大型冷库制冷系统设计要点.pdf

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第11卷第5期2011年10月剖洚学室阚REFRIGERATIONANDAIRCONDITIONING大型冷库制冷系统设计要点关朋（开封空分集团制冷设备工程公司）摘要对大型冷库制冷系统设计过程中涉及到的并联压缩机组、设备的选型及制冷管路管径的计算等要点进行介绍，以供同行参考。

关键词制冷系统；并联压缩机组；冷凝器；热力膨胀阀；蒸发设备Designpointsofrefrigerationsystemforlarge-scalecoldstorageGuanPeng（RefrigerationEquipmentEngineeringCompany，KaifengAirSeparationGroup）ABSTRACTIntroducesthedesignpointsofrefrigerationsystemforlarge-scalecoldstorage，suchastypeselectionofparallelcompressorunitandequipmentandcalculationofpipediameterPutsforwardreferencesforourcolleaguesKEYWORDSrefrigerationsystem；parallelcompressorsunit；condenser；thermodynamicexpansionvalve；evaporativeequipment随着大功率制冷压缩机的不断推出，大型并联压缩机组制造技术的日渐成熟，以及操作人员安全保护意识的不断提高，R22制冷系统已应用于越来越多的大型冷库。

为了确保系统能够正常稳定的运行，在设计阶段就必须对机组、设备、制冷管路的管径进行合理的选型与计算，笔者主要对设计过程中涉及到的要点进行阐述。

1并联压缩机组11机组的选型要求1）一般根据冷库的贮藏吨位进行机组的选型，1台机组可对应15003000吨贮藏量的冷库。

通常情况下，1台机组采用3-6个压缩机，压缩机为同一型号。

对于下列情况，为节省能耗，可在机组上配12台小容量压缩机：

对于冷藏间较多且贮藏吨位大小不一的冷库，为防止出现大马拉小车的情况，可用小容量压缩机降温。

对于气调库，在入货阶段由于进货量较为集中，机组要满负荷运行，但库温稳定后或在较冷的季节，基本上只须平衡围护结构的散冷量，所需的制冷量较少，可根据情况用小容量压缩机或大、小收稿日期：

