制冷系统

出处：按学科分类—农业科学 中国轻工业出版社《果蔬保鲜手册》第139页（5017字）

1．制冷系统的工作原理

机械冷藏库是通过制冷压缩机做功，利用具有低沸点、高汽化潜热的制冷剂的液－气相变化产生的放热－吸热循环过程来吸收贮藏库的热量，同时利用贮藏库良好的隔热性以保持库内低温，从而达到果蔬冷藏的目的。以制冷剂汽化而吸热为工作原理的制冷机以压缩式制冷机为多，压缩式制冷机主要由四部分组成：压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀(节流阀)。整个制冷系统由循环管路构成一个密闭的回路，其内充有制冷剂(图3－6)。

图3－6 制冷机工作原理示意图(直接蒸发系统)

1－回路压力表 2－开始压力表 3－冷凝水入口 4－冷凝水出口 5－冷凝器 6－贮液(制冷剂)器 7－压缩机 8－调节阀(膨胀阀) 9－蒸发(制冷)器

压缩机通过活塞运动吸进自蒸发器来的汽化制冷剂，并将之压缩成高压、高温状态，送入冷凝器中。冷凝器通过冷却剂——水或空气将来自压缩机的高温、高压制冷剂蒸气变成低温液体。高压低温的液态制冷剂通过膨胀阀进入蒸发器中，压力骤减而蒸发，吸收周围环境的热量。开动着的压缩机，一方面不断吸收蒸发器内生成的制冷剂蒸气，使蒸发器内成为低压状态；另一方面将吸收的制冷剂压缩成为高压、高温状态，如此循环，以蒸发器不断吸热而制冷。

2．制冷压缩机组

压缩机是制冷装置中的重要部件，其主要功能是输送和压缩制冷剂，由电动机驱动进行工作。压缩机工作好坏直接影响到系统制冷循环完成的程度。压缩式制冷装置常用的压缩机有活塞式、螺杆式、离心(透平)式及各种回转式等。目前活塞式制冷压缩机应用最为广泛。活塞式制冷压缩机主要有机体、活塞、曲轴、连杆、吸排气阀、汽缸、汽缸盖等组成，其基本结构形式如图3－7。

图3－7 活塞式制冷压缩机的基本结构形式

1－吸气腔 2－排气腔 3－吸气阀片 4－排气阀片 5－活塞 6－连杆 7－曲轴 8－机体

按压缩机气密结构特性，可把制冷机组分为开启式机组、半封闭式机组、全封闭式机组。

(1)开启式机组。压缩机曲轴伸出曲轴箱外，通过联轴器或皮带轮和电动机相连的制冷机组称为开启式压缩机组。开启式机组的优点是价格低，结构简单直观，便于维修，国内生产厂家多，货源充足；但压缩机曲轴以橡胶圈为密封材料，易磨损，造成油和制冷剂泄露，动力损失5%～10%，耗电量高，密封性能较差，故障率高。

(2)半封闭式机组。压缩机曲轴的直端与电动机的转轴直接相连，取消了传动机构和轴封，把压缩机与电机共同密封在一个壳体内，壳体两端用螺栓、螺帽连接，检修时可以分拆。这种机组的密封性能好，价格适中，国内产品来源方便，缺点是电机漆包线耐氟能力差，易烧电机。

(3)全封闭式制冷机组。全封闭式制冷机组与半封闭结构相似，但压缩机与电动机共同密封在一个钢制壳体内，并以焊接封固，外部仅有吸排气接管和电机接线柱，其结构较半封闭式更为紧凑，在运转过程中，电机完全处于低温制冷剂中，电机效率较高，节电5%～10%，而且密封性好、噪声低、体积小、重量轻、故障率低。其缺点是压缩机主要依靠进口，价格偏高；另外，一旦内部出现故障，检修困难。

