冷凍食品企業(yè)制冷設(shè)備節(jié)能技術(shù)研究

劉德雄

上海美樂(lè)柯冷鏈設(shè)備有限公司（上海 201802）

冷凍是一種利用接近或低于0 ℃的低溫來(lái)處理食物，以改善其產(chǎn)品的加工和儲(chǔ)存特性。隨著人民的物質(zhì)生活水平提高，人民的物質(zhì)生活也變得更加美好，對(duì)于食材的需求量也在不斷增加。食材的新鮮程度也是人們選擇食物的標(biāo)準(zhǔn)，用冷凍來(lái)解決食物的問(wèn)題，已進(jìn)入千家萬(wàn)戶(hù)。為保證食物的鮮味，各企業(yè)都建立冷凍室儲(chǔ)存新加工的食物，以此來(lái)占領(lǐng)市場(chǎng)。但由于一些制冷設(shè)備的功能并不完善，其能量消耗較大，因此對(duì)冷凍食品企業(yè)制冷設(shè)備節(jié)能技術(shù)研究進(jìn)行探索。

1 冷凍食品企業(yè)制冷設(shè)備節(jié)能的必要性

冷凍技術(shù)在食物中得到廣泛的運(yùn)用。2021年以來(lái)，冰凍食物的銷(xiāo)量增長(zhǎng)近60%。冷凍技術(shù)之所以能夠如此迅速地發(fā)展，就是因?yàn)樗性S多優(yōu)點(diǎn)，可以讓食物長(zhǎng)期保存，不會(huì)變質(zhì)，在需要時(shí)可以隨時(shí)取用，方便安全。利用冷凍技術(shù)保存的食品也不會(huì)因?yàn)榧竟?jié)的原因而受損，通過(guò)冰凍技術(shù)，可以在任何時(shí)候都能享用食材。

冷凍食品企業(yè)的發(fā)展需要依靠電動(dòng)機(jī)和壓縮機(jī)來(lái)完成。從2020年起，目前90%的電能都是用燃煤火力發(fā)電，因此對(duì)環(huán)境的影響比較大。一般情況下，冷凍食品行業(yè)的制冷設(shè)備能耗在整個(gè)行業(yè)中占有相當(dāng)大的比例。每年用于生產(chǎn)的制冷機(jī)械裝置的額定電力消耗相當(dāng)于建立一座中小型電站。不過(guò)，由于制冷系統(tǒng)的消耗很大，所以節(jié)能空間也是很大。制冷系統(tǒng)可從四方面進(jìn)行節(jié)能。一是制冷機(jī)械自身的具有節(jié)能特點(diǎn)，包括制冷壓縮機(jī)、冷風(fēng)機(jī)、冷凝器等，其制冷效果最佳。二是從制冷系統(tǒng)的角度來(lái)看，可以更好實(shí)現(xiàn)節(jié)能級(jí)別的提升。采用自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化的控制，代替人工來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源，如由某企業(yè)開(kāi)發(fā)的采用IEMC智能自控系統(tǒng)，與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，可節(jié)約10%的能源。三是低溫速凍，從單級(jí)帶經(jīng)濟(jì)型螺桿機(jī)組，轉(zhuǎn)變?yōu)閱螜C(jī)雙極或雙極配打系統(tǒng)，可節(jié)約15%~20%的能源。四是利用工業(yè)余熱對(duì)環(huán)保和節(jié)約能源的效果更為明顯。制冷是一種傳導(dǎo)熱量，一般都是將設(shè)備的溫度散發(fā)到大氣中，但是在工廠(chǎng)里需要大量的熱水，所以冰輪通過(guò)應(yīng)用工業(yè)熱泵，可將溫度提高到更高水平。它還能在低溫條件下產(chǎn)生超過(guò)75 ℃的熱水，用于冬季取暖、鍋爐供水、設(shè)備消毒等，從而節(jié)約資源，降低污染，相比較而言，可節(jié)約30%以上的成本[1]。