2011-06-01作者简介：

关朋，大专，国家注册一级建造师，主要从事工程设计。

压缩机共用的方式为冷库降温。

2）对于一些既有高温系统，又有低温系统的冷库，可将高温型、低温型压缩机共同组装在1台机组上。

冷凝器、贮液器为共用形式，气液分离器分别对应各自的系统。

即1台机组可对应多个不同蒸发温度系统，提高了机组的灵活性。

12机组的安装位置1）必须在机组周围留有足够的操作、检修空间，机组的前后左右空间至少留有1m距离。

2）为减少供液管、吸气管内的制冷剂流动阻力损失，机组应尽量放置在所对应冷库的中间位置。

尤其是吸气管，管路越长，阻力损失越大。

当吸气流经机组的测压点时，测取到的压力值要比实际蒸发压力低，机组的控制系统会误认为此时的蒸发温度已达到设定值而减少压缩机的运行台数甚至停机。

但这时蒸发设备内的实际压力（即实际温度）还没有达到要求的蒸发压力（即蒸发温度），这将会影响贮藏质量。

所以，应尽量缩短机组与各蒸发设备的距离。

3）机组周围的环境温度要控制在40之内，以便机组能够长时间稳定地满负荷运行。

此外，万方数据创痔铲室调第11卷还要防止因制冷剂泄漏而缺氧。

所以，必须保证机组四周通风良好，必要时要加装通风换气装置。

13机组选型时须要注意的问题1）机组的控制系统要具有累计每台压缩机运行时间的功能，以自动平衡各台压缩机的运行时间，提高机组的使用寿命。

在自动控制系统之外还要有一套手动控制系统，便于在某些情况下进行手动操作。

2）压缩机目前以比泽尔和谷轮品牌较多，按运行工况划分，压缩机有高温型和低温型2种形式。

高温型压缩机可在一30+10的蒸发温度之间运行，低温型压缩机可在一40-一5的蒸发温度之间运行。

对于蒸发温度一10左右的冷库，选用高温型压缩机；对于蒸发温度一28左右的低温冷藏库和温度更低的速冻库，选用低温型压缩机。

最近几年，一些机组供货商往往把低温型压缩机用于蒸发温度一10左右的冷库。

如果机组始终在蒸发温度一10左右运转，不会有什么问题。

但在刚入货阶段，入货时间长、库内温度高，机组的运行时间也随之延长，很难保证机组的运行温度始终低于一5。

如果机组在临界温度长时间运行，将会对电机造成损坏，所以一定要采用高温型压缩机。

3）由于系统庞大，系统内部的杂质和微量水分难以完全清除，必须在机组的供液总管上加设干燥过滤器，每个压缩机的吸气阀前加设过滤器，且均为可更换形式。

2冷凝器机组有3种冷凝方式：

水冷式、风冷式、蒸发式。

1）水冷式一般采用卧式壳管冷凝器，与机组一体化安装，其结构紧凑，不必建造专用的冷凝器机组，但须配置水泵和冷却塔。

此外，为减少制冷管路内的压力损失，机组一般都放置在冷库附近，距离水池和水泵房较远，冷却水管路较长，沿程阻力损失较大，所需的水泵扬程也大，使能耗增加。

2）风冷式采用风冷冷凝器，与机组分体安装，完全靠空气冷凝制冷剂气体。

由于空气的比热容小，换热效率低，所以，其外形尺寸较大，且冷凝温度较高，一般在4045。

风冷冷凝器通常安装在机组的上部位置，要求四周通风良好。

但冷凝器很难避开阳光的照射，在一些夏季温度较高的地区，阳光直射于冷凝器盘管上，使冷凝压力长时间居高不下，有时冷凝温度可达到50以上，造成制冷量减少、冷库降温时间延长及能耗增加等问题，严重时还造成压缩机频繁高压保护，损坏机组。

因此，选用风冷冷凝器时，要根据使用地区，适当加大盘管面积，尽量降低冷凝压力。

冷凝器的风扇电机可采用变速电机，在不同的季节采用不同的转速来调节冷凝压力，保证系统的正常运行。

风冷冷凝器通常架设在机房顶部或冷库的盖瓦上部，受屋面反射阳光的影响，冷凝器底部与屋面之间的空气温度较高，影响冷凝效果，为确保吸风口处的空气温度在40以下，风冷冷凝器底部至少要高于屋面500mm以上。

3）蒸发式冷凝器适用于干旱缺水地区，冷凝器与机组之间需要保持一定的高度差，须搭建支架，增加了土建或钢结构费用。

目前，市场上有纯盘管型和盘管+填料型2种形式的蒸发式冷凝器。

就春、夏、秋三季而言，这2种冷凝器的使用效果基本一样，但在冬季，尤其是东北、内蒙、新疆等极为寒冷的地区，即使在集水槽内加设电加热器，也无法避免水的结冰问题。

而较低的环境温度又使得冷库所需的制冷量较少，系统不必满负荷运行，因此，只需开启部分压缩机即可满足降温要求，减少了冷凝负荷。

在这种情况下，可关闭蒸发式冷凝器的水泵，直接运转风扇吸取冷空气，就能起到冷凝作用（这时蒸发式冷凝器的冷凝原理和风冷冷凝器相同）。

为保证冷凝效果，必须要求冷凝器内的盘管具有足够的冷却面积。

而盘管+填料型的蒸发式冷凝器利用填料代替一部分盘管面积，只能起到有限的冷凝作用。

所以，在严寒地区宜选用冷却面积较大的纯盘管型蒸发式冷凝器。

笔者认为，冷凝器应满足以下要求：

1）要考虑冷凝器和贮液器之间的压力平衡问题，设置平衡管，尤其是供液管道较长的风冷冷凝器和蒸发式冷凝器，平衡管内径的选择可参见表1。

表1冷凝器与贮液器平衡管内径平衡管内径mm152025324050冷凝器最大负荷kW173313514888123520472）为保证机组、设备的安全，在冷凝器和贮液器上部设置安全阀，安全阀前要有截止阀，便于一年一度的安全阀检验。

