酸奶加工冷庫制冷系統(tǒng)節(jié)能與安全設計

洪歡喜

開利空調冷凍研發(fā)管理（上海）有限公司（上海 200126）

作為一種發(fā)酵乳制品，酸奶以其豐富的營養(yǎng)價值及獨特的風味受到越來越多消費者的青睞[1]。隨著銷量的日益增加，相應的酸奶制品加工儲藏基地也隨之快速發(fā)展。由于酸奶的加工工藝過程及成品儲藏對溫度有著嚴格的要求，制冷降溫成為其中一項關鍵的配套系統(tǒng)，然而制冷系統(tǒng)的能耗及安全問題一直以來是運營方關注的焦點[2-4]。

鑒于此，通過與工藝及運營方的充分交流溝通，在某酸奶加工項目的冷庫制冷系統(tǒng)中采取一系列節(jié)能與安全設計措施，旨在為類似工程項目提供一些有益參考。

1 概況與加工工藝

1.1 項目概況

項目集酸奶制品的加工、儲藏、配送為一體，設計日產(chǎn)酸奶200 t。主要包含1#、2#兩間0~4 ℃的冷藏庫，總面積約4 000 m2，凈高8.5 m，設計總庫容量約3 000 t；一間0 ℃的工藝速冷間，面積約200 m2，凈高5 m，設計進貨量10 t/次。

1.2 酸奶加工工藝

酸奶的主要加工工藝流程如圖1所示。其中，冷卻1階段是將熱處理殺菌后的乳液溫度降至40~45 ℃，為下一階段的接種發(fā)酵提供適宜的溫度范圍。灌裝完成后的冷卻2是為了將發(fā)酵過程終止，抑制乳酸菌的生長，防止產(chǎn)酸過度影響酸奶的口感和風味[5-6]。

乳酸菌的最低生長溫度為20~22 ℃，溫度在5 ℃左右時由于乳酸菌生長活性被抑制，酸奶的酸度變化就十分微小，品質穩(wěn)定。項目冷卻工藝采用兩步冷卻，專門設計一間速冷間用于酸奶的快速冷卻，在設計的入庫量下能在1 h內將酸奶從43 ℃左右降至20℃，低于乳酸菌的最低生長溫度。

冷卻后的酸奶送入0~4 ℃的冷藏庫進一步降溫至5℃左右，經(jīng)12~24 h后酸化過程后即可作為成品出庫。

2 系統(tǒng)節(jié)能與安全設計

制冷系統(tǒng)采用氟利昂R507直接膨脹蒸發(fā)制冷，系統(tǒng)配置情況：1#、2#冷藏庫各自選配一套獨立的制冷系統(tǒng)，工藝速冷間單獨選配一套制冷系統(tǒng)。制冷主機采用多機頭活塞并聯(lián)機組，庫內蒸發(fā)器采用高效冷風機，冷凝器采用蒸發(fā)式冷凝器。

在嚴格配合酸奶加工工藝、實現(xiàn)既定的制冷功能要求的前提下，本著最大限度降低能耗、加強系統(tǒng)安全性與可靠性的理念，在制冷系統(tǒng)設計中特別采取一些有利于節(jié)能與安全的技術措施。

2.1 節(jié)能設計

在制冷設備配置上，制冷主機采用多機頭并聯(lián)活塞機組，通過PLC控制系統(tǒng)實時根據(jù)冷庫內負荷的變化情況，自動調節(jié)壓縮機的加減載運行，實現(xiàn)制冷機組的多級能量調節(jié)，負荷匹配性更強。

1#、2#冷藏庫制冷機組配置8臺壓縮機并聯(lián)，在設計工況下機組最大制冷量達694.4 kW，可實現(xiàn)9級能量調節(jié)，而工藝速冷間制冷機組配置6臺壓縮機并聯(lián)，在設計工況下機組最大制冷量達520.8 kW，可實現(xiàn)7級能量調節(jié)。同時由于多機頭并聯(lián)機組壓縮機單機功率較小，壓縮機的單機功率僅為29.2 kW，在冬春季節(jié)及冷庫保冷期等低負荷時段，可有效地降低制冷主機運行能耗。

冷庫內換熱器采用高效冷風機，采用較小的蒸發(fā)溫差，適當提高蒸發(fā)溫度，相同工況下能夠減少制冷機組的功率消耗。一般而言，蒸發(fā)溫度每升高1 ℃，可使系統(tǒng)冷量增加約2.4%[7]。就項目設計采用的開利壓縮機06EM399而言，冷凝溫度36 ℃、吸氣過熱度10 K時，其在不同蒸發(fā)溫度下的制冷量及COP值的變化分別如圖2和圖3所示。

