美國和加拿大冷藏庫設計中的節(jié)能技術

美國和加拿大冷藏庫設計中的節(jié)能技術

一、美國和加拿大冷藏庫制冷裝置的節(jié)能現(xiàn)狀國家留學基金委員會于1998年10月前往北卡羅來納州大學海立克實驗中心。這一年中,本人的“美國和加拿大冷庫制冷裝置節(jié)能調研”的研究課題”得到國際冷藏庫協(xié)會InternationalAssociationofRefrigeratedWarehouses(IARW)的大力支持和資助。通過問卷調查表,對美國和加拿大的公用冷庫制冷裝置節(jié)能現(xiàn)狀進行調查。IARW協(xié)助分發(fā)調查表。共收回調查表62份。其中加拿大4月份,58份來自美國的20個州。被調查的冷庫均為IARW成員。本文根據(jù)問卷和實地調查結果,結合我國冷藏庫制冷裝置的現(xiàn)狀,介紹與分析美國和加拿大冷藏庫設計中的節(jié)能技術及其動態(tài),著重剖析可供我國制冷行業(yè)借鑒的幾個要點。二、冷風機位置1.獨立的承擔結構在收回的62份調查表中,有7份沒有回答冷庫層數(shù)。調查表明,在總數(shù)72座冷庫中,10座為多層結構(如表1),其余均為單層結構。10座多層結構冷庫中有7座為1930年以前建造。1930年以后建造的基本上為單層結構。這種趨勢是以美國和加拿大的國情為基礎。美國和加拿大地廣人稀,公路和高速公路網(wǎng)十分發(fā)達。因此,將冷庫建在城市中心之外,對其功能和使用基本沒有影響。單層結構使冷庫建筑的成本降低。在使用上,減少了垂直運輸環(huán)節(jié),大大加快了進出貨的速度。同時,單層結構可以增加月臺的長度。這一方面使貨流的距離縮短,另一方面使大量貨物的吞吐可以同時進行,大大提高了營運的效率。根據(jù)調查,除了早期建造的冷庫,美國和加拿大冷庫均采用封閉月臺。在美國和加拿大的單層冷庫均采用鋼結構固定式貨架,托盤采用叉車裝卸。冷庫的層高有不斷增加的趨勢。根據(jù)收集的總數(shù)72座冷庫,其建造年代和高度列于表2。根據(jù)調查的結果,九十年代的冷庫平均層高又有明顯增加,平均層高達到10.8米。2.采用專設冷風機的安裝方式除個別早期建造的冷庫采用排管外,在美國和加拿大的低溫冷藏庫均采用冷風機。冷風機的傳統(tǒng)安裝形式是落地式和吊頂式。調查表明,實際上冷風機大多采用吊頂式和固定在墻面上部兩種形式。分析其原因,是由于冷庫層高增加,采用高置冷風機可以利用冷空氣的自由射流,避免了設置風道。在美國和加拿大冷庫中,冷風機的閣樓式安裝是值得注意的一種新趨勢。這種方式與傳統(tǒng)吊頂式不同,它是將冷風機安裝于藏庫的屋頂之上。具體可分為三種形式?！稚⑹轿蓓敯惭b。這種方式將冷風機的供液、回氣、沖霜、排液全部管線和閥件設置在冷庫的隔熱層之外。各臺冷風機分散于屋頂之上。每臺冷風機外面專設隔熱外罩,外罩與屋頂完全密封連接,不留檢修口。冷風機的冷風出口設在庫內屋頂,采用90度彎頭使冷風沿庫內屋頂流動。由于全部管線和閥件設置在冷庫的隔熱層之外,檢修可在常溫下進行。只有風機檢修需要從庫內進行?！虚w樓式安裝。這種方式將所有冷風機集中安裝于冷藏庫的屋頂閣樓內。閣樓位于的屋頂中央,設有檢修門。冷風沿庫內屋頂流動、吹向墻面。與吊頂式比較,這種方式的冷風機維護檢修要方便的多。——多層冷藏庫的集中閣樓式安裝。