北方冬季乳品廠利用自然冷源的研究分析

孫穎 劉雨晴 張廣宇 王起霄 劉思雨

哈爾濱商業(yè)大學(xué)能源與建筑工程學(xué)院

0 引言

目前，各行業(yè)主要采用設(shè)計(jì)相應(yīng)換熱器[1]、系統(tǒng)[2]或引入新風(fēng)[3]等方式對(duì)自然冷源進(jìn)行利用。在乳品廠的生產(chǎn)過(guò)程中，為抑制原料（牛奶）中細(xì)菌的生長(zhǎng)，需要對(duì)牛奶進(jìn)行冷卻降溫和冷藏保鮮，且為保證乳制品絕對(duì)新鮮，其他生產(chǎn)加工過(guò)程也要處于低溫環(huán)境，因此低溫加工是乳品廠不可或缺的工段[4]。對(duì)于乳品廠的傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)，其耗電部分主要為壓縮機(jī)，蒸發(fā)式冷凝器水泵和軸流式風(fēng)機(jī)，冷水泵等，該制冷系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)需要消耗大量電能[5]。若乳品廠需要的用冷溫度與自然冷源溫度相匹配，則可利用自然冷源達(dá)到節(jié)能的目的[6-7]。

乳品廠用冷工段對(duì)載冷劑的溫度要求為從8 ℃降到4 ℃，傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度最低為-5 ℃，因此，室外溫度低于-5 ℃時(shí)可以利用自然冷源。筆者針對(duì)哈爾濱地區(qū)某乳品廠現(xiàn)有制冷系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造方案設(shè)計(jì)。

1 實(shí)際工程案例

以哈爾濱地區(qū)某乳品廠用于冷卻降溫的某制冷系統(tǒng)為例，其主要要求：將載冷劑從8 ℃降到4 ℃，載冷劑流量為100 t/h。該制冷系統(tǒng)使用2 臺(tái)型號(hào)為JZKA16 的螺桿式壓縮機(jī)、1 臺(tái)型號(hào)為ZA-1.0 的貯液器、1 臺(tái)型號(hào)為ZNX900 的蒸發(fā)式冷凝器，蒸發(fā)溫度為-5 ℃。

乳品廠采用間接制冷，即低溫制冷劑先將載冷劑降溫，被冷卻的載冷劑再被送到各個(gè)用冷工段，對(duì)原料進(jìn)行冷卻或是制造低溫環(huán)境。由于乳品生產(chǎn)過(guò)程的低溫高于冰點(diǎn)，且水對(duì)乳品無(wú)污染，尤其泄漏后不對(duì)乳品質(zhì)量造成影響，且價(jià)格低，因此乳品廠的載冷劑通常選用水。乳品廠常用的冷卻降溫系統(tǒng)（以氨為制冷劑，水為載冷劑）如圖1 所示，該系統(tǒng)中螺桿式壓縮機(jī)將制冷劑壓縮成高溫高壓的氣體，再進(jìn)入油氨分離器濾去制冷劑中的油，隨后制冷劑在蒸發(fā)式冷凝器中冷凝成液體，再流入高壓儲(chǔ)液器。制冷劑從高壓儲(chǔ)液器流出后在膨脹閥處進(jìn)行節(jié)流降壓，隨后進(jìn)入氣液分離器進(jìn)行氣液分離。制冷劑液體則進(jìn)入水箱中的盤管內(nèi)吸熱蒸發(fā)，與載冷劑進(jìn)行換熱。蒸發(fā)后制冷劑氣體與氣液分離器中分離出來(lái)的制冷劑氣體，一同被壓縮機(jī)吸入，再次參與制冷循環(huán)。在水箱中冷卻后的載冷劑被冷水泵送到各個(gè)用冷工段，吸熱升溫后回到水箱，被制冷劑冷卻后再被送到用冷處，如此循環(huán)。

圖1 乳品廠制冷系統(tǒng)原理圖

2 改進(jìn)方案分析

2.1 新增室外換熱器制冷

對(duì)于哈爾濱地區(qū)，-5 ℃以下的天氣約為113 天，且可持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，適合利用自然冷源。筆者為哈爾濱地區(qū)某乳品廠自然冷源利用方案進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)。

當(dāng)室外溫度為在-5 ℃以下時(shí)，傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)停止工作，利用自然冷源制冷。如圖2 所示，在傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將閥c 關(guān)閉，打開閥a 和b。這樣奶倉(cāng)出口的載冷劑進(jìn)入新增的室外換熱器，被室外的低溫環(huán)境冷卻降溫后經(jīng)水箱回到奶倉(cāng)，升溫后再進(jìn)入室外換熱器，如此循環(huán)下去，即可替代傳統(tǒng)的制冷系統(tǒng)為奶倉(cāng)的用冷工段提供冷量。

