蒸發(fā)器積霜對(duì)冷庫(kù)熱工狀況的影響

姜道珠，魯墨森，魯 榮，王 丹

（1.山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東淄博 255049；2.山東省果樹(shù)研究所，山東泰安271000；3.泰安市泰山區(qū)一新保鮮設(shè)備廠，山東泰安 271000）

蒸發(fā)器積霜對(duì)冷庫(kù)熱工狀況的影響

姜道珠1，魯墨森2，魯 榮3，王 丹2

（1.山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東淄博 255049；2.山東省果樹(shù)研究所，山東泰安271000；3.泰安市泰山區(qū)一新保鮮設(shè)備廠，山東泰安 271000）

為了探討冷庫(kù)蒸發(fā)器積霜對(duì)冷庫(kù)熱工狀況的影響，為冷庫(kù)及時(shí)化霜和無(wú)霜運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)，試驗(yàn)選用10 t 3 HP的雙溫雙控冷庫(kù)為研究對(duì)象，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)了蒸發(fā)器積霜前和積霜后兩段時(shí)間內(nèi)庫(kù)溫、霜溫、蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口溫差、冷庫(kù)耗電量，繪制了蒸發(fā)器外表面的三維溫度場(chǎng)。試驗(yàn)結(jié)果表明：蒸發(fā)器積霜前，庫(kù)溫周期變化較為穩(wěn)定；積霜后，冷庫(kù)運(yùn)行周期由3個(gè)階段變?yōu)轱L(fēng)機(jī)運(yùn)行和制冷2個(gè)階段且?guī)鞙刈畹蜏囟戎饾u升高，達(dá)不到設(shè)定下限，周期變化幅度減小，用時(shí)縮短。積霜后的霜溫周期最低值達(dá)到霜溫設(shè)定下限，冷庫(kù)不能在正常設(shè)定的范圍內(nèi)運(yùn)行，蒸發(fā)器的制冷效率明顯下降。蒸發(fā)器積霜使進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口溫差減小；冷庫(kù)運(yùn)行12 h的耗電量增加147.06%。積霜后蒸發(fā)器外表面三維溫度場(chǎng)顯著不同，各點(diǎn)溫度都有所下降，偏離設(shè)計(jì)的最低溫度。試驗(yàn)表明，冷庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中不積霜運(yùn)行是冷庫(kù)節(jié)能安全運(yùn)行的重要因素。

熱工狀況；冷庫(kù)；蒸發(fā)器；積霜

蒸發(fā)器積霜現(xiàn)象廣泛存在于制冷、低溫系統(tǒng)中。在冷庫(kù)內(nèi)，當(dāng)蒸發(fā)器表面溫度低于0℃時(shí)，庫(kù)內(nèi)空氣就會(huì)在蒸發(fā)器表面出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象。蒸發(fā)器表面積霜將會(huì)堵塞空氣通道致使空氣流動(dòng)阻力增大、降低傳熱效果，使冷庫(kù)制冷裝置的總體性能下降。在冷庫(kù)制冷過(guò)程消耗的能量中，由于霜層的存在而增加的能耗占相當(dāng)大的比例。目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在積霜對(duì)蒸發(fā)器性能的影響這一領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究［1－6］。但這些研究都是把蒸發(fā)器作為一個(gè)獨(dú)立設(shè)備，保持蒸發(fā)器進(jìn)出口介質(zhì)流動(dòng)穩(wěn)定或人為改變介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)來(lái)研究結(jié)霜對(duì)蒸發(fā)器性能的影響。而在冷庫(kù)的實(shí)際制冷運(yùn)行過(guò)程中，蒸發(fā)器只是其中的一個(gè)部件，蒸發(fā)器中介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)受到很多因素的影響，難以精確控制。因此，筆者把蒸發(fā)器連同冷庫(kù)的制冷、自動(dòng)控制等作為一個(gè)整體來(lái)考慮。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備和儀器儀表