在對洛杉磯冷藏公司(LosAngelesColdStorageCompany)的考察中,發(fā)現(xiàn)了一種特殊的冷風機閣樓安裝方式。該冷庫是一座早期的六層冷庫,采用排管。1988年該廠進行技術改造,拆除了排管,在屋頂加蓋裝配式閣樓。將幾臺大型冷風機集中設于閣樓內,循環(huán)桶和氨泵設于閣樓外。在冷庫的一側打穿各層樓板,在冷庫的另一側設置垂直回風道。該廠介紹,該系統(tǒng)1988年使用以來效果良好。筆者提出了送風是否均勻問題,該廠工程師承認,存在送風死角,庫溫不夠均勻問題。但對于早期冷庫的改造,還是一種可行的方案。在實地考察中,各廠的美國工程師普遍認為,單層冷庫冷風機的閣樓式安裝是一種優(yōu)點比較明顯的新趨勢。他們估計,目前美國新建的冷庫中,這種形式占了50%-70%。這種明顯的趨勢值得我國制冷工作者注意。三、冷系統(tǒng)設計中的節(jié)能1.采用的制冷及其改進除了個別冷庫例外,被調查的冷庫均采用壓縮式制冷。制冷劑的選用不僅關系到操作維護,關系到制冷性能,而且關系到制冷裝置運行的能耗。被調查的部分冷庫有一個以上的系統(tǒng),共計67個系統(tǒng)的制冷劑使用現(xiàn)狀列于表3?？紤]到被調查的冷庫只占冷庫總數(shù)約十分之一,其結果可能有誤差。筆者又根據(jù)IARW成員目錄進行了統(tǒng)計。在1998年的IRAW目錄(InternationalDirectoryofPublicRefrigeratedWarehouses)的美國成員中,有352個冷庫列出了其選用的制冷劑,見表3。由表3可見,問卷調查與IARW成員目錄統(tǒng)計吻合良好。使用R717的冷庫約占87%,只有13%采用鹵化碳制冷劑。采用鹵化碳制冷劑包括R12,R22,R502,R507,R404A。調查發(fā)現(xiàn),個別采用R12的冷庫尚未替代新工質。美國現(xiàn)規(guī)定,R22可以使用至2020年。對于冷庫中的R12,R22,R502,目前考慮的典型替代新工質列于表4。氨是一種天然制冷劑,在工業(yè)制冷中使用已超過100年。它具有優(yōu)良的熱力性質和循環(huán)效率。其缺點是會燃燒,會爆炸,有毒。隨著CFC淘汰進程的加快,人們對氨的應用更加重視。近年來,它甚至已被安全地使用在超級市場和船舶制冷裝置中。因此,對于新的冷庫制冷系統(tǒng),氨無疑是首選的制冷劑。2.實現(xiàn)單位生活制冷裝置總是根據(jù)一定的條件而設計。但在使用中,實際工況是不斷變化的。即實際工況與設計工況是不一致的。因此,制冷裝置需要進行調節(jié)。制冷裝置調節(jié)的形式,調節(jié)是否及時準確直接影響制冷的速度和能耗。傳統(tǒng)的人工調節(jié)需要較高的技術水平,大量的人力和高度的工作責任心。由于種種原因,人工調節(jié)往往不如人意,造成不同程度的能量損耗。因此,自動控制是制冷裝置節(jié)能中重要的一環(huán)。調查表明,美國和加拿大冷庫制冷裝置廣泛采用了自動控制,見表5。由表6可見,由于采用了自動控制,機房的操作人員大大減少。絕大多數(shù)的廠只有1-3人。同時,許多廠已實現(xiàn)了夜間無需值班。夜間運行由自動報警裝置監(jiān)控。異常情況的處理有兩種形式,一是報信號警設于廠內,由保安人員監(jiān)控,及時通知有關的人員。另一種通過電話或無線電裝置將信號直接送達有關人員。