酸奶加工冷库制冷系统节能与安全设计

洪欢喜

开利空调冷冻研发管理（上海）有限公司（上海 200126）

作为一种发酵乳制品，酸奶以其丰富的营养价值及独特的风味受到越来越多消费者的青睐[1]。随着销量的日益增加，相应的酸奶制品加工储藏基地也随之快速发展。由于酸奶的加工工艺过程及成品储藏对温度有着严格的要求，制冷降温成为其中一项关键的配套系统，然而制冷系统的能耗及安全问题一直以来是运营方关注的焦点[2-4]。

鉴于此，通过与工艺及运营方的充分交流沟通，在某酸奶加工项目的冷库制冷系统中采取一系列节能与安全设计措施，旨在为类似工程项目提供一些有益参考。

1 概况与加工工艺

1.1 项目概况

项目集酸奶制品的加工、储藏、配送为一体，设计日产酸奶200 t。主要包含1#、2#两间0~4 ℃的冷藏库，总面积约4 000 m2，净高8.5 m，设计总库容量约3 000 t；一间0 ℃的工艺速冷间，面积约200 m2，净高5 m，设计进货量10 t/次。

1.2 酸奶加工工艺

酸奶的主要加工工艺流程如图1所示。其中，冷却1阶段是将热处理杀菌后的乳液温度降至40~45 ℃，为下一阶段的接种发酵提供适宜的温度范围。灌装完成后的冷却2是为了将发酵过程终止，抑制乳酸菌的生长，防止产酸过度影响酸奶的口感和风味[5-6]。

乳酸菌的最低生长温度为20~22 ℃，温度在5 ℃左右时由于乳酸菌生长活性被抑制，酸奶的酸度变化就十分微小，品质稳定。项目冷却工艺采用两步冷却，专门设计一间速冷间用于酸奶的快速冷却，在设计的入库量下能在1 h内将酸奶从43 ℃左右降至20℃，低于乳酸菌的最低生长温度。

冷却后的酸奶送入0~4 ℃的冷藏库进一步降温至5℃左右，经12~24 h后酸化过程后即可作为成品出库。

2 系统节能与安全设计

制冷系统采用氟利昂R507直接膨胀蒸发制冷，系统配置情况：1#、2#冷藏库各自选配一套独立的制冷系统，工艺速冷间单独选配一套制冷系统。制冷主机采用多机头活塞并联机组，库内蒸发器采用高效冷风机，冷凝器采用蒸发式冷凝器。

在严格配合酸奶加工工艺、实现既定的制冷功能要求的前提下，本着最大限度降低能耗、加强系统安全性与可靠性的理念，在制冷系统设计中特别采取一些有利于节能与安全的技术措施。

2.1 节能设计

在制冷设备配置上，制冷主机采用多机头并联活塞机组，通过PLC控制系统实时根据冷库内负荷的变化情况，自动调节压缩机的加减载运行，实现制冷机组的多级能量调节，负荷匹配性更强。

1#、2#冷藏库制冷机组配置8台压缩机并联，在设计工况下机组最大制冷量达694.4 kW，可实现9级能量调节，而工艺速冷间制冷机组配置6台压缩机并联，在设计工况下机组最大制冷量达520.8 kW，可实现7级能量调节。同时由于多机头并联机组压缩机单机功率较小，压缩机的单机功率仅为29.2 kW，在冬春季节及冷库保冷期等低负荷时段，可有效地降低制冷主机运行能耗。

冷库内换热器采用高效冷风机，采用较小的蒸发温差，适当提高蒸发温度，相同工况下能够减少制冷机组的功率消耗。一般而言，蒸发温度每升高1 ℃，可使系统冷量增加约2.4%[7]。就项目设计采用的开利压缩机06EM399而言，冷凝温度36 ℃、吸气过热度10 K时，其在不同蒸发温度下的制冷量及COP值的变化分别如图2和图3所示。