中、小型活塞式制冷压缩机型号一般由5组符号表示，其每组符号的意义如下：

例如，型号为3FW5B的活塞式制冷压缩机的气缸数为3，制冷剂为氟利昂，汽缸排列为W型，汽缸直径为50mm，压缩机为半封闭式。

对半封闭式制冷压缩机，最后一个字母“B”表示“半封闭”，这与前面讲的B表示皮带传动不同，要注意区别。

对全封闭式制冷压缩机，第五部分用一个字母“Q”表示“全封闭”式，其余与上面讲的基本相同。

3．制冷剂

制冷剂亦叫制冷工质或冷冻剂，是在制冷系统中循环且不断产生相态变化而传递热量的物质。制冷剂应具备的基本特征是：沸点低，大多数制冷剂沸点在－15℃以下；具备良好的吸热性能，蒸发潜热大，蒸气比体积较小，单位体积制冷量大；在高压冷凝系统内压力低，不与润滑剂起化学反应，黏度较小；无害、无腐蚀、不燃烧、不爆炸，且价格便宜。常用制冷剂的物理性状见表3－2。

表3－2 常用制冷剂的物理性状

注：1atm=1．013×10⁵Pa

果蔬贮藏用的大中型机械冷藏库一般采用氨作为制冷剂，小型的活动冷库常采用氟利昂作为制冷剂。

(1)氨(NH₃)。氨是很早就成功地利用的制冷剂，主要是用于中等和大生产能力的压缩式制冷机，对氨的要求几乎绝对不含水分(不超过0．2%)，质地纯净。氨的潜热比其他制冷剂高得多，在0℃时它的蒸发热是1260kJ／h。比一氯甲烷的402kJ／h，二氯二氟甲烷(F－12)的155kJ／h都高若干倍，这是它的最大优点。但它的比体积较大，10℃时为0．2897m³／kg，而一氯甲烷为0．1648m³／kg，二氯二氟甲烷为0．057m³／kg。所以，用氨的设备较大，占地较多。

氨的最大缺点是有毒，按体积计，若空气中含有0．5%时，人在其中停留0．5h就会引起严重损害，甚至有生命危险。若空气中含量超过16%时，会发生爆炸性燃烧。氨对钢及其合金有腐蚀作用。

(2)卤化甲烷族。是指氟氯与甲烷的化合物，商品名通称为氟利昂，氟利昂按其化学组成可分为含氯的氟化碳(CFC)、含氢和含氯的氟化碳(HCFC)、含氢无氯的氟代化碳(HFC)三类。其中以二氯二氟甲烷(CF₂Cl₂，简称为R₁₂)应用最广。

所有的卤化甲烷制冷剂都是无臭无毒(或毒性小)，化学性能稳定，不会引起燃烧和爆炸，对金属不腐蚀。氟利昂这一类制冷剂的广泛应用促进了制冷技术的发展。其主要缺点是单位体积制冷能力较小，能透过接合不严密小缝及金属的细孔，二氯二氟甲烷接触皮肤会引起溃烂，其价格较贵。

20世纪70年代，人们发现氟利昂排入大气后会破坏大气层的臭氧层(其中CFC对臭氧层的破坏能力最强，HCFC次之，HFC因不含氯无破坏作用)，从而影响人类健康，破坏地球生态平衡。近20年来，这一问题引起各方面人士及各级政府的普遍关注。自1987年以来，经过多次国际会议的讨论，议定对CFC物质(包括R₁₁、R₁₂、R₁₃、R₁₁₃、R₁₁₄、R₁₁₅等15种及R₁₀等5种)，发达国家到2000年完全停止使用，发展中国家至2010年停止使用；对34种HCFC物质(包括R₂₂、R₁₄₂、R₁₂₃等14种)从2020年起开始控制。我国政府向国际社会郑重承诺，到2005年将停止使用CFC。目前各国都在开展对CFC的代用问题的研究，寻求和应用新型的无害制冷剂，其中R₁₃₄a(CHF₂CHF₂)被认为是CFC的无害替代品，1991年起国际市场上已有现货供应。

