統(tǒng)應采用螺桿單機雙級壓縮制冷循環(huán)裝置，制冷劑選擇R22。下面介紹兩個主要方案的比較：
表3 主要方案的比較
2.3 綜合上述分析
螺桿單機雙級壓縮制冷循環(huán)方案同帶經(jīng)濟器螺桿壓縮機制冷循環(huán)方案相比；經(jīng)過與用戶針對上述數(shù)據(jù)分析我們可知：
① 運行成本降低15%～20%，② 投資減少，
?、?制冷系數(shù)提高，④ 減少附屬設備臺數(shù)及相應的自控元件、閥門，有利于壓縮機的通用性，系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性及相對節(jié)能效果。
任何一種制冷方案都不可能盡善盡美。工程考慮中要因地制宜，既要考慮冷凍設備的初投資、運行費用等
經(jīng)濟性問題，也要考慮冷凍設備的噪聲、振動、運行、操作、維護管理等技術性能問題，與工程整體及周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)；既要考慮當前投資效益，也要考慮長遠利益，合理的選擇制冷方案。
通過再三綜合考慮，用戶最終選擇方案一，并經(jīng)調(diào)試運行，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行穩(wěn)定，節(jié)能效果明顯，值得推薦單機雙級螺桿壓縮機。
從表2可以看出，隨著蒸發(fā)溫度的降低，雙級壓縮比單級帶經(jīng)濟器螺桿制冷量增加幅度、制冷系數(shù)提高幅度不斷加大，節(jié)能效果明顯！
3、結(jié)束語
隨著我國食品冷藏產(chǎn)業(yè)鏈快速發(fā)展以及節(jié)能減排意識的提高，單機雙級螺桿壓縮機以其突出的節(jié)能優(yōu)勢將在我國食品冷藏產(chǎn)業(yè)鏈中扮演著越來越重的角色，具有廣闊的市場前景。
附圖：單機雙級螺桿壓縮機PLC控制邏輯框圖
參考文獻
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