2 冷凍食品企業(yè)制冷設(shè)備的類(lèi)型

制冷設(shè)備，是一種用于冷凍食材、冷凍貨物等的一種設(shè)備。它由壓縮機(jī)、膨脹閥、蒸發(fā)器、冷凝器和配件、管路組成。按照工作原理，可劃分為壓縮制冷設(shè)備、吸收制冷設(shè)備、蒸汽噴射制冷設(shè)備、熱泵制冷設(shè)備、電熱制冷器等。在冷凍設(shè)備中，最常用的是壓縮式冷凍設(shè)備。按照設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)周期，將物體和周?chē)臒岢ィ蛊渚S持在特定溫度下。

通常常見(jiàn)的制冷設(shè)備可分為2種。一種是直接冷卻，直接冷卻就是將制冷機(jī)的蒸發(fā)器安裝在制冷裝置的箱體或者建筑物內(nèi)，然后利用制冷劑蒸發(fā)冷卻的空氣，來(lái)使物體降溫。這種冷卻方式具有較高的制冷速度、較小的傳熱溫差和較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，因而得到普遍應(yīng)用。另一種是間接冷卻，它主要利用制冷機(jī)蒸發(fā)器中的制冷劑進(jìn)行蒸發(fā)，以使載冷劑進(jìn)行冷卻，將其注入到制冷裝置的箱體或建筑物內(nèi)，利用換熱器來(lái)進(jìn)行空氣冷卻。這種制冷方式有利于保持冷凍物的穩(wěn)定，并且在制冷劑泄露時(shí)不易被沾染，并且自動(dòng)化程度高，可通過(guò)電腦進(jìn)行遙控。但是，這一方式有一個(gè)缺點(diǎn)，即制冷效率很低，而且它的總換熱量差很大，而且它的軟件也很復(fù)雜。所以?xún)H用于小型冷庫(kù)，并有嚴(yán)格的規(guī)定。2種制冷方式各自有其優(yōu)劣之處，且各自具有其存在的意義。制冷設(shè)備是制冷機(jī)的核心，是將具有相對(duì)低溫的物體的熱能轉(zhuǎn)化為周?chē)慕橘|(zhì)，以獲得冷量的機(jī)器。常用的制冷設(shè)備有壓縮型制冷機(jī)、吸收型制冷機(jī)、蒸汽噴射型制冷機(jī)、半導(dǎo)體材質(zhì)制冷機(jī)等[2]。

3 冷凍食品企業(yè)制冷設(shè)備節(jié)能技術(shù)措施

食物冷加工包括冷凍和冷藏。冷凍是把食品的溫度降到一定程度，而冷藏就是把凍好的食品放到溫度較低的地方。冷凍分為冷卻和凍結(jié)2種，冷卻是指將食品進(jìn)行低溫處理，而冷結(jié)則是將食品進(jìn)行冰凍，或者低于食物汁液的凍結(jié)點(diǎn)。根據(jù)不同的凍結(jié)方式，凍結(jié)分為快速凍結(jié)和普通凍結(jié)，凍結(jié)和快速凍結(jié)可以保證食物的質(zhì)量，提高食品的易用性。冷藏可分為冷卻食品（高溫冷藏）和凍結(jié)食品（低溫冷藏）。一般來(lái)說(shuō)，冷凍的食物凍結(jié)越短，儲(chǔ)存時(shí)間越長(zhǎng)。近年來(lái)，雖然在食品冷凍方面的基礎(chǔ)理論進(jìn)展較慢，但是由于工程技術(shù)的發(fā)展，許多新技術(shù)被用于食品冷凍領(lǐng)域[3]。

3.1 制冷裝置設(shè)計(jì)中的節(jié)能措施

確定被冷凍食品的溫度和冷卻方式是符合規(guī)定的。從節(jié)能角度，以保護(hù)環(huán)境和能源為原則，冷卻食品的溫度要符合設(shè)計(jì)要求，并且根據(jù)實(shí)際情況，選用最高效的冷卻方式，以保證能量消耗不會(huì)太高，以此達(dá)到節(jié)能目的。

