附加保溫融霜裝置的冷風(fēng)機(jī)融霜實(shí)驗(yàn)研究

申 江 路坤侖 李慧杰 丁 峰

(天津商業(yè)大學(xué) 天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300134)

近年來，國內(nèi)冷藏鏈技術(shù)發(fā)展迅速，人們對冷藏食品品質(zhì)的要求也逐年提高。冷庫作為冷藏鏈系統(tǒng)中重要一環(huán)，不僅儲量需達(dá)到要求，更要使得儲藏食品的品質(zhì)達(dá)標(biāo)[1]。在冷庫的換熱器融霜過程中，庫內(nèi)溫度會發(fā)生劇烈波動，這不僅不利于食品的存儲，有可能使其產(chǎn)生霉變、腐爛或變質(zhì)，造成巨大的浪費(fèi)，還可能會在冷庫恢復(fù)初始溫度的過程中消耗更多的能量[2-4]。

在冷庫的制冷系統(tǒng)中，結(jié)霜是一種普遍現(xiàn)象[5]。在制冷過程中，濕空氣流經(jīng)等于或低于0 ℃的換熱器時，換熱器表面就會出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，少量的結(jié)霜會增強(qiáng)換熱器的傳熱效果，隨著霜層厚度的不斷增加，霜層的熱阻增大，換熱器導(dǎo)熱性能降低[6-7]；如不及時清除，霜層熱阻使傳熱性能迅速下降，霜層又使空氣留到變窄，流動阻力快速增大，甚至堵塞空氣通道，使冷庫制冷裝置的總體性能下降[8]。因此需要對換熱器適時的除霜，從而保證制冷系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

1 保溫融霜裝置

對冷庫內(nèi)蒸發(fā)器的融霜方法有很多種：人工除霜，自然除霜，電熱融霜，淋水融霜，熱氣融霜等[9]。每種融霜方式雖然各有優(yōu)缺點(diǎn)，但不管哪種融霜方式，在融霜過程中都會對冷庫內(nèi)的溫度場造成很大影響。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，冷庫中冷風(fēng)機(jī)采用較多的是電熱融霜和熱氣融霜，這兩種融霜過程是都是在風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)后進(jìn)行的。此時，制冷系統(tǒng)停止工作，融霜系統(tǒng)開啟進(jìn)行融霜，電熱融霜和熱氣融霜產(chǎn)生的熱量并不會完全被霜層吸收，其中有大量熱量會擴(kuò)散到冷庫中，導(dǎo)致庫溫升高[10]。為了減少融霜產(chǎn)生的熱量對庫內(nèi)溫度的影響，本文設(shè)計出一種應(yīng)用于冷庫內(nèi)冷風(fēng)機(jī)的保溫融霜裝置。

這種保溫融霜裝置的結(jié)構(gòu)是在冷風(fēng)機(jī)進(jìn)出口增設(shè)可旋轉(zhuǎn)百葉窗式閥門，冷風(fēng)機(jī)外面用鋼板包圍，外層包裹保溫材料。圖1為保溫融霜裝置原理圖，冷風(fēng)機(jī)表面為1.0 mm厚鋼板，陰影部分為夾心50 mm擠塑板，進(jìn)出風(fēng)口均有保溫材料密封。風(fēng)機(jī)為離心式風(fēng)機(jī)，蒸發(fā)器是蛇形的翅片管式，融霜方式為熱氣融霜。圖2為百葉窗式閥門正視圖。圖中的兩片扇葉由電動執(zhí)行器的控制，實(shí)現(xiàn)自由旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)風(fēng)的大小和方向。當(dāng)葉片關(guān)閉時，可以近似認(rèn)為空氣無法通過風(fēng)閥。

圖1 保溫融霜裝置原理圖

圖2 百葉窗式閥門正視圖

附加保溫融霜裝置的冷風(fēng)機(jī)工作過程：蒸發(fā)器需要融霜時，制冷系統(tǒng)停止工作，風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，電動執(zhí)行器控制風(fēng)閥關(guān)閉，融霜系統(tǒng)開啟，融霜熱氣進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行融霜；融霜結(jié)束后，融霜系統(tǒng)關(guān)閉，重新開啟制冷系統(tǒng)，蒸發(fā)器及風(fēng)箱內(nèi)溫度下降，直到冷風(fēng)機(jī)箱內(nèi)溫度等于或低于庫溫時，打開風(fēng)閥，風(fēng)機(jī)開啟，向庫內(nèi)輸送冷風(fēng)。