試驗(yàn)冷庫(kù)是山東省果樹(shù)研究所設(shè)計(jì)建造的高效無(wú)霜節(jié)能自動(dòng)冷庫(kù)。庫(kù)內(nèi)有冷風(fēng)機(jī)和多元蒸發(fā)器，庫(kù)外配置多效冷凝壓縮制冷機(jī)組［7］、雙溫雙控裝置［8］，庫(kù)容量為10 t，配置3 HP制冷壓縮機(jī)，制冷劑為R22，冷庫(kù)的控制程序如圖1所示，庫(kù)內(nèi)的氣溫稱作庫(kù)溫，蒸發(fā)器表面溫度稱作霜溫。當(dāng)庫(kù)溫升高達(dá)到庫(kù)溫儀表上限時(shí)，控制電路中發(fā)生連鎖反應(yīng)，冷風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，冷風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)使蒸發(fā)器殘余冷量排入冷庫(kù)內(nèi)，蒸發(fā)器溫度逐漸升高，霜溫傳感器對(duì)蒸發(fā)器表面進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)其達(dá)到霜溫上限時(shí)，啟動(dòng)制冷機(jī)開(kāi)始制冷，當(dāng)庫(kù)溫下降至庫(kù)溫儀表下限，庫(kù)溫儀表控制電路斷電，冷風(fēng)機(jī)和制冷機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。若庫(kù)溫達(dá)到上限時(shí)，冷風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)霜溫未達(dá)上限，通過(guò)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)融去積霜。霜溫達(dá)到上限時(shí)，制冷壓縮機(jī)運(yùn)行制冷，冷庫(kù)開(kāi)始降溫。若庫(kù)溫未達(dá)下限，霜溫已達(dá)下限，說(shuō)明蒸發(fā)器結(jié)霜嚴(yán)重，此時(shí)冷風(fēng)機(jī)啟動(dòng)使蒸發(fā)器融霜，可有效防止蒸發(fā)器嚴(yán)重積霜。

圖1 冷庫(kù)控制程序Fig.1 Cold storage control program

LU－R/C 2100液晶顯示控制無(wú)紙記錄儀（微伏級(jí)電壓信號(hào)量程±1 m V，精度±2μV），由廈門(mén)安東電子有限公司生產(chǎn)，山東省果樹(shù)研究所改制，能夠進(jìn)行多通道數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)。熱鍍錫膜銅－康銅熱電偶，由山東省果樹(shù)研究所貯藏加工室制作，其測(cè)溫精度可達(dá)±0.1℃［9］。自記型熱電偶通風(fēng)干濕溫度表［10］，山東省果樹(shù)研究所貯藏加工室專(zhuān)利產(chǎn)品，用于測(cè)量和記錄庫(kù)內(nèi)干球和濕球溫度。BPS 3238數(shù)字壓力變送器測(cè)量范圍為4～20 m A，測(cè)量精度為0.25%（FS），由沈陽(yáng)半島電氣表業(yè)有限公司生產(chǎn)。HB－33000I智能三相綜合電參量監(jiān)測(cè)儀及互感器，測(cè)量精度為0.5%（FS）。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)冷庫(kù)庫(kù)溫設(shè)定在0～3℃，霜溫設(shè)定在－10～0℃，冷庫(kù)正常運(yùn)行1個(gè)周期分為3個(gè)階段：制冷壓縮機(jī)和冷風(fēng)機(jī)都處于停機(jī)狀態(tài)記為停機(jī)階段；制冷壓縮機(jī)停機(jī)、冷風(fēng)機(jī)運(yùn)行記為風(fēng)機(jī)運(yùn)行階段；制冷壓縮機(jī)和冷風(fēng)機(jī)都處于運(yùn)行狀態(tài)記為制冷階段。冷庫(kù)正常運(yùn)行一般不積霜，為了造成積霜情況，試驗(yàn)中，一定時(shí)間內(nèi)關(guān)閉雙溫雙控自動(dòng)化霜系統(tǒng)，使蒸發(fā)器結(jié)霜。選取結(jié)霜前5 h和結(jié)霜后26 h，在這31 h內(nèi)記錄庫(kù)溫與霜溫的變化過(guò)程。選取蒸發(fā)器結(jié)霜前12 h和結(jié)霜后的12 h，在2段時(shí)間內(nèi)分別記錄蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口的溫差和冷庫(kù)耗電量。蒸發(fā)器積霜最厚2 cm。