在選擇合適的制冷機(jī)設(shè)備中，特別是在制冷機(jī)的壓縮機(jī)和換熱器中，起著重要作用。選擇的制冷壓縮機(jī)容量一定要和制冷器的冷量負(fù)載（在計(jì)算冷量損耗的情況下）相符，避免造成能量損耗。為了保證制冷系統(tǒng)穩(wěn)定性和便于控制系統(tǒng)的統(tǒng)一管理，對(duì)于多間溫度接近的冷庫(kù)，可采用多臺(tái)壓縮機(jī)并聯(lián)形式，以保證在運(yùn)轉(zhuǎn)中能合理調(diào)配，或者使用帶有具有能量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的壓縮機(jī)。制冷壓縮機(jī)包括活塞式、滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式、渦旋式、螺桿式等，壓縮機(jī)的形式較多，很難從絕熱效率的大小來(lái)判斷選擇什么樣的壓縮機(jī)，要結(jié)合各廠(chǎng)家壓縮機(jī)資料提供的能效比、冷庫(kù)負(fù)荷大小、制冷機(jī)的前期投入資金等因素來(lái)選擇，從而達(dá)到預(yù)期的能效比和性?xún)r(jià)比。在制冷換熱器中，選擇最主要的是冷凝器和蒸發(fā)器（對(duì)于復(fù)疊式制冷機(jī)則還有冷凝蒸發(fā)器）。在選擇此類(lèi)型的換熱器時(shí)，為了節(jié)能，應(yīng)采用相對(duì)較低的傳熱溫差和制冷劑流動(dòng)阻力，以達(dá)到綠色和節(jié)約能源的目的。為減少傳熱溫差，要根據(jù)實(shí)際情況是否增加傳熱面面積，否則盲目增加傳熱面面積會(huì)加大初始投資和成本。因此，必須采用加強(qiáng)傳熱的方式。然而，加強(qiáng)傳熱通常會(huì)增加冷卻液流動(dòng)壓力或增加水泵、風(fēng)扇的動(dòng)力，因此需要通過(guò)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性的方法來(lái)尋求最優(yōu)的解決辦法。

制冷設(shè)備的控制系統(tǒng)中也包含對(duì)節(jié)能具有影響的制冷劑在管道中的流動(dòng)阻力和制冷設(shè)備、管道的絕熱。因此，設(shè)備和管道越厚的絕熱性能對(duì)節(jié)能越有利，但也會(huì)增加初期工程的投入，因此必須采用技術(shù)經(jīng)濟(jì)方法確定絕熱層的最經(jīng)濟(jì)厚度[4]。

3.2 高壓食品冷凍技術(shù)

高壓食品冷凍技術(shù)是通過(guò)改變壓力控制食物中水分的相變行為，使食物在200~400 MPa的高壓下達(dá)到一定溫度，這時(shí)水仍然沒(méi)有凍結(jié)，迅速解除壓力，由于食物的每一個(gè)部分都有相同的過(guò)冷度，所以水分無(wú)法聚集在一起形成固體狀的冰晶，只能形成細(xì)小的顆粒狀的冰晶，平均分散在食物中。這些分散在各處的冰晶會(huì)引起食物中剩余的水分形成細(xì)小的冰晶，從而減少由于冰晶體積過(guò)大而對(duì)食物結(jié)構(gòu)造成的損傷，從而改善所制備的冷凍產(chǎn)品的質(zhì)量。

另外，由于在特定的高壓下，食物表面和食物中的微生物會(huì)發(fā)生形態(tài)結(jié)構(gòu)、酶活性和生物化學(xué)反應(yīng)。遺傳物質(zhì)穩(wěn)定性以及細(xì)胞質(zhì)膜完整性等多方面發(fā)生變化，會(huì)對(duì)食物中的微生物的活力具有很大的限制作用，所以采用高壓冷凍技術(shù)生產(chǎn)的食物，可以更好保存。結(jié)果表明，在100 MPa加壓下，大多數(shù)細(xì)菌都可以停止繁殖，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)食物的低溫凍結(jié)。因此，采用高壓法處理食物時(shí)，應(yīng)當(dāng)適度放寬其儲(chǔ)存的流通溫度，從而大幅降低由于維持低溫所帶來(lái)的成本，具有諸多的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，這一技術(shù)的發(fā)展使得未冷凍干燥條件下的食物品質(zhì)比傳統(tǒng)冷凍保存更好。