2 實(shí)驗(yàn)研究

本實(shí)驗(yàn)通過保溫和非保溫(常規(guī))融霜冷庫在融霜過程中的對比，觀察冷庫內(nèi)溫度場變化情況。實(shí)驗(yàn)采用T型熱電偶進(jìn)行溫度測量，測量精度±0.5 ℃，接入數(shù)據(jù)采集儀MX100記錄和保存數(shù)據(jù)；采用KANOMAX多點(diǎn)風(fēng)速巡檢儀測量冷風(fēng)機(jī)進(jìn)出口風(fēng)速；采用PT100濕度傳感器測量庫內(nèi)濕度，精度≤±2%Rh；使用加濕器來保證庫內(nèi)所需濕度；使用ACS-30A電子計重秤測量融霜水質(zhì)量，精度±0.1 g。

為了更準(zhǔn)確測量冷庫內(nèi)的溫度場的分布情況，選取垂直高度0.0 m，1.0 m，2.0 m，3.0 m，4.0 m的5個平面布置溫度測點(diǎn)，每個平面均勻的設(shè)置12個測點(diǎn)。另外在冷風(fēng)機(jī)內(nèi)壁及蒸發(fā)器管外表面布置溫度測點(diǎn)，在風(fēng)箱的進(jìn)出風(fēng)口布置風(fēng)速測點(diǎn)，用以測量結(jié)霜過程中的風(fēng)速變化。

圖3 霜層厚度與冷風(fēng)機(jī)送風(fēng)、回風(fēng)速度關(guān)系曲線

在實(shí)驗(yàn)中，為了保證非保溫融霜和保溫融霜實(shí)驗(yàn)條件的一致性，根據(jù)多次測量，繪制出冷風(fēng)機(jī)送風(fēng)和回風(fēng)的速度與霜層的關(guān)系曲線圖(圖3)。經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)并總結(jié)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論：融霜水質(zhì)量與霜層厚度保持一致，冷風(fēng)機(jī)內(nèi)溫度達(dá)到4 ℃時可判定為融霜過程結(jié)束[11]。因此采用風(fēng)速判定霜層厚度，以融霜水質(zhì)量及冷風(fēng)機(jī)內(nèi)溫度兩個指標(biāo)判定融霜是否結(jié)束。

本實(shí)驗(yàn)環(huán)境參數(shù)為：室外日平均氣溫16 ℃，庫內(nèi)平均溫度-20 ℃，庫內(nèi)濕度85%～90%。

通過多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)無論是保溫還是非保溫融霜的冷庫，位于冷風(fēng)機(jī)下方區(qū)域內(nèi)的溫度波動較小，溫度波動主要集中在庫內(nèi)上方區(qū)域。

對霜層厚度為2.4 mm時的融霜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖4為非保溫和保溫融霜過程中，庫內(nèi)平均溫度變化曲線，可以看出在融霜開始的前60 s，兩者溫度變化情況相差不大，非保溫融霜庫內(nèi)平均溫度略高保溫融霜庫內(nèi)平均溫度；隨著融霜過程的進(jìn)行，兩者溫差越來越大，保溫融霜裝置對抑制熱量的擴(kuò)散起到了很好的效果；非保溫融霜庫內(nèi)平均溫度的升高速度始終大于保溫融霜；非保溫融霜在180 s時，保溫融霜在300 s時，溫升均有所放緩，說明融霜初期融霜熱量對庫內(nèi)平均溫度影響較大。這是由于庫內(nèi)溫升帶來的空氣對流增強(qiáng)換熱效果?？梢钥闯龈郊颖厝谒b置可以降低融霜前期溫升速度，延緩空氣對流劇烈程度最高點(diǎn)的到來，并對庫內(nèi)平均溫度波動影響有緩沖效果。在融霜快要結(jié)束時的第360 s，兩者波動溫差相差達(dá)3.2 ℃，說明保溫融霜裝置能夠穩(wěn)定融霜過程中庫內(nèi)的溫度，減小融霜熱對庫內(nèi)溫度的影響。