圖2 不同蒸發(fā)溫度下的制冷量

圖3 不同蒸發(fā)溫度下的COP值

從圖2和圖3對比可見，當蒸發(fā)溫度在-10~-6 ℃之間取值時，蒸發(fā)溫度每提高1 ℃對應的壓縮機制冷量提高3.4%，COP值可提高2.42%。

然而，如果蒸發(fā)溫差取值過小，則相應的需要增大冷風機換熱面積，或加大風扇功率以增大空氣循環(huán)量。由于項目貨物為帶包裝的酸奶制品，對干耗影響不敏感，故綜合考慮冷風機設計選取8 K的蒸發(fā)溫差。

由于工藝速冷間進貨溫度約43 ℃，且要求降溫時間較短，故其結霜情況會比較嚴重，進而會影響制冷系統(tǒng)運行效率。故在工藝速冷間冷風機的換熱盤管設計上采用12 mm變?yōu)? mm的變片距方案，加大片翅片間距降低霜層對氣流的影響，從而減少融霜次數(shù)，提高制冷運行效率。

制冷系統(tǒng)的冷凝方式主要有風冷、水冷、蒸發(fā)冷3種。由于風冷冷凝器的冷凝溫度較高，通常大型冷庫的制冷系統(tǒng)多采用蒸發(fā)式冷凝器與水冷冷凝器。而與水冷式冷凝器相比，蒸發(fā)式冷凝器的冷凝溫度更低，可比水冷式冷凝器低3~5 ℃，能有效降低制冷機組的功耗。所選用的開利壓縮機06EM399在蒸發(fā)溫度-8 ℃、吸氣過熱度10 K時，其在不同冷凝溫度下的COP值如圖4所示。

圖4 不同冷凝溫度下的COP值

由圖4可知，相對于采用水冷冷凝器時的冷凝溫度40 ℃及風冷冷凝器時的冷凝溫度45 ℃的設計工況，采用蒸發(fā)式冷凝器的設計冷凝溫度36 ℃，其COP值分別提升14.6%和36.3%。

由于蒸發(fā)式冷凝器的水泵壓頭低、流量小，相應的水泵功耗小。此外蒸發(fā)式冷凝器冷耗水量一般為水冷冷凝器的5%~10%，節(jié)水效果也很明顯。且蒸發(fā)式冷凝器緊湊的結構，較小的占地面積，也能夠為安裝施工節(jié)省時間和成本。鑒于蒸發(fā)式冷凝器所具有的節(jié)能和施工上的優(yōu)勢[8-9]，冷凝器設計選擇使用蒸發(fā)式冷凝器。

同時為使系統(tǒng)在低負荷工況時及春冬過渡季節(jié)冷凝壓力運行平穩(wěn)而避免不出現(xiàn)冷凝風扇電機的頻繁啟停而產(chǎn)生較大的能耗，通過變頻設計對冷凝風扇電機的啟動與運行進行控制。

在對制冷劑供液膨脹閥選配時，采用電子膨脹閥代替常規(guī)使用的熱力膨脹閥，過熱度控制更準確，供液量調節(jié)更精準、靈敏，對整個制冷系統(tǒng)運行能效有明顯提升。

冷風機的融霜方式設計采用熱氟融霜而非通常使用的電熱融霜。故在冷風機的運行過程中，僅有冷風機風扇電機需要消耗電能，而省去電功率很大的融霜加熱管耗電，節(jié)能效果顯著。有研究表明，在制冷系統(tǒng)運行中冷風機采用熱氟融霜比電熱融霜節(jié)省90%左右的運行能耗[10-11]。采用PLC全自動智能控制，冷風機單臺循環(huán)融霜，保證融霜系統(tǒng)運行安全可靠。

2.2 安全設計

冷庫制冷系統(tǒng)的安全性一直是運營重點關注的內容，尤其是作為生產(chǎn)型冷庫，一旦出現(xiàn)制冷系統(tǒng)因安全問題停機，則將直接導致生產(chǎn)停止，影響生產(chǎn)計劃，造成嚴重的經(jīng)濟損失。停機時間較長會導致冷藏庫溫度回升，超過酸奶成品的冷藏溫度，就會造成酸奶品質降低，影響銷售乃至導致貨損，因此制冷系統(tǒng)安全性顯得格外重要。

直接的安全性是指制冷系統(tǒng)本身運行的安全性及可靠性，其次是指由于制冷系統(tǒng)的不安全而引發(fā)的如酸奶品質、人身安全及維修不便等間接影響。

從制冷機組的設計上，采用多壓縮機并聯(lián)設計，就機組本身的安全性而言，可實現(xiàn)多臺壓縮機的互為備用。即使某一臺壓縮機故障停機，冷藏庫制冷系統(tǒng)及工藝速冷間制冷系統(tǒng)仍分別有87.5%及83.3%的制冷量可用，不至于對生產(chǎn)使用產(chǎn)生大的影響。