图2 不同蒸发温度下的制冷量

图3 不同蒸发温度下的COP值

从图2和图3对比可见，当蒸发温度在-10~-6 ℃之间取值时，蒸发温度每提高1 ℃对应的压缩机制冷量提高3.4%，COP值可提高2.42%。

然而，如果蒸发温差取值过小，则相应的需要增大冷风机换热面积，或加大风扇功率以增大空气循环量。由于项目货物为带包装的酸奶制品，对干耗影响不敏感，故综合考虑冷风机设计选取8 K的蒸发温差。

由于工艺速冷间进货温度约43 ℃，且要求降温时间较短，故其结霜情况会比较严重，进而会影响制冷系统运行效率。故在工艺速冷间冷风机的换热盘管设计上采用12 mm变为6 mm的变片距方案，加大片翅片间距降低霜层对气流的影响，从而减少融霜次数，提高制冷运行效率。

制冷系统的冷凝方式主要有风冷、水冷、蒸发冷3种。由于风冷冷凝器的冷凝温度较高，通常大型冷库的制冷系统多采用蒸发式冷凝器与水冷冷凝器。而与水冷式冷凝器相比，蒸发式冷凝器的冷凝温度更低，可比水冷式冷凝器低3~5 ℃，能有效降低制冷机组的功耗。所选用的开利压缩机06EM399在蒸发温度-8 ℃、吸气过热度10 K时，其在不同冷凝温度下的COP值如图4所示。

图4 不同冷凝温度下的COP值

由图4可知，相对于采用水冷冷凝器时的冷凝温度40 ℃及风冷冷凝器时的冷凝温度45 ℃的设计工况，采用蒸发式冷凝器的设计冷凝温度36 ℃，其COP值分别提升14.6%和36.3%。

由于蒸发式冷凝器的水泵压头低、流量小，相应的水泵功耗小。此外蒸发式冷凝器冷耗水量一般为水冷冷凝器的5%~10%，节水效果也很明显。且蒸发式冷凝器紧凑的结构，较小的占地面积，也能够为安装施工节省时间和成本。鉴于蒸发式冷凝器所具有的节能和施工上的优势[8-9]，冷凝器设计选择使用蒸发式冷凝器。

同时为使系统在低负荷工况时及春冬过渡季节冷凝压力运行平稳而避免不出现冷凝风扇电机的频繁启停而产生较大的能耗，通过变频设计对冷凝风扇电机的启动与运行进行控制。

在对制冷剂供液膨胀阀选配时，采用电子膨胀阀代替常规使用的热力膨胀阀，过热度控制更准确，供液量调节更精准、灵敏，对整个制冷系统运行能效有明显提升。

冷风机的融霜方式设计采用热氟融霜而非通常使用的电热融霜。故在冷风机的运行过程中，仅有冷风机风扇电机需要消耗电能，而省去电功率很大的融霜加热管耗电，节能效果显著。有研究表明，在制冷系统运行中冷风机采用热氟融霜比电热融霜节省90%左右的运行能耗[10-11]。采用PLC全自动智能控制，冷风机单台循环融霜，保证融霜系统运行安全可靠。

2.2 安全设计

冷库制冷系统的安全性一直是运营重点关注的内容，尤其是作为生产型冷库，一旦出现制冷系统因安全问题停机，则将直接导致生产停止，影响生产计划，造成严重的经济损失。停机时间较长会导致冷藏库温度回升，超过酸奶成品的冷藏温度，就会造成酸奶品质降低，影响销售乃至导致货损，因此制冷系统安全性显得格外重要。

直接的安全性是指制冷系统本身运行的安全性及可靠性，其次是指由于制冷系统的不安全而引发的如酸奶品质、人身安全及维修不便等间接影响。

从制冷机组的设计上，采用多压缩机并联设计，就机组本身的安全性而言，可实现多台压缩机的互为备用。即使某一台压缩机故障停机，冷藏库制冷系统及工艺速冷间制冷系统仍分别有87.5%及83.3%的制冷量可用，不至于对生产使用产生大的影响。

