船舶低溫冷庫融霜對比試驗研究

闞安康，安 驥，婁宗瑞

（上海海事大學(xué)，上海 201306）

0 引 言

水產(chǎn)品、肉類保鮮需采用溫度在-18℃以下的低溫庫。當(dāng)蒸發(fā)器翹片溫度低于空氣露點溫度時，就會結(jié)露，低于0℃時，翹片表面就會結(jié)霜[1]。由于空氣中的水蒸氣在傳遞壓力的作用下不斷向冷表面移動并凝結(jié)，冷表面的霜層也就不斷地增長。霜的導(dǎo)熱系數(shù)為0.116～0.139W/(m·℃)，其熱阻比盤管材料的熱阻大兩個數(shù)量級。表1給出了-18℃庫房內(nèi)蒸發(fā)器盤管結(jié)霜厚度對制冷系統(tǒng)COP（能效比）的影響[2]。霜的厚度過大將導(dǎo)致傳熱熱阻增加，降低傳熱效果。如不及時清除，積霜將使壓縮機的吸氣溫度降低，排氣溫度上升，導(dǎo)致冷風(fēng)機的傳熱惡化和空氣流動阻力增大，從而造成運行和操作困難[3～5]。結(jié)霜嚴(yán)重時將破壞冷風(fēng)機和庫內(nèi)空氣的正常循環(huán)，導(dǎo)致風(fēng)機無風(fēng)送出，遲緩或中斷降溫過程，冷凍貨物在該情況下會因溫升變質(zhì)[6]。

表1 制冷負(fù)荷不變，蒸發(fā)溫度和制冷系數(shù)隨霜層厚度變化情況

由此可知，低溫冷庫制冷系統(tǒng)要保持高效、穩(wěn)定運行，實施及時且適當(dāng)?shù)娜谒胧┦潜夭豢缮俚摹２捎玫某绞街饕校喝斯こ?、水沖融霜、熱氣融霜、電熱融霜、空氣自然回溫除霜等方法[7,8]。目前船舶冷庫以熱氣融霜和電熱融霜為主。筆者在船舶冷庫實驗室，就相同實驗工況下對熱氣融霜和電熱融霜2種方式進行了試驗比較研究，探討了融霜耗時，耗能及融霜過程對低溫庫溫度場波動影響[9]。

1 實驗測試

1.1 實驗裝置

冷庫實驗室完全仿造實船冷庫進行建設(shè)，并增設(shè)了自動控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)便于進行相關(guān)的科學(xué)研究。該系統(tǒng)設(shè)一機四庫，為2低溫庫和2高溫庫，低溫庫設(shè)計溫度調(diào)節(jié)范圍為-15～20℃，如圖1所示。冷庫均采用200mm厚聚氨酯彩鋼板裝配而成，4號低溫庫采用熱氣融霜，3號低溫庫采用電熱融霜，庫房尺寸為長×寬×高=3000mm×2000mm×2500mm。制冷機組采用R22往復(fù)壓縮制冷機。圖中虛線表示熱氣逆流融霜過程。

圖1 實驗裝置

1.2 實驗方法

實驗過程中，主要采集冷庫庫溫及相對濕度，冷庫中蒸發(fā)盤管周圍的溫度，壓縮機的功耗，3號庫電加熱功率等參數(shù)。每個冷庫都配有西門子加濕器，可以對冷庫內(nèi)相對濕度進行調(diào)節(jié)，并可精確控制庫房相對濕度。庫房內(nèi)溫度采用 PT100（精度±0.1℃）電阻溫度傳感器進行采集，溫度傳感器設(shè)置在庫房距地面約1.5m的中心位置，通過R232/485通訊模塊與電腦相連。3號庫冷風(fēng)機排管上溫度測點采用熱電偶溫度傳感器采集，在3號庫和4號庫冷風(fēng)機蒸發(fā)盤管周圍距離盤管10mm處都均勻地布置了6個溫度采集點。蒸發(fā)器下設(shè)有集水盤，可將融霜后的水采集留作實驗分析。

將庫房內(nèi)相對濕度調(diào)節(jié)為（85±1）%，讓庫房處于相同的實驗工況，關(guān)閉高溫庫的供液截止閥，僅對3號庫和4號庫進行制冷。庫溫分別設(shè)置在-20℃、-18℃、-15℃、-12℃ 4種工況，按照制冷系統(tǒng)操作要求啟動制冷壓縮機，等冷庫庫溫穩(wěn)定后約1小時，開始融霜實驗。