1.2.1 溫度測(cè)量

試驗(yàn)采用熱鍍錫膜銅－康銅熱電偶與LU－R/C 2100液晶顯示控制無(wú)紙記錄儀測(cè)量和記錄微伏級(jí)電壓信號(hào)，在計(jì)算機(jī)上根據(jù)熱電偶并聯(lián)和固定溫度法標(biāo)定出的二次回歸數(shù)學(xué)模型y＝0.030 4x2＋37.194x，其中y為熱電偶電勢(shì)值（m V），x為溫度值［11］，通過(guò)Excel的單變量求解轉(zhuǎn)換為溫度值。LU－R/C 2100液晶顯示控制無(wú)紙記錄儀采樣時(shí)間間隔為1 s。布置1組熱電偶于冷庫(kù)中央，冷庫(kù)頂部下垂1 m，將測(cè)量的冷庫(kù)內(nèi)溫度記為庫(kù)溫；用1組熱電偶布置在蒸發(fā)器中心位置，微型測(cè)頭緊貼翅片管管壁，用來(lái)測(cè)量蒸發(fā)器上的霜溫，記為霜溫；用2組熱電偶分別布置在蒸發(fā)器的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的中心位置，用來(lái)測(cè)定兩者溫度，然后用進(jìn)風(fēng)口溫度減去出風(fēng)口溫度，記為溫差；在蒸發(fā)器片管間選擇有代表性的18個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，將18組熱電偶布置其上，根據(jù)18組測(cè)量值，繪制蒸發(fā)器外表面的三維溫度場(chǎng)。

1.2.2 耗電量測(cè)量

采用HB－33000I智能三相綜合電參量監(jiān)測(cè)儀及互感器監(jiān)測(cè)冷庫(kù)用電量。采用RS 485傳輸標(biāo)準(zhǔn)與計(jì)算機(jī)通信，配置1臺(tái)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由MCGS全中文組態(tài)軟件支持，以實(shí)時(shí)記錄存儲(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 庫(kù)溫和霜溫變化分析

庫(kù)溫變化如圖2a）所示，積霜前庫(kù)溫在0～3℃呈周期性變化，周期變化基本穩(wěn)定。在A1—B1停機(jī)階段，庫(kù)溫由0℃上升至3.0℃；B1—C1的風(fēng)機(jī)運(yùn)行階段，庫(kù)溫由3.0℃下降至1.7℃；C1—D1的制冷階段，庫(kù)溫由1.7℃下降至0℃，周期用時(shí)26 min，且在0～5 h的時(shí)段內(nèi)，周期用時(shí)逐漸延長(zhǎng)。結(jié)霜后，不及時(shí)融霜造成了積霜，以致庫(kù)溫達(dá)不到設(shè)定下限0℃，冷庫(kù)不能正常按3個(gè)階段進(jìn)行，即不會(huì)出現(xiàn)停機(jī)階段。積霜后的B2—C2的風(fēng)機(jī)運(yùn)行階段是由于霜溫到達(dá)下限，制冷壓縮機(jī)停止制冷，冷風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)開(kāi)始融霜，庫(kù)溫由0.2℃上升至1.6℃；庫(kù)溫未達(dá)下限，但霜溫達(dá)到了上限，又出現(xiàn)C2—D2的制冷階段，庫(kù)溫由1.6℃下降至0.3℃，周期用時(shí)16 min。積霜后，融霜不徹底造成庫(kù)溫達(dá)不到下限，表現(xiàn)為庫(kù)溫最低溫度逐漸升高，31 h偏離下限1.5℃，且周期用時(shí)越來(lái)越短，表明了制冷壓縮機(jī)開(kāi)關(guān)機(jī)逐漸頻繁，制冷工況逐漸惡化。

霜溫變化如圖2b）所示，積霜前，在A1—B1的停機(jī)階段，霜溫先由－8.8℃快速上升至－3.0℃，然后又緩慢升溫至－2.0℃；B1—C1風(fēng)機(jī)運(yùn)行階段，霜溫由－2.0℃升高至0℃，這是由于風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，將蒸發(fā)器內(nèi)殘余冷量排入冷庫(kù)內(nèi)，致使蒸發(fā)器溫度有所上升；C1—D1制冷階段，霜溫由0℃快速下降至－8.8℃。0～5 h內(nèi)霜溫周期最低溫度由－8.2℃逐漸下降至－9.8℃。積霜后，霜溫維持在－10～0℃，周期最低溫度達(dá)到霜溫設(shè)定下限，冷庫(kù)以風(fēng)機(jī)運(yùn)行和制冷2個(gè)階段運(yùn)行，沒(méi)有停機(jī)階段。B2—C2風(fēng)機(jī)運(yùn)行階段，霜溫由－13.0℃上升至0℃；C2—D2制冷階段，霜溫由0℃又下降至－13.0℃。對(duì)比積霜前后的霜溫變化可知，積霜后的霜溫最低溫度比積霜前的最低溫度有所下降，達(dá)到霜溫設(shè)定下限，表明蒸發(fā)器的制冷效率逐漸下降。