圖4 兩種融霜方式庫內(nèi)平均溫度波動曲線

圖5 非保溫融霜不同高度平面溫度波動曲線

圖5和圖6為非保溫和保溫融霜過程中不同高度平面上的溫度變化曲線，可以看出融霜開始后的前60 s，保溫融霜的冷庫庫內(nèi)0.0 m及1.0 m處溫度仍保持在-20 ℃；非保溫融霜60 s時0.0 m處溫度已經(jīng)有所回升，1.0 m處溫升已達(dá)到0.6 ℃，保溫融霜的冷庫底層(0.0 m)在120 s時溫度才開始變化，說明增加保溫裝置可以延緩融霜熱量對庫內(nèi)下方區(qū)域溫度的影響；庫內(nèi)上下兩方區(qū)域在融霜快要結(jié)束時(360 s)的溫差，保溫融霜為2.1 ℃，非保溫融霜為1.8 ℃，保溫融霜比非保溫融霜溫差大。這是因?yàn)楸厝谒^程中，下方區(qū)域溫升較緩較小，上方區(qū)域溫升相對較大，而非保溫融霜過程，上下兩方區(qū)域溫度均升高較快，從而導(dǎo)致了保溫融霜上下兩方溫差大于非保溫融霜的溫差，進(jìn)一步證明增設(shè)保溫融霜裝置對底層溫度的影響較小，有利于冷藏食品的保存。

圖6 保溫融霜不同高度平面溫度波動曲線

圖7 兩種融霜方式過程下冷風(fēng)機(jī)內(nèi)平均溫度曲線

分析霜層厚度為3.4 mm時的融霜時間，繪制出兩種融霜過程融霜時間與冷風(fēng)機(jī)內(nèi)平均溫度的關(guān)系圖,如圖7所示。兩種融霜過程冷庫內(nèi)平均溫度變化趨勢大致相同，均為融霜初期風(fēng)機(jī)內(nèi)溫度上升緩慢，隨著融霜過程的進(jìn)行，溫度上升速率增大，接近0 ℃時溫度大幅升高后變緩，一段時間后又迅速升高，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是在融霜過程中，附著在蒸發(fā)器管壁上的霜層內(nèi)部先融化，熱量向外擴(kuò)散的較少，對庫內(nèi)溫度影響較小，隨著融霜的進(jìn)行，霜層厚度減少，熱量擴(kuò)散速率增大，冷庫內(nèi)平均溫度升高加快；接近0 ℃時，薄薄的霜層起到了增強(qiáng)換熱的作用，融霜熱量迅速擴(kuò)散到冷庫內(nèi)，導(dǎo)致庫內(nèi)溫度急劇升高，溫度達(dá)到0 ℃以上時的一段時間內(nèi)，霜層完全融化變?yōu)樗@段過程需要吸收大量的相變熱，大量融霜熱被霜層吸收，擴(kuò)散到冷庫內(nèi)的變少，從而庫內(nèi)溫升變緩；待相變熱吸收完全后，融霜熱擴(kuò)散到庫內(nèi)，溫度又急劇上升。

圖7還可以看出保溫融霜冷風(fēng)機(jī)內(nèi)溫度回升快，進(jìn)一步證明保溫裝置可以很好的阻止熱量擴(kuò)散到冷庫內(nèi)。這些沒有擴(kuò)散到冷庫內(nèi)的熱量，被霜層外表面吸收，從而化霜速度加快，保溫融霜比非保溫融霜方式的融霜結(jié)束時間短了近300 s。

用同樣的實(shí)驗(yàn)方法對不同霜層厚度的情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)：冷風(fēng)機(jī)增設(shè)保溫融霜裝置以后，融霜時間變短，可以節(jié)約融霜能耗；保溫融霜裝置能夠穩(wěn)定冷庫融霜的過程中庫內(nèi)的溫度，有利于冷藏食品的存儲。

3 小結(jié)

1)設(shè)計了一種冷庫用冷風(fēng)機(jī)保溫融霜裝置，并通過對比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該裝置在冷風(fēng)機(jī)融霜過程中穩(wěn)定庫內(nèi)溫度場及縮短融霜時間的作用。

2)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，冷風(fēng)機(jī)增設(shè)保溫融霜裝置的融霜過程，庫溫回升較為緩慢；對于霜層厚度2.4 mm的情況，在360 s時溫升比非保溫融霜低3.2 ℃，對庫內(nèi)底層溫度影響較小。

3)保溫融霜過程冷風(fēng)機(jī)內(nèi)溫度回升較快，有效的促進(jìn)了霜層融化，縮短融霜時間；對于霜層厚度3.4 mm的情況，保溫融霜過程比非保溫融霜過程快將近300 s。

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