圖2 自然冷源代替耗電制冷結(jié)構(gòu)圖

計(jì)算乳品廠冷負(fù)荷：

式中：Q 為乳品廠冷負(fù)荷，kW；c 為載冷劑比熱容，kJ/(kg·℃)；m 為載冷劑流量為水箱進(jìn)出口載冷劑溫度差，℃。

代入相應(yīng)數(shù)值計(jì)算可得，Q=465.26 kW。

計(jì)算換熱器可提供的冷量：

根據(jù)乳品廠冷負(fù)荷，設(shè)計(jì)新增的室外換熱器尺寸為7.14 m×7 m×5.3 m（長(zhǎng)×寬×高），如圖3 所示，換熱器外殼采用厚度為0.005 m 的鋼板，內(nèi)設(shè)橫放的折流板，共4 塊，折流板長(zhǎng)度為6.74 m。換熱管選用管徑為φ65 mm 的鋼管，管內(nèi)為風(fēng)，管外為載冷劑，管外徑為76.1 mm，壁厚為4 mm，內(nèi)徑為68.1 mm，傳熱面積F1為1957.02 m2，傳熱系數(shù)K1為12 W/（m2·℃），傳熱溫差Δtm1為10 ℃，水的比熱容c=4.187 kJ/(kg·℃)。當(dāng)室外溫度為-5 ℃時(shí)，將數(shù)據(jù)代入式（3）得：新增的室外換熱器的換熱量Q1=469.69 kW。故此時(shí)換熱器可提供乳品站所需的冷量。由在-5 ℃時(shí)即可以提供足夠的冷量可知，則當(dāng)外界溫度低于-5 ℃時(shí)更能保證提供所需的冷量。

圖3 新增的室外換熱器結(jié)構(gòu)圖

由換熱器結(jié)構(gòu)可知，載冷劑流程約為33.7 m，換熱器內(nèi)載冷劑流速為0.01 m/s，則可計(jì)算出載冷劑在換熱器內(nèi)流動(dòng)的時(shí)間為3370 s，現(xiàn)采用擬合公式[8]計(jì)算多維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題的分析解，計(jì)算新增室外換熱器內(nèi)的載冷劑在3370 s 時(shí)的溫度：

式中：Bi 為畢渥數(shù)；h 為傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；lc為特征長(zhǎng)度，m；λ 為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

式中：FO為傅里葉數(shù)；a 為熱擴(kuò)散率，m2/s；τ 為時(shí)間，s；lc為特征長(zhǎng)度，m。

式中：θm為過(guò)余溫度，℃；θ0為初始過(guò)余溫度，℃；A 為系數(shù)；μ1為特征值；FO為傅里葉數(shù)；η 為無(wú)量綱距離。

可得t∞=-29.53℃。

故在實(shí)際應(yīng)用中當(dāng)外界溫度為-29 ℃以下時(shí)，載冷劑會(huì)在短時(shí)間內(nèi)結(jié)冰，系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行，所以在-29 ℃以下時(shí)，不采用此種方法。

2.2 利用蒸發(fā)式冷凝器作為室外換熱器制冷

當(dāng)室外溫度為-29 ℃以下時(shí)，工作介質(zhì)采用制冷劑，利用蒸發(fā)式冷凝器作為室外換熱器。此階段壓縮機(jī)仍不工作，但利用傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)的部分管路和裝置，如圖4 所示，其中將蒸發(fā)式冷凝器作為室外換熱器，并且將高壓儲(chǔ)液器和氣液分離器作為容器。當(dāng)室外溫度由-29～-5 ℃區(qū)間過(guò)渡到-29 ℃以下的溫度區(qū)間時(shí)，關(guān)閉閥門a、b、e，打開閥門c、d。冷劑泵將制冷劑輸送到蒸發(fā)式冷凝器中，與外界的低溫環(huán)境進(jìn)行換熱，進(jìn)行冷卻降溫，在經(jīng)過(guò)氣液分離器后，流入水箱中的盤管內(nèi)，與載冷劑進(jìn)行換熱，升溫后的制冷劑再被送入蒸發(fā)式冷凝器，如此循環(huán)下去。而被冷卻的載冷劑由冷水泵送到用冷工段，升溫回來(lái)后再與水箱內(nèi)的制冷劑進(jìn)行換熱，往復(fù)循環(huán)。

本系統(tǒng)選用的蒸發(fā)式冷凝器為煙臺(tái)冰輪型號(hào)為ZNX900 的蒸發(fā)式冷凝器，當(dāng)室外溫度為-29 ℃時(shí)，用式（2）計(jì)算蒸發(fā)式冷凝器可提供的冷量為Q2=468 kW。