2.2 蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口溫差分析

蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口溫差在一定程度上反映出蒸發(fā)器與庫(kù)內(nèi)氣體的換熱狀況。如圖3所示，積霜前蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口溫差記為溫差1，積霜后記為溫差2。溫差1呈周期性變化，A1—B1制冷階段，溫差1快速升高，最大值為3.5℃。A2—B2制冷階段，溫差2最大值為1.3℃。對(duì)比溫差1和溫差2可得，溫差1的周期最大值比溫差2的周期最大值高2.2℃，表明在制冷階段，蒸發(fā)器積霜后與庫(kù)內(nèi)空氣的換熱效果明顯減弱。

圖3 進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口溫差Fig.3 Temperature difference of air inlet and outlet

2.3 耗電量對(duì)比分析

冷庫(kù)運(yùn)行12 h，積霜前的耗電量（耗電量1）為4.08 kW·h，積霜后的耗電量（耗電量2）為10.08 kW·h，比耗電量1增加147.06%，主要是因?yàn)檎舭l(fā)器積霜后，制冷效率下降，冷庫(kù)的運(yùn)行周期時(shí)間縮短，冷庫(kù)啟動(dòng)較積霜前頻繁，導(dǎo)致耗電量明顯增加。由此可知，冷庫(kù)內(nèi)蒸發(fā)器積霜會(huì)大大增加冷庫(kù)的耗電量，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行化霜操作，減少耗能。

2.4 蒸發(fā)器溫度場(chǎng)分析

利用Matlab軟件繪圖得到蒸發(fā)器在制冷階段瞬態(tài)的外表面三維溫度場(chǎng)，如圖4所示。圖4a）為蒸發(fā)器積霜前的三維溫度場(chǎng)，平面1的溫度主要集中在－6～－2℃；平面2溫度為－11～－9℃且溫度分布較為均勻；平面3大部分區(qū)域溫度為－8～－4℃。蒸發(fā)器積霜后三維溫度場(chǎng)如圖4b）所示，平面1左下角部位溫度為－5～0℃，其余大部分區(qū)域面積溫度在－15～－10℃；平面2溫度為－15～－13℃；平面3溫度主要集中在－12～－10℃。對(duì)比積霜前后蒸發(fā)器外表面三維溫度場(chǎng)可得，積霜后，平面1溫度下降4～13℃，平面2溫度下降2～6℃，平面3溫度下降2～8℃。蒸發(fā)器表面溫度的下降將減弱制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)的熱交換，使制冷劑蒸發(fā)不完全，甚至?xí)霈F(xiàn)制冷壓縮機(jī)液擊現(xiàn)象。

圖4 制冷階段蒸發(fā)器外表面三維溫度場(chǎng)Fig.4 Three－dimensional temperature field of the outer surface of the evaporator in the cooling stage

3 結(jié) 語(yǔ)

1）蒸發(fā)器積霜前，庫(kù)溫周期變化較為穩(wěn)定；積霜后，冷庫(kù)運(yùn)行周期由3個(gè)階段變?yōu)轱L(fēng)機(jī)運(yùn)行和制冷2個(gè)階段且?guī)鞙刈畹蜏囟戎饾u升高，達(dá)不到設(shè)定下限，周期變化幅度減小，用時(shí)縮短，表明制冷壓縮機(jī)開(kāi)關(guān)機(jī)頻繁，制冷工況逐漸惡化。積霜后的霜溫周期最低值達(dá)不到霜溫設(shè)定下限，冷庫(kù)無(wú)法在正常設(shè)定溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，蒸發(fā)器的制冷效率明顯下降。

2）蒸發(fā)器積霜使進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口溫差減小，蒸發(fā)器與庫(kù)內(nèi)空氣的換熱效果明顯減弱；冷庫(kù)運(yùn)行12 h的耗電量增加147.06%，積霜后蒸發(fā)器外表面三維溫度場(chǎng)顯著不同，各點(diǎn)溫度都有所下降，偏離設(shè)計(jì)的最低溫度。

3）應(yīng)該根據(jù)結(jié)霜過(guò)程中庫(kù)溫和霜溫變化的特點(diǎn)，及時(shí)確定蒸發(fā)器結(jié)霜狀況，以便進(jìn)行化霜操作，保證冷庫(kù)安全高效運(yùn)行。

［1］TUDOR V，OHADI M，SALEHI M A，et al.Advances in control of frost on evaporator coils with an applied electric field［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2005，48（21/22）：4 428－4 434.