3.3 制冷劑的選擇與高效壓縮機(jī)的研制和使用

在中大型冷凍室中，制冷劑大量采用循環(huán)再用的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)的冷卻，因此，選用最合適的制冷劑是推動(dòng)制冷系統(tǒng)的節(jié)能、環(huán)保和提高技術(shù)的優(yōu)化程度。為此，應(yīng)該按照不同的實(shí)際狀況選擇不同的制冷劑。如為保證冷鏈過(guò)程中的制冷低溫維持在-22℃，R404A制冷劑的排氣壓力約是R22的1.2倍，質(zhì)量流量為R22的1.5倍左右，排氣流速的增加會(huì)使阻力增大。通常來(lái)說(shuō)，冷凝器的換熱容量要比R22增大20%~30%。在相同溫度下，R404A和R22有著不同的飽和壓力，因此，R404A熱力膨脹閥的動(dòng)作機(jī)構(gòu)與R22不同。同時(shí)由于R404A制冷劑及潤(rùn)滑油對(duì)密封材料相溶性不同，膨脹閥密封材料也要進(jìn)行相應(yīng)變更。所以，在熱力膨脹閥的選擇上要選用R404A專(zhuān)用膨脹閥。同時(shí)氨在需求較小時(shí)，能夠得到更好的制冷效果（氨制冷劑的制冷系數(shù)高），從而實(shí)現(xiàn)更好的節(jié)能結(jié)果。此時(shí)，如果使用具有相對(duì)低的制冷劑，就需要增加壓縮機(jī)的功率，以達(dá)到冷凍的目的，但能量的消耗就會(huì)更大[5]。

選擇合適的制冷劑后，是將壓縮機(jī)的系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)。在壓縮式制冷系統(tǒng)中，壓縮機(jī)是最關(guān)鍵的部分。冷凍的溫度與壓縮機(jī)的工作壓力及冷凝的壓力有關(guān)。在過(guò)去的十幾年里，大部分的制冷機(jī)都是活塞的，這種壓縮機(jī)在工作中的效率很差。因此，近幾年很多廠(chǎng)家通過(guò)智能控制器對(duì)螺桿式壓縮機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，或者利用變頻技術(shù)對(duì)螺桿式壓縮機(jī)能量調(diào)節(jié)，這2種方式都為了跟所需冷量相應(yīng)，避免壓縮機(jī)的工作壓力不穩(wěn)定。

4 冷凍食品企業(yè)制冷設(shè)備節(jié)能發(fā)展

一是企業(yè)開(kāi)發(fā)NH3/CO2復(fù)疊制冷技術(shù)，減少氨的注入，提高系統(tǒng)本身的安全性能。同時(shí)加強(qiáng)公司員工的安全意識(shí)，使其在主機(jī)房、倉(cāng)庫(kù)選址，機(jī)械設(shè)備選型，管道安裝要重視，重視設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)，聘請(qǐng)更高質(zhì)量的設(shè)備操作員。將公司的安全工作做到位，不可以馬虎，而節(jié)約能源是公司發(fā)展的必要條件，可以確保公司的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，使制冷設(shè)備更加安全和高效。但是節(jié)約能源不是一種手段，它應(yīng)當(dāng)包含許多要素，并且需要從系統(tǒng)各個(gè)方面來(lái)看，按照系統(tǒng)各種配置的最優(yōu)參數(shù)，再加上IEMC的智能監(jiān)控系統(tǒng)（該系統(tǒng)采用圖像處理、模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等技術(shù)，在監(jiān)測(cè)中加入智能化的影像解析功能，利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大運(yùn)算功能，將圖像中的無(wú)用信息剔除出來(lái)，自動(dòng)識(shí)別出不同的目標(biāo)，并對(duì)影像中的重要信息進(jìn)行解析、提取，從而迅速、精確的確定事故發(fā)生地點(diǎn)，并對(duì)監(jiān)視器中的異象進(jìn)行判定）、RDS主動(dòng)安全防御系統(tǒng)（該系統(tǒng)可以保證互聯(lián)網(wǎng)信息的安全性方面，使網(wǎng)絡(luò)安全體系發(fā)揮著重要的功能）、氨全熱回收系統(tǒng)等措施，逐步優(yōu)化系統(tǒng)，讓客戶(hù)得到最大的系統(tǒng)實(shí)用價(jià)值。隨著現(xiàn)代信息化技術(shù)的迅速發(fā)展，采用計(jì)算機(jī)代替人工進(jìn)行設(shè)備故障分析，以保證設(shè)備的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