4．库内冷却方式

机械冷藏库的降温是靠蒸发器中制冷剂气化来完成的，蒸发器在冷库中的安装方法对冷库性能的影响很大，根据蒸发器在冷库中的安装方法把冷却方式分为三种：

(1)直接冷却。把蒸发器直接装置于冷库中，制冷剂气化时可直接吸收库内的热量，将库内空气冷却。蒸发器用盘形管组成，装成壁管组或天棚管组均可。直接蒸发系统冷却迅速，库温低，例如以氨直接蒸发可将库温降低到－23℃。该系统宜采用氨、氟利昂为制冷剂，一氯甲烷也有使用。直接冷却系统的主要缺点是：整机系统的热缓冲量低，贮藏库内的温度变化也就比较大；因蒸发盘管与室内空气直接接触，温差大，蒸发器不断地结霜，要经常除霜，不然将会影响蒸发器的冷却效果；因此制冷系统的效率下降，库内湿度也下降，库内温度不均匀，接近蒸发器处温度较低，远处则较高。此外，如果制冷剂在蒸发管或阀门处泄漏，会在库内累积而直接危害果实。

(2)间接冷却。制冷系统的蒸发器不直接安装在贮藏库内，而用来冷却中间介质(如盐水、氯化钙等)，再将冷却介质引入安装在库内的冷却管组，不断循环而降低库内温度(图3－8)。

图3－8 盐水冷却系统

1－蒸发器 2－压缩机 3－冷凝液化器 4－调节阀 5－盐水池 6－盐水泵 7－冷却管组

间接冷却系统也可以达到很低的温度，如果用普通食盐20%的溶液，可降温至－16．5℃；若用氯化钙20%溶液则可降温至－23℃。这种方式的冷却速度比较慢，但因冷却系统的热缓冲量很大，可使库温波动大为降低。甚至在短时期停电的情况下，库温亦不至于上升过高。此系统可避免有毒及有臭味的制冷剂在库内泄漏而损害果实和入库人员。但由于有中间介质的存在，必须要求制冷剂在较低温度下蒸发，从而加重压缩机的负荷，并增添了中间介质泵的电力消耗。另外，食盐和氯化钙溶液对金属都有腐蚀作用。

近年来，出现了一种新的间接冷却方式，利用这种冷却方式的冷库，库房结构由双层墙壁和天花板构成，冷却蒸发系统和冷空气的对流在夹层墙壁和天花板内进行。这样，冷库内墙壁和天花板的表面可均匀冷却，库内热交换面积扩大、温度分布均匀，同时库内能维持较高的相对湿度。另外，夹层空气的流通不与库内环境联系，避免了冷凝蒸发管的除霜麻烦。但这种冷藏库造价高，目前使用尚不普遍。

(3)鼓风冷却。为保证库内各部分的温度均匀，大型机械冷藏库内的蒸发器上多有强制空气循环装置，即用鼓风机将蒸发器冷却的空气通过装设在贮藏室顶部的通风道送到贮藏库的各部位，冷空气在自然降温过程中吸收热量，再经库下方回到蒸发器重新冷却，如此循环降低库温(图3－9)。

图3－9 鼓风冷却系统

鼓风冷却系统在库内造成空气对流循环，冷却迅速，库内温、湿度较为均匀一致。但如不注意空气湿度的调节，会加快果蔬失水。

果蔬的贮藏适宜温度，低者如苹果和梨，在0℃上下；高者如香蕉，在12～13℃。冬季在寒冷地区，想使冷库保持在所需要的温度，往往需要加热。采用鼓风冷却系统的冷库，在空气冷却器(室)加装电热设备即可满足此要求，而其他两个系统则需要另加一套加热装置。

5．空气洗涤装置

在果蔬冷藏库中，常有由于产品呼吸所释放的各种有害气体的积累，如CO₂、乙烯等；若累积量过大，对果蔬贮藏及工作人员的健康均有不利影响。因此，在专用的大型果蔬机械冷藏库中往往装置气体洗涤器，内置洗涤剂；用机械强制库内空气通过洗涤剂而使空气净化。常用于脱除CO₂的洗涤剂有NaOH、Ca(OH)₂、活性炭、氨基乙醇等。