1#、2#酸奶成品冷藏库分别设计2套独立的制冷系统，在这2套制冷系统之间通过加装相应的旁通管路、制冷阀门，相互桥接实现2套制冷系统之间互相切换，使其制冷机组、蒸发式冷凝器互为备用，为冷藏库的安全运行增加了保证。冷藏库制冷系统桥接示意图如图5所示。

图5 制冷系统桥接示意图

工艺速冷间由于进货温度高，要求降温速度快，其所需制冷量也大。而大冷量冷风机的风量大、风速高，如果按常规冷库吊装布置，很容易导致送风回弹，乃至气流短路，从而产生问题：（1）冷气流回弹导致感温探头接受错误信号，使制冷设备频繁启停，增加制冷设备的运行安全风险；（2）冷气流不能有效通过酸奶杯壁面进行降温循环，不能在规定的时间内降到要求的温度，影响酸奶品质，从而产生食品安全风险。

考虑到上述工艺速冷间不安全因素的存在，在该库的设计中，采取相应的气流组织优化措施。在冷风机对面立板与顶板的夹角处安装一道直径1 m的弧形导流板，对气流进行弧形过渡引导。同时在冷风机底部做一个挡风隔板，使上部形成夹层送风通道，通过挡风隔板末端出风口处的挡风软帘调节遮挡，在冷风机的运行时使酸奶前后形成一定的压力差，气流变成单向循环，能够完全通过酸奶杯带走热量后被冷风机吸入到回风侧。其结构示意图如图6所示。此设计措施通过气流组织的优化，能够使得酸奶快速降温，达到设计要求，避免制冷设备运行风险及酸奶品质安全风险。

图6 气流组织设计示意图

酸奶成品冷藏库内，高净达8.5 m，加上库内货架的布置占据库内空间，后期运营时对库内的冷风机进行检修维护将非常不便。为了能让检修人员快速到达出现问题的冷风机位置，且便于操作，在该库的设计中专门在冷风机前侧下部用钢构做了一条宽0.8 m的检修通道，如图7所示。

图7 冷风机安全检修通道示意图

检修维护人员可通过爬梯登上检修通道，快速安全地到达指定冷风机处，排查解决在制冷系统运行中冷风机所出现的故障，消除安全隐患，保证系统安全稳定运行，进而保证冷藏库内酸奶品质的安全。

在制冷系统中要时刻警惕制冷剂泄露所产生的安全风险，对此在冷风机处、机房制冷机组等处易产生泄露风险且危害较大的地方设计安装了制冷剂防泄漏报警装置。一旦某处有制冷剂泄露达到预设报警值，则相应的报警装置发出声光警报，通知设备管理人员进行排查处理，避免因制冷剂泄漏而不被发觉所导致的一系列后续安全问题。

此外，在储液器、蒸发冷进气管等高压容器及管路处设计安装双安全阀，通过泄压管接至室外安全处排放，最大程度地保持压力容器及压力管道的安全性。

3 结论

在充分理解酸奶冷库加工工艺及要求的基础上，综合考虑该系统的使用特点，对制冷系统采用一系列节能与安全上的设计措施。

选配高效的制冷设备，如并联压缩机组、高效换热冷风机、蒸发式冷凝器。此外还采用电子膨胀阀、冷风机小温差制冷、冷风机盘管热氟融霜、速冷间冷风机变翅片间距、蒸发冷风扇电机变频控制等多种制冷系统节能的设计方式，综合运行能效提升12.8%。

在制冷系统安全方面，综合运用制冷机组的多台压缩机并联设计、两间成品冷藏库制冷系统桥接备用、工艺速冷间送风气流组织优化设计、冷风机检修通道设计、制冷剂防泄漏报警装置及压力容器与压力管道安装双安全阀等多种安全设计措施，既保证制冷设备及系统的安全性，又提升制冷系统的维护效率，降低维护人员的工作量，同时又保证酸奶的品质安全性，可使年均维护费用降低约38%。