二是提高員工的基本素質(zhì)。員工必須按照說(shuō)明書(shū)在產(chǎn)品自動(dòng)化流水線(xiàn)上操作制冷裝置。對(duì)有需求的崗位，制定員工的工作訓(xùn)練方案，通過(guò)考試后，方可上崗。建立崗位協(xié)調(diào)制度，當(dāng)發(fā)現(xiàn)冷凍設(shè)施運(yùn)行不正常，能量消耗不正常時(shí)，員工必須立刻制定緊急計(jì)劃，上報(bào)有關(guān)單位，對(duì)冷凍設(shè)施和系統(tǒng)進(jìn)行維修，有利于延長(zhǎng)制冷裝置的壽命，提高運(yùn)行的能源和高效。

三是建立一個(gè)系統(tǒng)節(jié)能分析評(píng)估體系。為確保各制冷系統(tǒng)的效率持續(xù)提高，必須建立相關(guān)的系統(tǒng)節(jié)能分析與評(píng)估體系，以便隨時(shí)監(jiān)控、及時(shí)反映該體系的能源情況。所以，相關(guān)評(píng)估體系應(yīng)涵蓋5個(gè)方面：制冷系統(tǒng)及其所屬系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步評(píng)估，包括制冷技術(shù)、環(huán)境保護(hù)特性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、集成高率，調(diào)節(jié)控制力等多個(gè)層面；對(duì)有節(jié)能等級(jí)進(jìn)行檢測(cè)、評(píng)價(jià)；對(duì)制冷裝置及其所屬的節(jié)能改造方案進(jìn)行合理性預(yù)測(cè)，并進(jìn)行實(shí)際節(jié)能效果預(yù)測(cè)；開(kāi)展對(duì)制冷設(shè)施及其相關(guān)系統(tǒng)節(jié)能改造的具體措施的分析和評(píng)估；針對(duì)制冷設(shè)備及相關(guān)的系統(tǒng)的改造，相關(guān)的系統(tǒng)的能效狀況進(jìn)行檢查、分析和評(píng)價(jià)[6]。

5 結(jié)語(yǔ)

全球各大發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)冷凍食物的需求無(wú)法估計(jì)，我國(guó)的冷凍行業(yè)正在快速發(fā)展，前景廣闊，一些公司已成為國(guó)際知名企業(yè)，但是大部分企業(yè)都存在著嚴(yán)重的設(shè)備老化和能源消耗問(wèn)題，急需得到有效的處理。而在食品行業(yè)中，首先要從制冷裝置自身的節(jié)約能源入手，包括制冷壓縮機(jī)、冷風(fēng)機(jī)、冷凝器等，選擇制冷效率高的制冷裝置，其次可以從制冷系統(tǒng)的角度改善能源消耗，比如采用自動(dòng)技術(shù)進(jìn)行智能化控制，代替人工進(jìn)行能源節(jié)約。另外，盡量充分利用工業(yè)廢熱，可以極大地提高能源節(jié)約的實(shí)用效益，使冷凍食品企業(yè)制冷設(shè)備節(jié)能技術(shù)得到提升。