冷藏陳列柜減濕預(yù)冷器對蒸發(fā)器性能的影響分析

張文慧 龔 毅 呂彥力

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院 鄭州 450002)

根據(jù)食品儲藏標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 21001.2—2007)，冷藏陳列柜儲藏易腐食品的溫度必須保持在5℃以下，滿足M1等級要求(-1～5℃)[1]。這就需要陳列柜制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器在較低的溫度下運(yùn)行。當(dāng)陳列柜蒸發(fā)器表面溫度降到0℃以下時，其表面開始有霜形成。由于霜層是由冰晶和濕空氣組成的多孔物質(zhì)，有效導(dǎo)熱系數(shù)較小，所以霜層增加了蒸發(fā)器外側(cè)的換熱熱阻，降低了傳熱系數(shù)；同時霜層會部分地堵塞空氣側(cè)通道，增大流動阻力，從而減小空氣流量，導(dǎo)致蒸發(fā)器的換熱量下降，和風(fēng)幕封閉敞口能力的降低，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失效。因此，蒸發(fā)器必須定期融霜，這樣既消耗額外的能量，能耗增大，還會使系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定。

但是，立式敞開式陳列柜可以讓顧客自由地拿取貨物，為顧客提供一個隨意、輕松的購物環(huán)境，促進(jìn)商品銷售，所以在大型商場大量地使用。但是此類陳列柜有其自身致命的缺點(diǎn)：能耗嚴(yán)重。造成陳列柜能耗過大的原因主要有三點(diǎn)：1)周圍環(huán)境對柜內(nèi)食品表面的輻射熱較大；2)通過風(fēng)幕滲透進(jìn)來的熱濕空氣較多，尤其是敞開式陳列柜；3)定期除霜消耗能量的同時又增加了陳列柜的熱負(fù)荷。

為了減緩蒸發(fā)器結(jié)霜，降低結(jié)霜對陳列柜性能的影響，可采用過熱器作為減濕預(yù)冷器[2-5]，承擔(dān)風(fēng)幕空氣的預(yù)冷任務(wù)，使通過蒸發(fā)器的空氣溫度和含濕量降低，從而使得空氣和蒸發(fā)器翅片間的傳熱溫差減小，改善整個蒸發(fā)器的換熱性能。同時，蒸發(fā)器的結(jié)霜量減少，從而延長融霜周期，降低了融霜加熱量，增強(qiáng)冷柜內(nèi)部溫度的穩(wěn)定性。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)臺參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T21001.1—2007[1]冷藏陳列柜實(shí)驗(yàn)條件搭建。實(shí)驗(yàn)以某公司型號為DEI-107的立式敞開式冷藏陳列柜為研究對象，該陳列柜是專門針對便利店開發(fā)的薄型立式風(fēng)幕柜，擱架有多層，風(fēng)幕為兩層結(jié)構(gòu)。減濕預(yù)冷器設(shè)于陳列柜底層擱架下方，如圖1所示[2]。

圖1 實(shí)驗(yàn)用陳列柜實(shí)物圖Fig.1 Picture of the experimental cabinet

圖2 陳列柜前風(fēng)速測點(diǎn)Fig.2 Air movement measurement position of cabinet

根據(jù)GB/T 21001.2—2007[1]，實(shí)驗(yàn)將陳列柜布置在恒溫恒濕空調(diào)室內(nèi)。測試環(huán)境選擇Climate class 3(測試環(huán)境溫度為25℃，環(huán)境相對濕度為60%，濕球溫度為17℃)，與柜體長度方向平行的風(fēng)速為0.1～0.2m/s，測速位置及參考位置如圖2所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

增設(shè)空氣預(yù)冷器后，通過蒸發(fā)器的空氣溫度和含濕量均有所降低，使得空氣和蒸發(fā)器翅片間的傳熱溫差減小，由于隨著傳熱溫差的減小，換熱系數(shù)呈遞增趨勢，相當(dāng)于蒸發(fā)器有效換熱面積增大，從而整個蒸發(fā)器的換熱性能得到改善。同時，系統(tǒng)運(yùn)行時，蒸發(fā)器的結(jié)霜量會有所減少，從而延長融霜周期，降低了融霜加熱量，使陳列柜負(fù)荷降低，進(jìn)而使陳列柜內(nèi)部食品溫度穩(wěn)定性有所增強(qiáng)。