當然,對于復雜的大型制冷裝置,從安全和經(jīng)濟運行考慮,還是應當有人24小時值班,以應付各種復雜或特殊的情況。雖然計算機技術得到了飛速發(fā)展,但電腦還是無法替代人腦。這一點在調查中也得到證實(表7),24小時值班的制冷裝置占所調查總數(shù)的25.8%。3.直接膨脹供液在美國和加拿大冷庫制冷裝置中,制冷劑的供液形式主要為泵循環(huán)供液和直接膨脹供液(表8)。泵循環(huán)供液是較一致肯定的主流。許多廠采用的直接膨脹供液主要用于封閉月臺的冷風機。少數(shù)廠采用加壓供液。加壓供液系統(tǒng)在美國有定型的成套產(chǎn)品,例如H.A.Phillips公司的產(chǎn)品。由于不需要機械泵,有些書刊推薦采用它可以節(jié)能。WilliamStoecker教授在其新著IndustrialRefrigerationHandbook中對此進行了分析和計算,提出了加壓供液并不節(jié)能,甚至比機械泵循環(huán)供液更耗能的觀點。4.兩次節(jié)流流程在壓縮式制冷中,壓縮級數(shù)和兩級壓縮流程的選擇,直接影響制冷的速度和能耗。本次調查發(fā)現(xiàn),美國和加拿大冷庫的制冷裝置中,只用單級壓縮的系統(tǒng)占了相當?shù)谋壤?12個廠(20.3%),見表9。這12個廠采用的壓縮機列于表10,其中有10個廠制冷劑用氨,其余2個廠采用R22。在兩級壓縮制冷循環(huán)中,可以采用一次節(jié)流或兩次節(jié)流流程。我國基本上采用一次節(jié)流的流程。理論分析和計算表明,與一次節(jié)流流程相比,兩次節(jié)流流程具有較高的循環(huán)COP值。國內一般認為,兩次節(jié)流流程增加了調節(jié)的難度。同時,兩次節(jié)流的中壓液態(tài)制冷劑壓力較低,不便于遠距離輸送。如表9所示,在美國和加拿大冷庫制冷裝置中,兩次節(jié)流流程占了很大比例。這種情況表明,兩次節(jié)流流程在實用上是沒有問題的。實際上我國冷庫中廣泛采用機械泵循環(huán)供液,不需要利用液態(tài)制冷劑的壓力進行遠距離輸送。中間冷卻器的液位控制通過采用浮球閥或自動液位控制器。這就是說,采用兩次節(jié)流流程既不需要增加投資,又不會增加操作調節(jié)的工作量,并且可以提高循環(huán)的COP值,具有節(jié)能的效果。因此,在工業(yè)兩級壓縮循環(huán)制冷裝置中,應該盡量考慮采用兩次節(jié)流流程。5.冷間高溫冷藏間許多冷庫中既有低溫冷藏間,又有高溫冷藏間。調查發(fā)現(xiàn),在美國和加拿大冷庫中可以變換溫度的冷庫占了很大比例。即冷間既可做低溫冷藏間,又可做高溫冷藏間。表11為本次調查的62個廠的冷間分布情況。帶有可變換溫度冷間的冷庫占了50%,各廠可變溫度的冷間占的比例不同,有些廠全部冷間均可以變換溫度。我國冷庫中的典型形式是高溫冷藏間采用單獨的回路,或者與制冰合并為一回路。調查發(fā)現(xiàn),在美國和加拿大冷庫中,通常采用高溫冷藏間與兩級壓縮的高壓級合并為一回路。據(jù)美國工程師介紹,這種設計方案可以節(jié)能。這種設計方案值得國內進一步探討。四、制冷設備的選擇1.壓縮機的主要特征在壓縮式制冷中,壓縮機是制冷裝置的心臟。它是最主要的設備,消耗的能量占最大的比例。對于特定的制冷量,選擇不同的壓縮機直接關系到運行的能耗。