中原某1.8万吨冷库制冷设计

中原某1.8万吨冷库制冷设计

王现甫，林彦川，邢胜男，陈晗

（机械工业第六设计研究院有限公司，郑州 450007）

[摘  要] 随着制冷技术的应用及快速发展，安全和环保成为在“碳达峰、碳中和”的时代背景下大型制冷系统亟需解决的热点问题。氨/二氧化碳复叠或载冷系统由于其具有更高的安全性和环保性而引起了广泛重视。本文以冷库氨/二氧化碳载冷系统项目设计为例，介绍了冷库制冷工艺特性，论述了主要设计技术数据、制冷方案和设备选型，分析得出了间接制冷系统相较直接制冷系统的优势，为今后冷库制冷工艺设计的发展提供了范例。冷库制冷形式使用氨/二氧化碳载冷剂的间接制冷系统能在保证安全的前提下实现较低的碳排放和较高的经济性。

[关键词]制冷系统；复叠系统；氨/二氧化碳载冷；冷库制冷工艺；间接制冷

0引言

伴随着冷链物流行业进入到高质量发展的快车道，冷链物流对其技术和装备也提出了更高的要求。实施绿色高效制冷行动，以冷链物流等为重点，更新升级制冷技术、设备，优化负荷供需匹配，大幅提升制冷系统能效水平成为新的发展方向。在应用制冷系统的过程中，人类逐渐发现大量使用CFCs、HCFCs和HFCs等传统氟类制冷剂的行为对臭氧层造成了破坏导致全球变暖趋势加快，生态环境亟需保护。R717/R744复叠或载冷系统便是在此背景下应运而生。

采用氨制冷CO2做载冷剂系统，可划分为氨制冷系统部分和CO2载冷剂系统部分，两部分分别为两个独立的闭式循环系统。氨制冷系统的冷量通过CO2载冷剂系统传到库内，用一个冷凝蒸发器将氨制冷系统和CO2载冷剂系统联系起来，它既是氨制冷系统的蒸发器，又是CO2载冷剂系统的冷凝器。货物热负荷、围护结构热负荷及冷风机电机热负荷等通过库房内蒸发器传给CO2载冷剂，CO2载冷剂吸收的热量通过冷凝蒸发器传给氨制冷系统，最终通过氨制冷系统冷凝器将热量排出。CO2载冷剂系统不需要CO2压缩机，可以实现无油运行，避免了冷冻油进入蒸发器造成的换热效率降低。系统管路尺寸很小，CO2载冷剂充注量小，氨制冷剂只在机房系统内，其充注量也很小。下图为R717/R744载冷剂系统流程示意图：

图1 R717/ R744载冷剂系统流程示意图

R717/ R744复叠制冷系统由高温级和低温级两部分组成。高温级使用氨作为制冷剂，低温级使用CO2作为制冷剂。CO2是天然环保工质（CO2：ODP=0、GWP=1），具有优良的经济性。CO2安全、无毒、不可燃，适用于人员较密集的工作场合，对人员无伤害，对食品无污染。CO2具有良好的化学稳定性，相关材料化学反应少，蒸发潜热较大，单位容积制冷量高，具有优良的流动和传热特性，可显著减小压缩机、换热器和管路尺寸，工质充注量少，轴功率消耗低。氨制冷剂只在机房系统内使用，且充注量较少。高、低温级各自成为一个使用单一制冷剂的制冷系统，其中高温级系统中制冷剂氨的蒸发用来使低温级排出的制冷剂气体CO2冷凝，用一个冷凝蒸发器将高、低温级两部分联系起来，它既是低温级的冷凝器，又是高温级的蒸发器。食品的热负荷通过蒸发器传递给CO2制冷剂，CO2制冷剂吸收的热量通过冷凝蒸发器传给高温级的氨制冷剂，而高温级的氨制冷剂将热量传给高温级冷凝器，通过蒸发式冷凝器向环境介质释放。下图为R717/ R744复叠制冷系统流程示意图：

图2 R717/ R744复叠制冷系统流程示意图

1工程概况

中原某1.8万吨冷库为四层土建库，每层有3间冷却物冷藏间（0~4℃）和2间冻结物冷藏间（-18~-23℃）组成，每间780m2。高温冷藏间存储水果，每间储存吨位878吨，总计10536吨；低温冷藏间存储冻肉，每间储存吨位951吨，总计7608吨；该冷库最大库容量为18144吨。其建设规模及基本要求详见表1：