2.1 減濕預(yù)冷器對蒸發(fā)器進(jìn)口空氣狀態(tài)的影響

陳列柜風(fēng)幕回風(fēng)通過減濕預(yù)冷器后溫度降低，含濕量減少。從圖3可以得到，通過減濕預(yù)冷器后空氣溫度降低2.4℃，并且一個融霜周期內(nèi)(6h)減濕預(yù)冷器產(chǎn)生冷凝水3.9kg。陳列柜運(yùn)行5h后隨著蒸發(fā)器結(jié)霜量的增加，蒸發(fā)器換熱性能下降，預(yù)冷器前后空氣溫度又逐漸上升。6h后，陳列柜開始融霜，壓縮機(jī)關(guān)閉，因此減濕預(yù)冷器前后的溫度開始趨于一致。

圖3 減濕預(yù)冷器前后空氣溫度Fig.3 Air temperature before and after the pre-cooler

2.2 減濕預(yù)冷器對蒸發(fā)器結(jié)霜量及結(jié)霜速度的影響

改造前冷藏陳列柜樣機(jī)工作2h后，就開始出現(xiàn)薄薄的霜層，4h后就會出現(xiàn)大量的霜，致使翅片幾乎完全被封住。而使用除濕預(yù)冷器后，系統(tǒng)運(yùn)行3h后開始出現(xiàn)很薄的霜層，隨后霜層逐漸加厚，5h后，霜層變厚速度加快，蒸發(fā)器換熱性能急劇惡化。

實(shí)驗(yàn)用陳列柜采用熱氣融霜方式，融霜時，壓縮機(jī)停機(jī)，制冷劑不流動，只有風(fēng)機(jī)正常工作。融霜周期設(shè)定為6h，以時間控制融霜，若時間到達(dá)或者柜內(nèi)溫度大于設(shè)定最高溫度時，融霜結(jié)束。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)用冷藏陳列柜使用減濕預(yù)冷器前后融霜水量減少5.9%。

2.3 減濕預(yù)冷器對蒸發(fā)器融霜時間的影響

使用減濕預(yù)冷器后，蒸發(fā)器融霜時間也發(fā)生變化。環(huán)境溫度為25℃，相對濕度60%時，改造前陳列柜樣機(jī)融霜時間為25min，使用除濕預(yù)冷器后，融霜時間降為18min。融霜水量的減少和融霜時間的縮短，也使柜內(nèi)食品溫度回升降低，從而為食品安全帶來有利條件。

2.4 減濕預(yù)冷器對陳列柜負(fù)荷的影響

陳列柜冷藏空間內(nèi)空氣的熱平衡關(guān)系如圖4所示。由能量守恒關(guān)系可得：

其中陳列柜冷負(fù)荷可由下式表示：

冷藏陳列柜的負(fù)荷可以由下式計(jì)算得出[6]：

其中：Qcond—柜壁與外界的導(dǎo)熱量；Qcur—風(fēng)幕與外界的換熱量；Qin—柜內(nèi)熱負(fù)荷(食品，照明，風(fēng)扇等)；Qrad—柜壁與外界輻射換熱量；Qinlet—風(fēng)幕進(jìn)口空氣帶來的熱量；Qoutlet—風(fēng)幕進(jìn)口帶走的熱量；Q—陳列柜冷負(fù)荷；V－風(fēng)量；ρi, ρo－進(jìn)出口空氣密度；hi, ho－進(jìn)出口空氣焓值。