3）在严寒地区，由于环境温度过低，导致冷凝万方数据第5期关朋：

大型冷库制冷系统设计要点压力下降，制冷剂流动缓慢，蒸发设备供液量不足，给制冷效果带来影响，严重时甚至无法使蒸发设备回油，可采用以下方法解决：

提高贮液器周围的环境温度，使制冷剂的温度、压力上升；增设冷凝压力控制调节系统，通过对卧式壳管冷凝器调节冷却水量，对风冷式冷凝器和蒸发式冷凝器减少风扇的运转数量或调节风扇转速等方法，来提高冷凝压力。

3热力膨胀阀的选型1大型制冷系统的蒸发设备尺寸一般都较大，制冷剂在蒸发设备内的压力降都超过相应蒸发温度1，所以均采用外平衡式热力膨胀阀，可按以下步骤进行膨胀阀的选取：

1）确定膨胀阀前后两端的压力差ApAp2Pk一夕lP2一P3一P。

式中：

Pt为冷凝压力；P，为制冷剂在管路内因流动阻力损失产生的压力降；P：

为上升立管内液位差引起的压力降；P。

为制冷剂流经蒸发设备分液器产生的压力降；P。

为蒸发压力。

2）结合蒸发设备的制冷量、压力差Ap，参照膨胀阀相关样本进行选取。

选取时要注意，如果制冷剂的过冷度超过4，必须对蒸发设备的制冷量进行修正。

修正系数可根据过冷度进行选取，用蒸发设备的制冷量除以修正系数，即为制冷量的修正值，选取的膨胀阀制冷量要大于该值。

3）对于负荷比较稳定的蒸发设备，膨胀阀的制冷量应比蒸发设备的实际制冷量大20-30，对于负荷波动较大的蒸发设备，应大7080。

4蒸发设备冷库内的蒸发设备一般选用冷风机，最近几年随着三叉型铝排管的推广，有的冷库也采用这种排管作为库内蒸发设备。

1）冷风机靠风机强制循环库内空气为货物降温，在强制通风过程中必然造成货物的水分流失，产生干耗现象。

库温越低，干耗越大。

可对冷风机的面积进行适当加大，以提高蒸发温度，减少干耗，而且机组的制冷效率也会随之提高。

国内一般将冷风机面积在满足使用要求的基础上加1520oA的余量，即可将蒸发温度与库温间的温差由10减少为8左右。

虽然初期投资有所增加，但却缩短了机组和设备的运行时间，节省了能耗，提高了贮藏质量。

在国外一些发达国家，甚至将温差控制在5左右。

必须考虑冷风机翅片的结霜问题。

有些冷库为减少投资，往往选择451Tllla_或6mm片距的冷风机。

在实际使用中，这种小片距的冷风机结霜速度快，一天需要进行多次融霜，库温波动大，直接影响到货物的贮藏质量，尤其对于库内湿度较高的气调库和新鲜肉食品冻结库，其结霜情况更为明显。

根据实际应用经验，对于蒸发温度一10左右的系统，冷风机片距定为910mm为宜，对于蒸发温度一35一40的系统，片距定为1214mm为宜。

冷风机有电融霜和水融霜2种方式，电融霜方式采用电加热丝使霜层脱落，操作简单，但融霜时间长、能耗大、库温回升明显，因此，最好选用水融霜方式。

2）三叉型铝排管采用单管+3道外翼片组合而成，单管一般有犯1mmXl75ITllTI和必2mmX21TLrn两种规格，单管外表面有3条加强型换热翼片，三角形布置，可大大增大单管的抗弯强度和有效换热面积。