表1 建设规模及基本要求

2制冷方案

2.1 负荷计算

本工程位于商丘市，采用该地室外气象参数，冷负荷经详细计算，结果如下：

每间冷却物冷藏间（0~4℃）冷却设备负荷：186kW；每间冻结物冷藏间（-18~-23℃）冷却设备负荷：63kW。机械负荷如下表2：

表2 机械负荷

2.2系统划分

冻结物冷藏间系统：R717/ CO2载冷系统，R717蒸发温度为-34℃，冷凝温度+35℃；CO2载冷温度为-30℃。

冷却物冷藏间系统：R717/CO2载冷系统，R717蒸发温度为-11℃，冷凝温度+35℃；CO2载冷温度为-7℃。

穿堂系统：R717/乙二醇载冷系统，R717蒸发温度为-8℃，冷凝温度+35℃；乙二醇进出水温度：2/-3℃。

3.3 系统选型

3.3.1冻结物冷藏间载冷系统选型

载冷系统负荷由NH3压缩机提供，在工况-34℃/+35℃时需要提供的负荷为348kW，系统选用自动型带经济器液氨冷却螺杆压缩机1台LG20LYJA，制冷量为374kW，满足系统使用要求。

选用冷凝蒸发器1台LZH190，单台名义换热面积：190m2；选用CO2贮液器1台ZY8，单台容积为8m3；冻结物冷藏间CO2泵：单台贮液器配置2台CO2泵，单台流量15m³/h，扬程40m。为了节省空间及减少系统管路，将载冷剂系统的冷凝蒸发器、贮液器及CO2泵做成撬块机组。冷凝蒸发器撬块机组：共一台LZH190+ZY8+2台15m3/h泵。

3.3.2冷却物冷藏间载冷系统选型

冷却物冷藏间选用2套R717单级压缩机组，在-11/35 ℃工况下运行，总计制冷量1560kW。冷藏间载冷剂系统冷凝蒸发侧配置1台LZH380型冷凝蒸发器单台名义换热面积：380m2，和1台ZY15型CO2贮液器，组成1台套冷凝蒸发撬块，换热温差4K。配置4台CO2泵，单台流量10m3/h，扬程40m，能够满足使用要求。为了节省空间及减少系统管路，将载冷剂系统的冷凝蒸发器、贮液器及CO2泵做成撬块机组：一台LZH380+ZY15+4台15m3/h泵。

3.3.3穿堂乙二醇载冷系统选型

穿堂选用一套R717单级压缩机组，在-8/35 ℃工况下运行，总计制冷量816kW；冷凝蒸发侧配置1台虹吸式蒸发器，蒸发器载冷剂采用乙二醇水（体积分数30%），供回水温度 -3/2℃。

3.3.4 氨制冷辅助设备

蒸发式冷凝器的选择按照压缩机的最大排热量来选择蒸发式冷凝器，而排热量等于压缩机制冷量和压缩机轴功率之和。系统的总热负荷为：3 928KW。查得冷凝温度+35℃，夏季室外平均每年不保证50小时的湿球温度：+28℃的排热系数为0.71，则修正后的排热量为3 928/0.71=5 532KW。冻结物冷藏间冷凝侧和冷却物冷藏间和穿堂系统共同配置3台标准换热量为2 000kW的顺流蒸发式冷凝器，放置于机房屋顶。

立式虹吸贮液器选用立式贮液器1台ZYL5（兼做虹吸罐），单台容积为5m3，用于制冷系统中来贮存氨液，并调节和稳定循环量。

3.3.5 冷藏间冷却设备设置

冷藏间末端冷却设备采用用CO2吊顶式不锈钢管铝片冷风机，冻结物冷藏间各间末端分别配置2台制冷量为32kW冷风机，冷却物冷藏间各间末端分别配置3台制冷量为71kW的侧出风型吊顶冷风机。 库温控制方式：一路供液、回气总管自机房对应桶泵接至库房后，每间分为2~3路支管并设自动供液电磁阀、回气电磁阀，冷间降温运行根据冷间温度或生产需求手指令控制供液电磁阀及冷风机启闭。

3结论

当今气候问题已经制约了制冷行业的发展，直接制冷系统由于制冷剂较大的使用量和安全性造成了较大的温室效应和安全问题。间接制冷系统在大幅降低制冷剂的充注量的同时，也使制冷系统布局更加紧凑，增加了安全性，因此受到广泛的关注。R717/ CO2复叠或载冷系统便是在此背景下逐步成为主流。本项目采用R717/ CO2载冷系统，冷库设计做到了安全可靠、节约能源、环境友好、经济合理、先进适用，对冷库制冷工艺的设计提供了很好的范例。

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