圖4 陳列柜冷藏區(qū)熱平衡示意圖Fig.4 Sketch map of the energy balance in display cabinet

圖5為根據(jù)式(3)求出的冷藏陳列柜系統(tǒng)改造前后熱負(fù)荷在一個周期內(nèi)的變化曲線。結(jié)果表明，使用減濕預(yù)冷器后冷藏陳列柜熱負(fù)荷有所降低，特別是系統(tǒng)運(yùn)行2h后，相對于改造前的冷藏陳列柜來說，使用減濕預(yù)冷器后，冷藏陳列柜熱負(fù)荷大大降低。一個運(yùn)轉(zhuǎn)周期內(nèi)(6h)，改造前冷藏陳列柜熱負(fù)荷平均為5.37kW，而系統(tǒng)改造后熱負(fù)荷為4.34kW，降低19.2%。熱負(fù)荷降低的原因主要有兩點(diǎn)：1)使用減濕預(yù)冷器后，風(fēng)幕的封閉敞口能力得到了提高，因此通過風(fēng)幕的滲透負(fù)荷減少[4]；2)使用減濕預(yù)冷器后，蒸發(fā)器結(jié)霜量有所減少，從而減少了融霜加熱量及融霜多余熱，同時也減少了融霜時滲透負(fù)荷。

圖5 冷藏陳列柜熱負(fù)荷曲線Fig.5 Curves of the heating load in the display cabinet

3 結(jié)論

以一臺DEI-107型立式敞開式中溫食品陳列柜為研究對象，通過實(shí)驗(yàn)，研究減濕預(yù)冷器對蒸發(fā)器性能的影響。研究表明：1)使用減濕預(yù)冷器可降低蒸發(fā)器進(jìn)口空氣的溫度和含濕量；2)減濕預(yù)冷器可減緩蒸發(fā)器的結(jié)霜速度，減少蒸發(fā)器的結(jié)霜量及融霜時間；3)減濕預(yù)冷器的使用可減少融霜滲透負(fù)荷，從而降低陳列柜負(fù)荷，有利于保持柜內(nèi)食品溫度的穩(wěn)定性。

[1]中國制冷標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T 21001.2—2007冷藏陳列柜第2部分: 分類、要求和實(shí)驗(yàn)條件[S].北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2007.(China Standardization Technology Assiciation of Refrigeration. GB/T 21001.2—2007 Refrigerated display cabinets—Part 2: Classification,requirements and test conditions[S].Beijing：China Standardization Publishing House.)

[2]張文慧, 龔毅, 呂彥力.環(huán)境溫濕度對冷藏陳列柜空氣預(yù)冷器性能的影響[J]. 制冷學(xué)報, 2008, 29(6): 57-60.(Zhang Wenhui, Gong Yi, Lu Yanli. Effect of Ambient Temperature and Humidity on Performance of Pre-cooler in Display Cabinet [J].Journal of Refrigeration, 2008, 29(6): 57-60.)

[3]Lv Y L, Zhang W H, Yuan P, et al. Experimental study of heat transfer intensi fi cation by using a novel combined shelf in food refrigerated display cabinets[J]. Applied Thermal Engineering, 2010, 30:85-91.

[4]楊曉明, 張文慧, 龔毅. 減濕預(yù)冷器對冷藏陳列柜風(fēng)幕性能的影響分析[J].制冷，2007，26(3)：40-44.(Yang Xiaoming, Zhang Wenhui, Gong Yi. The Effect of Precooler to Air-curtains in Refrigerated Display Cabinets [J].Refrigeration,2007,26(3):40-44.)

[5]呂彥力.冷藏陳列柜食品強(qiáng)化傳熱及節(jié)能技術(shù)研究[D].西安：西安交通大學(xué), 2008.(Lv Yanli. Investigation on Enhanced Heat Transfer of Food in Refrigerated Display Cabinets and Energy Saving Technologies[D]. Xi'an:Xi'an Jiaotong University,2008.)

[6]鄧詠梅, 徐正本, 陳蘊(yùn)光, 等. 確定陳列柜熱負(fù)荷新方法的研究[J]. 制冷空調(diào)與電力機(jī)械, 2003,(5):7-9.(Deng Yongmei, Xu Zhengben, Chen Yunguang, et al. Research on a New Method of Calculating Heat Load of Display Cases[J]. Refrigeration Air Conditioning & Electric Power Machinery, 2003,(5): 7-9. )