1#、2#酸奶成品冷藏庫分別設計2套獨立的制冷系統(tǒng)，在這2套制冷系統(tǒng)之間通過加裝相應的旁通管路、制冷閥門，相互橋接實現(xiàn)2套制冷系統(tǒng)之間互相切換，使其制冷機組、蒸發(fā)式冷凝器互為備用，為冷藏庫的安全運行增加了保證。冷藏庫制冷系統(tǒng)橋接示意圖如圖5所示。

圖5 制冷系統(tǒng)橋接示意圖

工藝速冷間由于進貨溫度高，要求降溫速度快，其所需制冷量也大。而大冷量冷風機的風量大、風速高，如果按常規(guī)冷庫吊裝布置，很容易導致送風回彈，乃至氣流短路，從而產(chǎn)生問題：（1）冷氣流回彈導致感溫探頭接受錯誤信號，使制冷設備頻繁啟停，增加制冷設備的運行安全風險；（2）冷氣流不能有效通過酸奶杯壁面進行降溫循環(huán)，不能在規(guī)定的時間內降到要求的溫度，影響酸奶品質，從而產(chǎn)生食品安全風險。

考慮到上述工藝速冷間不安全因素的存在，在該庫的設計中，采取相應的氣流組織優(yōu)化措施。在冷風機對面立板與頂板的夾角處安裝一道直徑1 m的弧形導流板，對氣流進行弧形過渡引導。同時在冷風機底部做一個擋風隔板，使上部形成夾層送風通道，通過擋風隔板末端出風口處的擋風軟簾調節(jié)遮擋，在冷風機的運行時使酸奶前后形成一定的壓力差，氣流變成單向循環(huán)，能夠完全通過酸奶杯帶走熱量后被冷風機吸入到回風側。其結構示意圖如圖6所示。此設計措施通過氣流組織的優(yōu)化，能夠使得酸奶快速降溫，達到設計要求，避免制冷設備運行風險及酸奶品質安全風險。

圖6 氣流組織設計示意圖

酸奶成品冷藏庫內，高凈達8.5 m，加上庫內貨架的布置占據(jù)庫內空間，后期運營時對庫內的冷風機進行檢修維護將非常不便。為了能讓檢修人員快速到達出現(xiàn)問題的冷風機位置，且便于操作，在該庫的設計中專門在冷風機前側下部用鋼構做了一條寬0.8 m的檢修通道，如圖7所示。

圖7 冷風機安全檢修通道示意圖

檢修維護人員可通過爬梯登上檢修通道，快速安全地到達指定冷風機處，排查解決在制冷系統(tǒng)運行中冷風機所出現(xiàn)的故障，消除安全隱患，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，進而保證冷藏庫內酸奶品質的安全。

在制冷系統(tǒng)中要時刻警惕制冷劑泄露所產(chǎn)生的安全風險，對此在冷風機處、機房制冷機組等處易產(chǎn)生泄露風險且危害較大的地方設計安裝了制冷劑防泄漏報警裝置。一旦某處有制冷劑泄露達到預設報警值，則相應的報警裝置發(fā)出聲光警報，通知設備管理人員進行排查處理，避免因制冷劑泄漏而不被發(fā)覺所導致的一系列后續(xù)安全問題。

此外，在儲液器、蒸發(fā)冷進氣管等高壓容器及管路處設計安裝雙安全閥，通過泄壓管接至室外安全處排放，最大程度地保持壓力容器及壓力管道的安全性。

3 結論

在充分理解酸奶冷庫加工工藝及要求的基礎上，綜合考慮該系統(tǒng)的使用特點，對制冷系統(tǒng)采用一系列節(jié)能與安全上的設計措施。

選配高效的制冷設備，如并聯(lián)壓縮機組、高效換熱冷風機、蒸發(fā)式冷凝器。此外還采用電子膨脹閥、冷風機小溫差制冷、冷風機盤管熱氟融霜、速冷間冷風機變翅片間距、蒸發(fā)冷風扇電機變頻控制等多種制冷系統(tǒng)節(jié)能的設計方式，綜合運行能效提升12.8%。

在制冷系統(tǒng)安全方面，綜合運用制冷機組的多臺壓縮機并聯(lián)設計、兩間成品冷藏庫制冷系統(tǒng)橋接備用、工藝速冷間送風氣流組織優(yōu)化設計、冷風機檢修通道設計、制冷劑防泄漏報警裝置及壓力容器與壓力管道安裝雙安全閥等多種安全設計措施，既保證制冷設備及系統(tǒng)的安全性，又提升制冷系統(tǒng)的維護效率，降低維護人員的工作量，同時又保證酸奶的品質安全性，可使年均維護費用降低約38%。