對3號庫，關(guān)閉供液電磁閥，停止風(fēng)機，開啟電加熱裝置（加熱功率為3kW）進行加熱融霜，并進行數(shù)據(jù)采集。對4號庫，通過四通換向閥將冷凝器與蒸發(fā)器功能轉(zhuǎn)換，同時停止庫房內(nèi)的冷風(fēng)機，開始數(shù)據(jù)采集。以冷庫內(nèi)蒸發(fā)盤管上6個測點的溫度均高于0℃的時候作為融霜結(jié)束時刻。融霜結(jié)束后，按照操作規(guī)程關(guān)閉實驗裝置，并收集融霜水稱重。

2 實驗數(shù)據(jù)及分析結(jié)果

根據(jù)表2和表3給出的熱氣融霜和電熱融霜2種方式在制冷開始和融霜結(jié)束時刻的一些參數(shù)進行分析。

表2 3號低溫庫電熱融霜（3kW）各工況實驗數(shù)據(jù)

表3 4號低溫庫熱氣融霜各工況實驗數(shù)據(jù)

2.1 融霜效率比較

以低溫庫蒸發(fā)盤管周圍6個點全部達(dá)到0℃作為融霜結(jié)束時刻的標(biāo)志，圖2和圖3給出了在-20℃設(shè)計工況下，3號、4號低溫庫蒸發(fā)盤管周圍6點溫度變化的曲線。

圖2 電熱融霜3號庫冷風(fēng)機周圍測點溫度變化情況

圖3 熱氣融霜4號庫冷風(fēng)機周圍測點溫度變化情況

通過圖2和圖3的對比發(fā)現(xiàn)：融霜初期，電熱融霜蒸發(fā)盤管周圍溫度變化較快，熱氣融霜變化不是很大，這主要是蒸發(fā)盤管的電熱融霜是由外至內(nèi)的，盤管外的霜層最先融化，霜層和周圍的空氣都不斷吸收電熱絲的熱能，盤管周圍的溫度不斷地上升，6個測點的溫度變化比較均勻，幾乎是同時到達(dá) 0℃。而 4號庫的熱氣融霜，蒸發(fā)盤管獲得的熱量是由內(nèi)而外的，通過圖3可以發(fā)現(xiàn)，融霜初期，蒸發(fā)盤管周圍的6個測點溫度變化不大，或者幾乎沒有什么變化。隨著時間的推移，盤管出口處，也就是熱氣進口處的5、6兩點的溫度上升，然后其余各點溫度也開始變化，3、4兩點的溫度變化比靠近熱氣出口的1、2兩點的變0化快一些。熱量首先使蒸發(fā)盤管內(nèi)側(cè)的霜層融化成水，水的外泄致使霜層因缺少附著物而自行剝落。

試驗結(jié)束時，即便是在兩種試驗情況下所獲得的水的質(zhì)量相近，但電熱融霜所獲得的為液態(tài)水，而熱氣融霜所獲得的為冰水混合物。

通過分析可以知道，電熱融霜，霜層融化所需要的熱源來自外部，有一部分熱量用于霜層的融化，但很大一部分熱量會因庫溫較低而散失到環(huán)境中去。從圖2中看出，電熱融霜所花費的時間較長，引起周圍環(huán)境的溫度變化較為均勻，如果采用大功率的加熱器進行加熱，會縮短時間，但引起蒸發(fā)盤管周圍庫溫變化也會劇烈，這對于庫內(nèi)冷藏食品是不利的。而熱氣融霜，熱源來自管內(nèi)，熱量幾乎都傳遞給霜層，靠近盤管的霜層融化會加速盤管外霜層的剝落，從而大大地縮短了融霜時間。這種將融霜階段外界熱量通過圍護結(jié)構(gòu)的深入，來確保冷藏貨物始終保持在最佳低溫，保障貨物品質(zhì)的方式，對遠(yuǎn)洋船舶意義更重大。