由于468 kW>465.26 kW，故此時(shí)換熱器可提供乳品站所需的冷量。

圖4 利用溫差的蒸發(fā)式冷凝器強(qiáng)制傳質(zhì)傳熱結(jié)構(gòu)圖

2.3 載冷劑溫度控制

水箱和新增的室外換熱器中設(shè)置溫度控制器，可實(shí)時(shí)監(jiān)控載冷劑溫度。若是采用傳統(tǒng)制冷方式，當(dāng)水箱中載冷劑溫度低于2 ℃時(shí)，壓縮機(jī)停止運(yùn)行，系統(tǒng)不制冷。當(dāng)水箱中載冷劑溫度高于6 ℃時(shí)，壓縮機(jī)開啟，系統(tǒng)正常運(yùn)行。若是利用自然冷源制冷，在用新增的室外換熱器制冷時(shí)，當(dāng)室外換熱器內(nèi)載冷劑溫度低于2 ℃時(shí)，如圖4 所示，關(guān)閉閥門a、b，打開閥門c。當(dāng)水箱中載冷劑溫度高于6 ℃時(shí)，將閥門a 和b 打開,關(guān)閉閥門c。在利用蒸發(fā)式冷凝器作為室外換熱器時(shí)，當(dāng)溫度低于2 ℃時(shí)，關(guān)閉閥門d 和f。當(dāng)溫度高于6 ℃時(shí)，將閥門d 和f 打開。由此來(lái)實(shí)現(xiàn)不同模式下的載冷劑溫度控制，如圖5 所示。

圖5 載冷劑溫度控制邏輯框圖

2.4 經(jīng)濟(jì)性分析

傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)使用的兩臺(tái)螺桿式壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)功率共為200 kW，油泵電機(jī)功率為3 kW，蒸發(fā)式冷凝器軸流風(fēng)機(jī)輸入功率為2.3 kW，循環(huán)水泵輸入功率為3.2 kW。哈爾濱可以利用自然冷源的時(shí)間大約為113天，在這段時(shí)間內(nèi)，若采用傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)，運(yùn)行電費(fèi)約為25.2 萬(wàn)元。若利用自然冷源，當(dāng)室外的溫度為-29～-5 ℃時(shí)，采用新增的室外換熱器制冷，此時(shí)新增設(shè)備初投資約為149.7 萬(wàn)元，冷水泵運(yùn)行電費(fèi)約為0.8 萬(wàn)元，總計(jì)150.5 萬(wàn)元。故在此溫度區(qū)間內(nèi)，每年節(jié)省運(yùn)行電費(fèi)約24.4 萬(wàn)元，預(yù)計(jì)6 年左右即可收回成本。當(dāng)室外溫度為-29 ℃以下時(shí)，采用蒸發(fā)式冷凝器制冷，新增冷劑泵初投資約為0.5 萬(wàn)元。由于本案例位于哈爾濱地區(qū)，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料顯示，-29 ℃以下的天氣出現(xiàn)時(shí)長(zhǎng)極短，且此時(shí)系統(tǒng)在一天內(nèi)比采用新增的室外換熱器制冷增加的運(yùn)行電費(fèi)約為31 元。故與利用新增的室外換熱器制冷階段相比，增加的初投資和運(yùn)行費(fèi)用較少，忽略對(duì)投資與收益的影響。由此可見，6 年后利用自然冷源制冷可大大節(jié)約乳品廠生產(chǎn)成本，為企業(yè)增加收益。

3 結(jié)論

乳品廠必須設(shè)置制冷工段來(lái)保證正常的運(yùn)行，而在北方冬季利用自然冷源，來(lái)為乳品廠提供生產(chǎn)加工所需要的冷量是可行的，并且在此過(guò)程中可以節(jié)約能源，由此總結(jié)出以下幾個(gè)結(jié)論：

1）運(yùn)用自然冷源可以分為兩種方案：在室外溫度為-29～-5 ℃時(shí)，可使用新增的室外換熱器制冷，在-29 ℃以下可用蒸發(fā)式冷凝器作為室外換熱器制冷。

2）在水箱中設(shè)置溫度控制器，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)出口載冷劑的溫度，由此控制壓縮機(jī)的起停和利用自然冷源系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉，從而使水箱出口載冷劑的溫度保持在2～6 ℃。

3）進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，計(jì)算出在冬季可以利用自然冷源的大約113 天中，每年節(jié)省運(yùn)行電費(fèi)約24.4 萬(wàn)元，預(yù)計(jì)6 年左右即可收回成本，可見6 年后利用自然冷源可大幅度降低生產(chǎn)成本。