［2］孫忠宇，程有凱.冷庫(kù)現(xiàn)狀及冷庫(kù)節(jié)能途徑［J］.節(jié)能，2007（7）：53－54.

［3］尹慶珍，王國(guó)華.我國(guó)蔬菜低溫冷庫(kù)的發(fā)展現(xiàn)狀及展望［J］.河北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，12（8）：84－85.

［4］ALJUWAYHEL N F，REINDL D T，KLEIN S A，et al.Experimental investigation of the performance of industrial evaporator coils operating under frosting conditions［J］.International Journal of Refrigeration，2008，31（1）：98－106.

［5］杜建通，申 江，鄒同華，等.翅片管蒸發(fā)器換熱表面的結(jié)霜特性與對(duì)其結(jié)果設(shè)計(jì)的影響［J］.低溫與超導(dǎo)，2000，28（4）：58－60.

［6］張 楓，臧潤(rùn)清.制冷劑流量和風(fēng)量對(duì)再循環(huán)蒸發(fā)器傳熱性能影響［J］.天津商學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，27（3）：13－16.

［7］魯墨森，劉曉輝，魯 榮.多效冷凝制冷機(jī)組研制及其在中小型冷庫(kù)上的應(yīng)用［J］.落葉果樹(shù)，2009，41（6）：36－39.

［8］魯墨森，王淑貞，楊娟俠，等.一種冷庫(kù)雙溫雙控裝置［P］.中國(guó)專(zhuān)利：101050912，2007－10－10.

［9］劉曉輝，魯墨森，譚婷婷.銅－康銅測(cè)溫?zé)犭娕嫉闹谱骱蜆?biāo)定［J］.落葉果樹(shù)，2009，41（5）：34－37.

［10］魯墨森，王淑貞，劉曉輝，等.自動(dòng)記錄通風(fēng)干濕溫度裝置［P］.中國(guó)專(zhuān)利：101644607，2010－02－10.

［11］劉曉輝，魯墨森.銅－康銅熱電偶的熱鍍錫膜工藝和測(cè)溫特性分析［J］.計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2009，36（11）：3－5.

Effect of evaporator frost on thermal condition of cold storage

JIANG Dao－zhu1，LU Mo－sen2，LU Rong3，WANG Dan2
（1.Institute of Agricultural Engineering and Food Science，Shandong University of Technology，Zibo Shandong 255049，China；2.Shandong Institute of Pomology，Tai＇an Shandong 271000，China；3.Taishan District Yixin Preservation Equipment Factory of Tai＇an City，Tai＇an Shandong 271000，China）

In order to explore the influence of evaporator frost on the thermal conditions of cold storage，this paper provides the scientific basis for the cold storage in a timely manner of frost and frost－free operation.The ten tons and three HP and dual temperature controlled cold storage is studied，dynamically monitoring cold storage temperature，frost temperature，the temperature difference of evaporator air inlet and outlet and power consumption，and three－dimensional temperature field of the outer surface of the evaporator is drawn.The results show that before evaporator frosted，the cycle change of cold storage temperature is more stable.Cold storage operation cycle consisting of three phases turns into two stages of fan running and cooling，and the lowest cold storage temperature is gradually increased so that it can not reach the setted lower limit.The changing range of cycle is reduced and time is shortened.After evaporator frosted，frost temperature cycle minimum value reaches setted lower limits and cold storage could not operate within the scope，then the cooling efficiency of the evaporator is decreased.The temperature difference of the air inlet and outlet is reduced because evaporator frost and cold storage power consumption increased by 147.06%to run 12 hours.Three－dimensional temperature field in the outer surface of the evaporator is significantly different and every point temperature has dropped so that it deviates from the designed minimum temperature.The tests show that evaporator with no frost is an important factor to keep cold storage energy saving and operating safe.

thermal condition；cold storage；evaporator；frost

TQ051.5

A

1008－1534（2012）04－224－04

2012－04－05

馮 民

山東省科學(xué)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（2008CG10009038）；山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（2007YCX025）

姜道珠（1985－），男，江蘇徐州人，碩士研究生，主要從事制冷設(shè)備測(cè)控與分析方面的研究。

魯墨森研究員。E－mail：lumosen＠163.com