根據(jù)調查,目前美國和加拿大冷庫制冷裝置中,壓縮機的使用情況如表12。由表12可見,只用活塞式壓縮機的廠只有12個,只占19%。使用螺桿壓縮機的廠已明顯多于使用活塞式壓縮機的廠。眾所皆知,隨著深入和制造技術水平的提高,壓縮機的性能也在不斷改進,各個時期生產(chǎn)的壓縮機機型和性能也不同。調查表對活塞式和螺桿式壓縮機的主要特征進行了調查。表13和表14列出了62個廠采用的226臺活塞式壓縮機和213臺螺桿式壓縮機的主要特征。盡管部分表格填寫不完整,個別欄目填寫可能不夠準確,表13和14無疑反映了美國和加拿大冷庫制冷裝置中,使用的壓縮機的基本情況和趨勢。首先,螺桿式壓縮機已在冷庫中廣泛應用。根據(jù)調查,八十年代以來建設的冷庫基本上都采用螺桿式壓縮機。由表13可見,配備微處理器的活塞式壓縮機在226臺中只占7臺。對照目前美國市場上的活塞式壓縮機,大部分產(chǎn)品都配備微處理器。由此可以說明,新建的美國和加拿大冷庫制冷裝置大多不用活塞式壓縮機。其次,美國和加拿大冷庫制冷裝置中單機兩級活塞壓縮機擁有量較少。由表13可見,在226臺中只占30臺。在實地考察中,發(fā)現(xiàn)許多老廠仍使用滑片式壓縮機作為低壓級。在新廠中則使用螺桿式壓縮機。第三,螺桿式壓縮機的功能多樣,性能先進。由表14可見,在213臺螺桿式壓縮機中,帶經(jīng)濟器的占了1/3,具有可變內容積的占了2/3,帶微處理器的占了87%。有部分螺桿式壓縮機已采用了變頻調速。這些數(shù)據(jù)說明,螺桿式壓縮機已發(fā)展成功能多樣,性能先進的機型。在冷庫中已成為選擇的主要機型。令人意外的是,單螺桿壓縮機發(fā)展迅速。在213臺螺桿式壓縮機中,單螺桿壓縮機達到69臺,占了約1/3。這是一個值得我國制冷壓縮機制造和使用者注意的動向。調查發(fā)現(xiàn),在226臺活塞式壓縮機中,有56%采用了皮帶傳動。即皮帶傳動的壓縮機多于直聯(lián)傳動的壓縮機。顯然,皮帶傳動既增加了皮帶的費用,又增加了皮帶松緊調節(jié)的工作量。即使維護良好,皮帶傳動也不可避免存在的能量損失。無疑直聯(lián)傳動更加節(jié)能,更加合理。奇怪的是目前美國市場上仍有不少活塞式壓縮機產(chǎn)品是皮帶傳動。在現(xiàn)場考察與美國冷庫工程師的探討中,他們認為是傳統(tǒng)習慣造成。2.蒸發(fā)式冷凝器冷疑器是壓縮式制冷的四大部件之一,其性能直接關系到運行的能耗。調查發(fā)現(xiàn),美國和加拿大冷庫制冷裝置中蒸發(fā)式冷凝器占了絕大多數(shù),見表15。立式和臥式殼管式冷凝器使用很少。有八個廠使用了空氣冷卻式冷凝器。值得一提的是這八個廠中有五個廠制冷劑是氨。蒸發(fā)式冷凝器兼有冷卻塔的功能,不需另外配備冷卻塔。由于它靠水的蒸發(fā)潛熱來吸取制冷劑的冷凝熱,冷卻水的流量大大小于殼管式冷凝器。因此,采用蒸發(fā)式冷凝器時,冷凝溫度較低,冷卻水系統(tǒng)的水泵的能耗減少。換言之,采用蒸發(fā)式冷凝器具有較明顯的節(jié)能效果。我國冷庫中習慣采用殼管式冷凝器。它是靠水溫升高的顯熱來帶走冷凝熱。目前基本上采用循環(huán)水,需要配置冷卻塔。這樣就增加了冷卻塔的投資、占地和維護管理。由于殼管式冷凝器冷卻水的流量大,冷卻水系統(tǒng)的水泵的能耗明顯大于蒸發(fā)式冷凝器。國