2.2 對庫溫影響

圖4為3號庫中心溫度傳感器溫度變化曲線，圖5為4號庫庫溫變化曲線。從2圖的對比情況可以看出，電熱融霜因時間長，對庫溫的影響較大，尤其是當(dāng)庫溫較低時，融霜時間加長，一方面因電加熱絲的熱量不斷地向冷庫中釋放，另一方面外界熱量不斷地滲入，致使庫溫上升變化較大。而熱氣融霜引起的熱負(fù)荷主要是用以融霜，被霜層所吸收，融霜時間較短，外界滲透熱負(fù)荷可以忽略，所以庫溫幾乎沒有上升。對于同一冷庫，庫溫越低，其融霜所消耗的時間越長，因與外界的溫差較大，通過圍護結(jié)構(gòu)滲透的熱量也就越多，所以溫度上升值也會加大。

由于融霜方式的不同和熱源位置的差異，熱氣融霜所消耗的時間僅為電熱融霜的十分之一，且?guī)鞙刈兓淮?，這對保證冷藏貨物的品質(zhì)是有利的。

圖4 電熱融霜3號庫庫溫變化情況

圖5 熱氣融霜4號庫庫溫變化情況

2.3 能耗比較

兩種融霜方式的能耗計算，可以采用下面的公式：

式中：Q電熱融霜——電熱融霜的加熱量，J；

Q熱氣融霜——熱氣融霜的加熱量，J；

P電熱——電熱融霜的加熱功率，W；

P壓縮機——熱氣融霜時壓縮機的功率，W。

圖6 熱氣融霜過程中4號庫壓縮機功耗變化曲線

從圖6可以看出，在熱氣融霜過程中，壓縮機功耗存在一定的震蕩區(qū)間。在融霜開始階段，蒸發(fā)器內(nèi)壓力較低，而冷凝器內(nèi)壓力相對較高，壓縮機只需較小的功耗即可完成排氣過程。但隨著蒸發(fā)器內(nèi)溫度上升，壓力也上升，而冷凝器內(nèi)壓力有所下降，導(dǎo)致壓縮機功耗隨之增加，這一過程大約在40～45s內(nèi)完成；在融霜過程中期，蒸發(fā)盤管上霜層剝落，蒸發(fā)盤管裸露，其熱阻大大減小，換熱增加，壓縮機功耗有所下降；隨后，由于盤管周圍溫度有所上升，壓縮機功耗也隨之有所增大。

熱氣融霜過程壓縮機的功耗是一個累積過程，可按圖6中曲線與橫坐標(biāo)圍成的面積求解。熱氣融霜采用的是恒功率，功耗為加熱功率與時間的乘積。兩種融霜方式的功耗對比見表2。

在相同的工況下，熱氣融霜的功耗遠(yuǎn)小于電熱融霜。在-20℃、-18℃、-15℃和-12℃ 4種工況下，熱氣融霜耗能比電熱融霜耗能分別減少92.5%、92.0%、91.8%、91.3%。電熱融霜的功耗，很大一部分用以增大冷庫熱負(fù)荷，而熱氣融霜所消耗的能量極大部分是用以融霜，僅僅是在融霜后期有部分熱量散失到冷庫中。所以，熱氣融霜較電熱融霜的節(jié)能效果明顯，隨著冷庫庫溫的降低，節(jié)能效果更加突出。

表2 兩種融霜方式的功耗對比

3 結(jié) 語

熱氣融霜由于熱源來自盤管內(nèi)部，幾分鐘時間就可以完成融霜，耗時少，效率高。而電熱融霜的熱源來自盤管外部，融霜耗時長達(dá)0.5h。熱氣融霜，尤其是逆流融霜，不需要改變冷庫內(nèi)風(fēng)機盤管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，僅僅是在外部增加四通換向閥即可。而電熱融霜需要在冷庫風(fēng)機盤管內(nèi)增設(shè)加熱管，并引入控制和加熱電路，增大了風(fēng)機運行阻力，使整體系統(tǒng)能耗增大。熱氣融霜引入負(fù)荷相對較少，對冷庫溫度影響小。冷庫內(nèi)溫度上升的重要因素是外部熱負(fù)荷的深入。熱氣融霜能耗小，與電熱融霜相比，可節(jié)省能耗92%左右。尤其是逆流熱氣融霜，可以沖刷掉蒸發(fā)器盤管中附著的油脂，降低盤管的熱阻，可大大提高盤管的傳熱系數(shù)，降低運行費用。

而電熱融霜可采用自動控制方式，實現(xiàn)霜層的判斷和自動融霜，減少船員的工作量，且安全可靠，便于維護和管理。本文僅從能量的有效利用和對冷庫融霜效果的探討，供船舶設(shè)計人員參考，具體融霜方式還是要根據(jù)船舶具體情況而定。

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