單機(jī)雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)在艦艇食品供應(yīng)站冷凍調(diào)理食品生產(chǎn)線(xiàn)中的應(yīng)用研究

李　丹，李中華，仇順海

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·技術(shù)與方法·

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單機(jī)雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)在艦艇食品供應(yīng)站冷凍調(diào)理食品生產(chǎn)線(xiàn)中的應(yīng)用研究

李丹，李中華，仇順海

目的研究速凍裝置、制冷壓縮機(jī)及速凍溫度、凍結(jié)速度、節(jié)能等因素，以確保冷凍調(diào)理食品的速凍品質(zhì)。方法對(duì)單級(jí)螺桿式壓縮機(jī)與單機(jī)雙級(jí)壓縮機(jī)各自的應(yīng)用范圍及性能進(jìn)行比較，并選型。結(jié)果在R22與R404A制冷系統(tǒng)中，蒸發(fā)溫度低于-30 ℃時(shí)單機(jī)雙級(jí)螺桿式壓縮機(jī)組在速凍食品制冷系統(tǒng)中的制冷量、制冷效果有著明顯的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。結(jié)論單機(jī)雙級(jí)螺桿式壓縮機(jī)組在海軍艦艇食品保障冷鏈中有廣泛的應(yīng)用前景。

單機(jī)雙級(jí)壓縮機(jī)；螺桿壓縮機(jī)；冷凍調(diào)理食品；節(jié)能

1　概況

冷凍調(diào)理食品生產(chǎn)線(xiàn)中速凍裝置關(guān)鍵技術(shù)是如何設(shè)計(jì)和選擇制冷壓縮機(jī)。壓縮機(jī)吸入從蒸發(fā)器出來(lái)的低壓制冷劑氣體，將其壓縮為高溫高壓氣體。壓縮機(jī)的選擇是整個(gè)速凍制冷系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)之一。活塞壓縮機(jī)的使用具有悠久的歷史，但是，一般冷量較低(小于62.5 kW)。活塞壓縮機(jī)因具有較多的運(yùn)動(dòng)部件，維護(hù)要求高。螺桿式壓縮機(jī)具有較大的冷量(12.5～125 kW)，螺桿式壓縮機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)要求較高，必須得到足夠的潤(rùn)滑，以保證螺桿的密封效果[1]。

“冷凍調(diào)理食品”是指農(nóng)產(chǎn)、畜禽、水產(chǎn)品等為主要原料，經(jīng)前處理及配制加工后，采用速凍工藝，并在凍結(jié)狀態(tài)下(產(chǎn)品中心溫度在-18 ℃以下)儲(chǔ)存、運(yùn)輸和銷(xiāo)售的包裝食品[2]。

目前，裝備艦艇部隊(duì)的冷凍調(diào)理食品。食品原料經(jīng)預(yù)處理加工成菜肴，快速冷卻后裝入尼龍-聚丙烯復(fù)合袋熱合密封，再經(jīng)-45 ℃以下溫度速凍，移入-18 ℃冷凍庫(kù)貯藏。烹制后的食品經(jīng)過(guò)-45 ℃以上低溫速凍處理，使食品盡快通過(guò)-1～-5 ℃的最大冰晶生成帶和0～4 ℃的淀粉老化溫度帶，在45 min內(nèi)使食品中心溫度達(dá)到-18 ℃，避免在細(xì)胞之間生成最大的冰晶體，減少細(xì)胞內(nèi)水分外泄，解凍時(shí)汁液流失少；既能最大限度地保持食品本身的色澤風(fēng)味及營(yíng)養(yǎng)成分，又能有效地抑制微生物的活動(dòng)，保證食用安全；其品質(zhì)優(yōu)于罐頭食品，但貯藏和運(yùn)輸條件相對(duì)較高。

