摘要:介紹了利用lng汽化潛熱作為制冷工藝的一種小型冷庫設計方案,制冷工藝流程簡單,投資少,勞動強度小,維護成本低,罐車防波板梯級利用lng的汽化產生的冷量,對環境沒有污染,發展前景廣闊,能夠帶來較大的經濟效益和社會效益。

1 前言

隨著經濟的發展和人們生活水平的不斷提高,人們對于水產品、肉類、水果、蔬菜、禽蛋等食品的需求越來越旺盛,但它們的生產有較強的地區性和季節性,為了調節淡旺季節,保障供給,就需要對食品進行冷加工、冷藏及冷藏運輸,這樣對冷庫、冷藏車船的需求也在不斷地增長。冷庫設計的核心是制冷系統的設計,目前的冷庫制冷方式普遍采用液體汽化壓縮制冷方式。但其工藝復雜,耗費電能較多,投資成本高[1-2]。

為響應國家節能降耗、回收可利用能源的要求,本文提出了回收lng汽化冷量來提供冷庫冷源的設計思路。lng常壓下的沸點溫度為-162e,它在燃料燃燒前汽化時吸收的汽化潛熱所產生的冷量,足以維持一個小型冷庫需要的冷量,通過載冷劑將lng相變物質溶解釋放的冷量傳遞給冷庫。

2 制冷工藝及制冷負荷計算

2. 1 制冷工藝

利用外界能量使熱量從溫度較低的物質(或環境)轉移到溫度較高的物質(或環境)的系統叫制冷系統。制冷系統通常可分為蒸汽制冷系統、空氣制冷系統和熱電制冷系統。

〔1〕蒸汽壓縮制冷系統主要由壓縮系統、冷凝器、膨脹閥、蒸發器四部分組成,制冷劑在系統中經過壓縮、冷凝、節流、蒸發吸收潛熱冷卻物體。其工藝成熟,廣泛應用食品加工業,但其工藝復雜,耗費大量電能,投資成本高。

〔2〕空氣制冷系統是通過壓縮空氣在膨脹機中絕熱膨脹獲得低溫氣流而實現制冷。空氣是天然工質,無毒無害,對環境沒有破壞作用,制冷溫度范圍寬,但其制冷效率低,噪聲高,部件還需優化,運行參數還需優化匹配。

〔3〕熱電制冷是利用熱電效應(即帕爾帖效應)的一種制冷方法。其結構簡單,啟動快,操作靈活。主要缺點是效率低,耗電多,主要用于電子器件儀表的冷卻器。

以上是現在國內普遍采用的制冷方法,本文中冷庫制冷系統采用lng汽化產生冷量直接制冷的方案,在國內尚屬首創,該工藝簡單,冷量大,其制冷的工藝流程如圖1(該流程采用乙二醇、丙二醇和丙三醇的水溶液做載冷劑)。

工藝流程描述:來自儲罐的-162e的lng經過與20e的載冷劑換熱以后氣化為2@104nm318e的天然氣,可供給大約6萬城鎮居民一天的用氣;載冷劑經過lng換熱器后溫度降為-35e左右,然后經過一級超低溫蒸發器,溫度變為-20e,此過程提供的冷量可用于禽類、肉類或者魚蝦的速凍,經一級換熱以后,進入二級換熱器,載冷劑溫度升為-2e,此過程提供的冷量可用做冷庫低溫冷藏間的冷量需要(主要用于肉類、水產品的冷藏),二級換熱后,進入三級換熱器,載冷劑的溫度升為20e,然后循環回lng汽化換熱器,三級換熱產生的冷量可用于冷水養殖或者空調系統的冷水供給。

2. 2 制冷負荷計算

2. 2. 1 冷量利用方案確定

通過hysys軟件模擬知:該流程可提供155kw的冷量,其中經過一級換熱(溫度-35e-20e)可提供42kw的冷量,二級換熱(溫度-20e-2e)產生50. 5kw的冷量,三級換熱后(溫度-2e20e)產生62. 5kw的冷量。

該制冷工藝得到的制冷溫度較低,經過經濟分析對比后,推薦利用一級二級換熱產生的冷量建設以魚蝦、貝類冷凍加工、冷藏性質的冷庫;經過兩級換熱后,載冷劑的冷量不再適合低溫冷庫冷量的供給,可與25e水換熱產生冷水,用于空調系統的冷水供給或用于十分具有發展前景的冷水養殖業用水。經計算:三級換熱的冷量一天可產生70t7e或者120t15e的冷水。

2. 2. 2 生產能力計算

〔1〕速凍間:

根據文獻資料顯示:在庫房溫度-25e時,水產品的單位冷負荷為: 7 kw /,t冷加工時間為16h,水產品由入庫時的20e降到-15e;由模擬的流程知一級換熱后產生的冷量負荷為42 kw.