制冷系统主要采用犯1mitt175rlffn型的铝排管，为防止制冷剂腐蚀，铝排管的镁含量不得超过22。

这种排管的换热面积在03650396m2m之间，质量在082kgm左右。

铝材的导热系数为210w（mK），钢材的在46556748w（mK）之间。

因此，铝排管具有较高的换热性、轻便性。

这种排管的横担及吊杆均可选用铝材，耐腐蚀性和安全性更高，非常适用于高湿度环境下的冷库。

目前，这种排管主要应用于果蔬冷藏库、低温冷藏库和贮冰库。

三叉型铝排管靠库内空气的自然流动为货物降温，与冷风机相比，这种排管的降温方式不但大幅度降低了千耗，更好地保证了货物的贮藏品质，而且库内没有任何电动设备，可节省大量能耗（系统满负荷运行时，冷风机电机所消耗的电能约占整个制冷系统总电能的35左右）。

三叉型铝排管通常采用蛇形布置方式，为保证制冷剂能够在排管内均匀供液，不会在末端产生过热区，单路排管的长度不宜过长。

按一些厂家样本介绍，采用制冷剂泵供液时，排管的长度应限制在40m之内，采用压差供液时，应限制在30m之内。

根据一些成功的冷库实例来看，单路排管的长度可达到70100m之间。

排管的除霜可采用人工扫霜、电融霜和热气融霜3种方式。

人工扫霜方式简单，但劳动强度万方数据112卅痔f室调第11卷大，且除霜不彻底；电融霜方式的优缺点与冷风机冷库相同；热气融霜方式操作麻烦，但除霜彻底，目前多采用这种方式。

与冷风机的工厂化生产相比，三叉型铝排管须在现场进行焊接、试压、吊装，对现场施工质量要求较高，并且制冷剂充注量较多。

与冷风机的接水盘集中排霜相比，排管表面在进货初期凝结的露滴以及融霜后落下的霜层，都会对货物造成影响。

三叉型铝排管目前尚处于推广阶段，有关其在冷库中应用的相关数据资料较少，还须通过工程实际应用不断积累经验。

综上所述，选择蒸发设备时，要结合冷库的实际使用情况，对经济性、节能性、实用性、工艺的成熟性进行多方面比较后，才能选出合适的设备。

5制冷管路的设计及注意事项m51管道、管件的选材设计大型系统时，对供液管路一般选用紫铜管，考虑到圃气管选用铜管时会由于管径过大而使成本增加，因此可选用无缝钢管。

所有铜管件（如弯头、接头、三通等）、阀门（如球阀、电磁阀、膨胀阀等）均选用喇叭口焊接方式。

52管内制冷剂阻力损失的要求及计算方法制冷剂在管内流动时，会产生一定的压力降。

当压力降超过某一规定范围后，将会影响制冷效果。

因此，要对各个管路的内径进行计算，把压力降控制在允许范围内。

1）机组排气管压力降应控制在相当于饱和冷凝温度差05之内，在确定管道的当量长度和排气管负荷后，可通过R22排气管与高压液管负荷图查得管径。

其上升排气立管要考虑必要的带油速度，气流速度不能小于最低带油速度。

最低带油速度可通过R22上升吸气管与排气管回油最低流速图查得，排气立管的最小带油负荷可通过相关的参数表查得。

2）冷凝器到贮液器问管内的制冷剂流速不宜过高，一般控制在05ms以内。

如果冷凝器与贮液器之间有平衡管，流速可控制在075ms以内。

其管径可通过冷凝器至贮液器出液管负荷图查得。

3）机组贮液器到热力膨胀阀间的供液总管压力降应控制在相当于饱和冷凝温度差05以内，可按以下步骤计算（大型冷库的冷藏间较多，分支管路也多，为均匀供液，在以往的设计中，通常根据冷藏间的数量，在并联压缩机组的供液总管上预留几路供液支管，采用单管对单库的供液方式。