在歐美和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，為了提高凍結(jié)食品的質(zhì)量，多趨向于采用-25～-30 ℃的冷凍溫度。因?yàn)槭称穬鼋Y(jié)后的貯藏溫度越低，食品的穩(wěn)定性越好，貯藏周期越長(zhǎng)[3]〕，如圖1所示。但是凍結(jié)溫度的降低將對(duì)冷凍系統(tǒng)，特別是對(duì)制冷壓縮機(jī)的可靠性及效率提出更高的要求，如選用活塞式單機(jī)雙級(jí)并聯(lián)機(jī)組，則會(huì)產(chǎn)生壓縮機(jī)臺(tái)數(shù)多，操作管理不便，且成本高等問(wèn)題，選用開(kāi)啟式氨機(jī)單機(jī)雙級(jí)螺桿，工期長(zhǎng)，維護(hù)成本、使用成本高及安全性差。

圖1　食品儲(chǔ)藏期與儲(chǔ)藏溫度關(guān)系曲線(xiàn)

中小容量的速凍裝置的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)一直以來(lái)是采用單級(jí)或兩級(jí)往復(fù)式壓縮機(jī)。但是，在低圓周速度下具有最佳轉(zhuǎn)子型面的螺桿式壓縮機(jī)發(fā)展，對(duì)在速凍裝置中選用螺桿式壓縮機(jī)提供了很有價(jià)值的參考[4]。

2　多級(jí)壓縮應(yīng)用的必要性

為保證冷凍調(diào)理食品的質(zhì)量，關(guān)鍵在于提高食品的凍結(jié)速度，同時(shí)在儲(chǔ)藏和運(yùn)輸過(guò)程中控制速凍食品的溫升，因?yàn)檩^大溫度波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致冰晶的生長(zhǎng)，細(xì)小的冰晶不斷長(zhǎng)大，直到破壞食品的組織結(jié)構(gòu)，以至于使速凍食品的優(yōu)點(diǎn)逐漸的消失。在速凍食品的凍結(jié)和儲(chǔ)藏過(guò)程中，需要制冷設(shè)備達(dá)到-50～-60 ℃的蒸發(fā)溫度，而單級(jí)壓縮制冷機(jī)只能獲得-20～-40 ℃的溫度，只能滿(mǎn)足普通食品的冷藏和冷凍。速凍食品的生產(chǎn)必須采用多級(jí)壓縮制冷機(jī)，其中應(yīng)用最多的是兩級(jí)壓縮制冷機(jī)。若選用單級(jí)半封閉螺桿壓縮機(jī)組配經(jīng)濟(jì)器的并聯(lián)機(jī)型，當(dāng)蒸發(fā)溫度低于-40 ℃ 時(shí)，由于機(jī)器本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，能效比較低。在這些低溫應(yīng)用場(chǎng)合，采用半封閉單機(jī)雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)組或配組雙級(jí)螺桿并聯(lián)機(jī)組將是節(jié)能、成本低的最合適的方案。

螺桿單機(jī)雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)每級(jí)壓比減小，泄漏少、絕熱損失少；容積效率高，制冷量大；中冷器過(guò)冷，從而使制冷量增加，制冷系數(shù)提高；轉(zhuǎn)子軸承受力小，使用壽命長(zhǎng)；絕熱效率高，電機(jī)功率省、節(jié)能、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，是一種高效的具有國(guó)際先進(jìn)水平的制冷循環(huán)方案。

單機(jī)雙級(jí)螺桿機(jī)組的結(jié)構(gòu)十分緊湊；低壓級(jí)和高壓級(jí)共用1臺(tái)電機(jī)，有較高的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，所以節(jié)能；并聯(lián)單機(jī)雙級(jí)螺桿機(jī)組可以采用多臺(tái)壓縮機(jī)交替運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)組的壽命也得到延長(zhǎng)。另外，機(jī)組所配置的極好的潤(rùn)滑油監(jiān)測(cè)和分配系統(tǒng)保證了系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的高度安全性。除此之外還可利用回收廢熱產(chǎn)生熱水、熱氟融霜，同時(shí)也提高了整個(gè)制冷系統(tǒng)的效率。