按15%的冷量損失考慮,計算得:可生產冷凍魚蝦3. 4t/d。

〔2〕冷藏間、制冰間:

查5冷庫設計6一書知:鹽水制冰的單位負荷約為7kw /;t 250t以下冷庫凍結物冷藏間單位冷負荷為0. 082 kw /,t冷藏間按3天產量的貯藏能力考慮;二級換熱產生的冷量用于凍結物冷藏和制冰。按15%的冷量損失考慮,計算得:冷藏間需要冷負荷為: 0. 28 kw,可制冰6. 0 t/d。

2. 3 載冷劑

2. 3. 1 載冷劑的性質

本文中制冷系統產生-35e~20e的循環液體,因此用作載冷劑的物質應在所需要的載冷溫度下保持液態,在載冷系統中循環時,不結冰、不揮發;對設備無腐蝕,對人體無害;載冷能力強;輸送功率少。因此載冷劑應具備如下的性質:

〔1〕無毒、無可燃性、無刺激性氣味。化學穩定性好,在大氣壓力下不分解,不氧化,不改變其物理化學性質。

〔2〕在使用溫度范圍內呈液態。

〔3〕相對密度小,黏度小、傳熱性好、比熱容大。

這樣可以使載冷系統中流動阻力損失小,循環量少、可以減少換熱器尺寸。

2. 3. 2 載冷劑的選擇

〔1〕水水是最適宜的載冷劑,它主要用于集中式空氣調節系統,還可以直接噴入空氣中,實現溫度和濕度調節,但水的冰點是0e,所以只適用于載冷溫度在0e以上的場合使用。

〔2〕甲醇甲醇的冰點為-97e,它可以達到較低的載冷溫度,流動性較好,甲醇和乙醇都有揮發性和可燃性,使用過程中應注意防火,甲醇揮發氣有弱毒性,不宜做冷凍食品用載冷劑。

〔3〕純有機體純有機液體如二氯甲烷、三氯乙烯和其他氟里昂液體。它的凝固點很低。特點是相對密度大、黏度小、比熱容小。可以用來得到更低的載冷溫度,但是其對環境有污染。

〔4〕乙二醇、丙二醇和丙三醇的水溶液丙三醇是極穩定的化合物,其水溶液對金屬無腐蝕。無毒,可以和食品直接接觸,是良好的載冷劑。乙二醇和丙二醇水溶液的特性相似,它們結晶溫度可達-60e左右。

通過以上幾種常用載冷劑的對比篩選和大量的資料調研:推薦采用乙二醇、丙二醇和丙三醇的水溶液作為載冷劑。

3 冷庫組成及工藝流程

3. 1 冷庫組成

該冷庫屬于魚、蝦、貝類冷凍加工的生產性冷庫,推薦建在靠近漁港、碼頭、海灣等水運和公路運輸較方便的地域。該冷庫主要由庫房、生產工藝用房、動力用房及行政用房組成。

〔1〕庫房是冷庫的核心部分,庫房是冷庫建筑群中的主要建筑,包括冷加工間、冷藏間和直接為它服務的建筑。

〔2〕生產工藝用房主要包括水產品清洗、分類、裝盤、過磅的房間、整理間和水塔、倉庫、污水處理等。

〔3〕動力用房包括用于安裝制冷設備的房間,是冷庫的動力車間,它還包括設備間和變、配電間。

〔4〕行政用房主要包括辦公室、宿舍、廁所等。

〔5〕其他建筑包括圍墻、出入口、綠化設施和危險品倉庫,其中危險品倉庫指貯載冷劑等易燃易爆物品的庫房。

3. 2 冷庫加工工藝流程

該冷庫的功能就是在低溫環境中貯藏水產品,為了能夠在低溫環境下貯藏物品,必須在貯藏前進行冷卻、凍結加工,還要在出庫前進行檢驗、過磅,出庫前過磅等一系列流程,該冷庫生產的工藝流程見圖2。

該流程比較簡單,水產品在理魚間清洗、分級、裝盤、過磅后直接入凍結間凍結,再經脫盤、包裝(也有不包裝的)即運入凍結物冷藏間貯藏,最后過磅、出庫。脫盤后有一回盤工序返回理魚間。

4 經濟評價

城鎮居民一天用氣消耗34m3lng來核算,如果采用加熱爐加熱汽化至18e,經計算每天大概燃燒400nm3天然氣,按1nm3天然氣的價格為2元計算,每年加熱lng的所需燃氣費用在29萬元左右,并且lng本身的冷量白白浪費;如果利用lng汽化產生的冷量建成小型冷庫,經計算知:每天可冷凍魚蝦3. 4,t按每加工1kg魚蝦的利潤為3元(一年生產周期按300天算)計算,每年的稅前利潤為306萬元,預計在1. 5年內即可收回投資。可見:該方案有效利用lng汽化冷量,耗電少,經濟效益十分明顯。

5 結論

〔1〕冷庫是具有保留食品的原始成分,維持良好的食品質量的優點,尤其許多深海魚類需深度冷凍保鮮。利用lng本身的低溫性及時為它們的加工提供條件,開發水產品的冷凍加工、冷水養殖是很有發展前途的工作。

〔2〕該冷庫制冷工藝流程簡單,投資少,勞動強度小,維護成本低,梯級利用lng的氣化產生的冷量,對環境沒有污染,發展前景廣闊,能夠帶來較大的經濟效益和社會效益。