这几年多采用从机组贮液器直接引出一根渐缩形（沿制冷剂流向）供液总管，向各蒸发设备供液的方式。

同样，回气总管采用一根渐扩形（沿制冷剂流向）管路连接各蒸发设备的回气。

几年的实践证明，这种配管方式同样能够均匀供液，保证降温效果，而且还能够节省大量管道和制冷剂。

下文均按一根供液总管、一根回气总管的设计思路进行叙述）：

根据蒸发设备前的膨胀闯进液管内径，分别计算向各个冷藏间供液的支管内径（对于单库单台蒸发设备的支管，可按膨胀阀内径或稍大些的管径选取；对于单库多台蒸发设备的支管，可按各膨胀阀进液口的面积选取）。

根据供液总管上各管段（各管段以变径划分）对应的蒸发设备支管数量，按支管横截面积估算各管段内径，并选取管道，将供液总管设计成渐缩形式。

如果管路过长，可将部分管段内径按向上一档规格选取。

根据各管段长度、各管段内径及各管段上的阀门、管件数量，分别计算各管段的当量长度。

根据R22吸气管、排气管和液体管负荷量表和公式At=Ats（LLs）（Q毡）18（At为实际运行工况下的各管段饱和温度差（）；Ats为R22吸气管、排气管和液体管负荷量表中工况下的饱和温度差（），取2；L为计算出的各管段当量长度（m）；Ls为R22吸气管、排气管和液体管负荷量表中规定的当量长度（m）；Q为实际工况下的负荷量（kW），飓为R22吸气管、排气管和液体管负荷量表中工况下的负荷量（kW），可根据各管段的内径查出相对应的Os），分别计算各管段的温度差，将各管段温度差相加，即为机组贮液器到各膨胀阀间的总温度差。

4）从热力膨胀阀出来进入蒸发设备的制冷剂，经过膨胀阀节流降压后，有部分液体汽化，产生两相流动。

两相流动的阻力远大于纯液体，为降低阻力，膨胀阀的出口要大于进口。

该管段的阻力可按无闪发气体的高压液体管阻力乘以压力降倍数求得，压力降倍数见表2。

膨胀阀的制冷量根据蒸发设备的制冷量确定，该段管路的内径按膨胀阀的出口管径选取即可。

万方数据第5期关朋：

大型冷库制冷系统设计要点1135）蒸发设备到机组间的回气管路压力降要控制在相当于饱和蒸发温度差1之内，可按以下步骤计算：

首先根据系统管路的具体情况，如各个蒸发设备到机组的长度、阀门数量、管件数量等，选取各自的当量长度，当量长度按各管段长度乘以系数计算，系数可在12520之间选取。

根据计算出的当量长度和各管段负荷，从R22吸气管负荷图中查出各管段内径，按查得的内径选取钢管，将回气总管设计成渐扩形式。

如果管路过长，可将部分管段内径按向上一档规格选取。

按选定的钢管内径、各管段上的阀门、管件数量及各管段长度，分别再次计算各管段的当量长度。

根据当量长度、R22吸气管负荷图及公式At=Ats（LLs）（位为各管段的饱和温度差（）；Ats为图中采用的饱和温度差（），回气管为1；L为计算出的当量长度（m）；厶为图中查出的当量长度（m），分别计算出各管段的饱和温度差&。

将各管段温度差相加，以总温度差小于1为合格。

否则，重新调整各管段内径。

以上计算过程及各管路的配管要求可参考相关资料，这里不再详述。

53管径计算须注意的事项1）要按照所有压缩机、蒸发设备全部满负荷运转，即分配给每套蒸发设备的制冷量最小时的工况进行计算。

2）制冷剂液体的温度接近其相应压力下的饱和冷凝温度时，如果环境温度稍微升高或管内压力稍微降低，就会导致一部分液体汽化，产生闪发气体，增加流动阻力，减少供液量，造成蒸发设备制冷量下降。