單機(jī)雙級(jí)螺桿機(jī)組蒸發(fā)溫度范圍R22：-30～-60 ℃(R404A：-65 ℃)；制冷量范圍:63～756 kW(±40 ℃)；特點(diǎn):噪音低、震動(dòng)小、抗液擊能力強(qiáng)；油路簡(jiǎn)單(壓差供油、開(kāi)機(jī)僅用一臺(tái)預(yù)潤(rùn)滑油泵)；操作方便，自動(dòng)化程度高，機(jī)組采用PLC觸摸屏控制或并聯(lián)機(jī)組專(zhuān)用自動(dòng)控制器，可直接與各種冷風(fēng)機(jī)、鋼(鋁)排管、殼管式蒸發(fā)器或其他類(lèi)型蒸發(fā)器匹配組成完整的制冷系統(tǒng)。其不足是高、低壓級(jí)容積比偏小，尤其在蒸發(fā)溫度低于-40 ℃時(shí)與最佳容積比有一定偏差。

單機(jī)雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)因在單臺(tái)壓縮機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)兩級(jí)壓縮，進(jìn)一步延伸了螺桿壓縮機(jī)的低溫應(yīng)用范圍。制冷循環(huán)方式一般為兩級(jí)壓縮一級(jí)節(jié)流中間不完全冷卻循環(huán)。因?yàn)橹虚g完全冷卻循環(huán)的中間冷卻器體積較龐大，不適合機(jī)組配置，所以機(jī)組帶一臺(tái)中間不完全冷卻的中間冷卻器(一般為板式熱交換器為宜)，無(wú)論對(duì)R22、R404A或是其他制冷劑，均采用中間不完全冷卻的循環(huán)方式。

3　單級(jí)、雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)的選擇比較

實(shí)際上，單級(jí)與雙級(jí)在壓縮過(guò)程不會(huì)依等熵行程進(jìn)行，當(dāng)高壓縮比時(shí)，其容積效率降低，質(zhì)量流量減少，使制冷性能系數(shù)(COP)值大幅度地下降。對(duì)螺桿機(jī)而言，當(dāng)蒸發(fā)溫度長(zhǎng)期小于等于-30 ℃時(shí)，并不是所有情況都需要采用雙級(jí)壓縮，當(dāng)所需制冷量較小時(shí)，可采用單臺(tái)帶經(jīng)濟(jì)器螺桿式制冷機(jī)組以簡(jiǎn)化系統(tǒng)。僅在蒸發(fā)溫度低于-30 ℃的情況下，宜采用雙級(jí)系統(tǒng)；溫度要求更低時(shí)，特別在蒸發(fā)溫度在-40 ℃的條件下，雙級(jí)系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)十分明顯[5-6]。

4　單機(jī)雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)在冷凍調(diào)理食品生產(chǎn)線(xiàn)中的應(yīng)用

艦艇食品供應(yīng)站冷凍調(diào)理食品生產(chǎn)線(xiàn)中SDL系列低溫半封閉單機(jī)雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)，相對(duì)于帶經(jīng)濟(jì)器的單級(jí)半封閉螺桿壓縮機(jī)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)明顯。

4.1單機(jī)雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用特點(diǎn)適用于低溫工況(蒸發(fā)溫度：-30～-65 ℃)，可并聯(lián)使用，最多可達(dá)6并聯(lián)，滿(mǎn)足大冷量需求；系統(tǒng)應(yīng)用簡(jiǎn)單，節(jié)約投資成本；比單級(jí)低溫螺桿壓縮機(jī)節(jié)能30%以上，節(jié)約使用成本。

4.2螺桿雙級(jí)與帶經(jīng)濟(jì)器循環(huán)的性能對(duì)比在冷凝溫度40 ℃的工況下， “比澤爾”HSN8571-125(125 HP)半封閉螺桿單級(jí)壓縮機(jī)，為帶經(jīng)濟(jì)器的壓縮機(jī)，與“復(fù)盛”SDL330B(75HP)半封閉單機(jī)雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)相比，R404A效率比單機(jī)帶經(jīng)濟(jì)器壓縮機(jī)組提高49%；R22效率比單機(jī)帶經(jīng)濟(jì)器壓縮機(jī)組提高30.8%(制冷系數(shù)=制冷量/軸功率)。

5　冷凍調(diào)理食品生產(chǎn)線(xiàn)采用半封閉單機(jī)雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)設(shè)計(jì)方案

5.1工程概況以某艦艇食品供應(yīng)站冷凍調(diào)理食品生產(chǎn)線(xiàn)速凍裝置制冷方案的設(shè)計(jì)思路為例，該項(xiàng)目用冷要求為：蒸發(fā)溫度為-42 ℃、冷凝溫度為+35 ℃(蒸發(fā)冷)，需冷量為340 kW。

5.2設(shè)計(jì)方案根據(jù)生產(chǎn)工藝提供的用冷溫度要求以及低溫多機(jī)單級(jí)并聯(lián)方案特點(diǎn)，該制冷系統(tǒng)應(yīng)采用螺桿單機(jī)雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)裝置，制冷劑選擇R22。

5.3綜合分析螺桿單機(jī)雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)方案同帶經(jīng)濟(jì)器螺桿壓縮機(jī)制冷循環(huán)方案相比，運(yùn)行成本降低15%～20%，投資減少，制冷系數(shù)提高，減少附屬設(shè)備臺(tái)數(shù)及相應(yīng)的自控元件、閥門(mén)，有利于壓縮機(jī)的通用性，系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性及相對(duì)節(jié)能效果。

任何一種制冷方案都不可能盡善盡美。工程考慮中要因地制宜，既要考慮冷凍設(shè)備的初投資、運(yùn)行費(fèi)用等經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，也要考慮冷凍設(shè)備的噪聲、振動(dòng)、運(yùn)行、操作、維護(hù)管理等技術(shù)性能問(wèn)題，與工程整體及周?chē)h(huán)境相協(xié)調(diào)；既要考慮當(dāng)前投資效益，也要考慮長(zhǎng)遠(yuǎn)利益，合理的選擇制冷方案。

通過(guò)再三綜合考慮，用戶(hù)最終選擇方案一，并經(jīng)調(diào)試運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能效果明顯。

6　結(jié)論

隨著我國(guó)食品冷藏產(chǎn)業(yè)鏈快速發(fā)展以及節(jié)能減排意識(shí)的提高，單機(jī)雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)以其突出的節(jié)能優(yōu)勢(shì)將在我國(guó)食品冷藏產(chǎn)業(yè)鏈中扮演越來(lái)越重的角色，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

[1]Sherri DC，周水洪.易腐食品冷鏈百科全書(shū)[M].上海：東華大學(xué)出版社，2009：75.

[2]隋繼學(xué).食品冷藏與速凍技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：155.

[3]隋繼學(xué)，張一鳴，孫向陽(yáng).速凍食品生產(chǎn)技術(shù)[M].北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2012：14-19.

[4]吳寶志.螺桿式制冷壓縮機(jī)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1985：4-35，123-129.

[5]繆道平，吳業(yè)正.制冷壓縮機(jī)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1985：123-129.

[6]吳業(yè)正.制冷原理與設(shè)備[M].3版，西安：西安交通大學(xué)出版社，2014：28-32.

(本文編輯：林永麗)

Research on application of double-stage refrigeration screw compressor in the frozen food production line of the navy supply depot

LiDan,LiZhonghua,QiuShunhai

(NavalMedicalResearchInstitute,Shanghai200433,China)

ObjectiveTo ensure the freezing quality of prepared frozen foods through the access of research on the effects of such influential factors as the refrigeration compressor, the quick-freeze temperature, freezing rate, energy conservation etc.Methods The application and performance of single-stage screw compressor and the double-stage screw compressor were compared in order to choose the proper product type.ResultsThe double-stage screw compressor used in the R22 and R404A refrigeration systems had the obvious advantages of better refrigeration capacity, improved refrigeration efficiency and energy conservation, when evaporation temperature was below -30℃.ConclusionThe double-stage screw compressor had wide application in the naval refrigerated food supply chain for naval vessels.

Single refrigeration compressor; Screw compressor; Prepared frozen foods; Energy conservation

單位]200433上海，海軍醫(yī)學(xué)研究所

李中華，電子信箱：13030734@qq.com

R821.6

A

10.3969/j.issn.1009-0754.2016.04.030

2015-04-03)