尤其是供液总管的立管段，一般情况下，水平管段的阻力损失不会太大，关键是立管段的液位差引起的压力降较大，直接影响到整个供液总管的温度差。

对于R22，由液位差引起的压力差和饱和温度差见表3。

表3单位长度液位差引起的压力差、温度差从表3可以看出，冷凝温度30时，每米液位差引起的压力差为1153kPa，相应的饱和温度差为037。

所以，对于蒸发设备高于机组的制冷系统，供液总管内的温度差很容易超过05，即使加大管径也不能有效降低温度差。

对于上述问题，必须设法增加制冷剂的过冷度，才能防止汽化，可采用下列方法加以解决：

加大冷凝器面积，可增加制冷剂液体的过冷度，有利于提高制冷效果。

对于高温系统，可将供液管和回气管并在一起保温，使供液管获得过冷度，避免液体汽化。

但这种方法不适用于蒸发温度低于一20的系统。

因为吸气管内的制冷剂气体吸收热量后会过热，在蒸发压力、冷凝压力不变的情况下，会使排气温度增高，增加冷凝器的负荷，并对冷冻机油造成损害。

3）计算蒸发设备的回气立管段内径时，一定要考虑立管段的回油能力。

为了使蒸发设备内的冷冻机油能够顺利回到机组，必须要求立管段保证一个最低回油速度，最低回油速度可通过R22上升吸气管与排气管回油最低流速图查取。

计算立管段内径时，将管内的回气速度保持在图中数值的125倍即可。

为了方便计算，通常把最低回油速度折算成最低流量，通过最低流量和膨胀阀前的液体温度，计算立管段的最小负荷，最小负荷可通过R22上升吸气立管最小负荷图查得，只要蒸发设备内的实际最小负荷大于该负荷，冷冻机油就能够顺利回到压缩机。

对于立管段的内径，应本着宁小勿大的原则进行选取。

4）机组的制冷量有余量时，回气管路的压力降可不受饱和蒸发温度差1的约束。

5）各种管件（如阀门、弯头、三通、变径等）产生的局部阻力损失不容忽视，通常用当量长度代替局部阻力损失。

例如，球阀在全开状态时，其当量长度为内径乘以阻力损失系数340，以1个DN40的球阀为例，其当量长度就为136m。

弯头、三通、变径等管件均能造成不同程度的阻力损失，对应的当量长度可按其内径乘以相应的系数。

所以，要合理选择各种管件，把管路中的总压力降控制在允许的范围内。

（上转第79页）万方数据第5期杨索硕等：

地埋管系统水力平衡与换热效果评估62主机实际制热能力评估根据表7和图4分析，3台主机的实测制热量均接近额定制热量，符合设计要求。

裹7主机实测崩热量分析表主机1（小）主机2（大）主机3（太）图4主机实测制热量与额定崩热量的对比63地埋管换热能力评估根据表8和图5分析，地埋管换热器实测取热量与地源热泵主机需求的热量匹配，说明地埋管系统实际换热能力达到设计要求什薰篓骚氨7结束语笔者介绍了地埋管换热系统水力平衡调试及判定方法与地埋管换热器整体换热效果的评估方式，并结合实际工程应用，对地埋管换热系统进行水力平衡调试和土壤换热量进行实测，通过公式核算，对整个系统的换热效果进行一个客观的评价，取得了较好的调试效果和评估效果，可为地源热泵系统工程评估推广应用与评估体系的建立提供参考。

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口3版）GB5踟0366q005地源热泵黝工程技术规范Q加9毽嚣?

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P1日k（下接第113页）6）计算管路内径时，如果部分管路的总温度差超过了规定值，但不超过20，也是允许的。

如果要控制在规定范围内，可将饱和温度差稍大的管段进行适当加大即可满足要求，但这样也会使制冷剂的充注量增加。

所以，可根据实际情况，决定是否加大管径。

6结束语以上仅是对大型制冷系统设计的一个概述，随着大型冷库的发展，设计环节将会对控制投资成本、减少运行费用起到至关重要的作用。

所以，在设计过程中，不但要进行详细的理论计算，而且要总结以往的工程实践经验，将之用于设计，这样才能使项目获得较好的收益。

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