對某型船用冷庫低溫冷風(fēng)機(jī)嚴(yán)重結(jié)霜問題的研究

吳 松，陳 雷，王艷華

（1.海軍92196部隊(duì)52分隊(duì)，青島266011；2.海軍潛艇學(xué)院動(dòng)力操縱系，青島266042）

對某型船用冷庫低溫冷風(fēng)機(jī)嚴(yán)重結(jié)霜問題的研究

吳 松1，陳 雷1，王艷華2

（1.海軍92196部隊(duì)52分隊(duì)，青島266011；2.海軍潛艇學(xué)院動(dòng)力操縱系，青島266042）

闡述了某型船用冷藏系統(tǒng)對保障船員執(zhí)行遠(yuǎn)洋運(yùn)輸任務(wù)的重要性和其自動(dòng)工作控制關(guān)系，總結(jié)了蒸發(fā)器嚴(yán)重結(jié)霜對系統(tǒng)的不良影響及相應(yīng)融霜措施的不足，研究了更為適用的解決蒸發(fā)器嚴(yán)重結(jié)霜問題的方法。

冷藏系統(tǒng)；蒸發(fā)器；嚴(yán)重結(jié)霜；融霜措施

新時(shí)期，隨著我國對外經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，遠(yuǎn)洋運(yùn)輸任務(wù)越來越多，船員遠(yuǎn)航任務(wù)重。作為保障船員生活的系統(tǒng)，冷藏系統(tǒng)在船舶上用來貯藏肉類、菜類等食品，保證船員長期海上生活所需和改善伙食條件，其作用尤為重要：一旦冷藏系統(tǒng)故障或效率大幅降低，便會(huì)極大地影響船員遠(yuǎn)洋運(yùn)輸任務(wù)的順利完成。而低溫庫蒸發(fā)器結(jié)霜 （冰）太厚就是嚴(yán)重影響冷藏系統(tǒng)正常工作的一個(gè)重要原因，也是長期困擾船員的一個(gè)重要問題。

1 冷藏系統(tǒng)的自動(dòng)工作控制

某船冷藏系統(tǒng)的組成及工作原理如圖1所示。

冷藏系統(tǒng)設(shè)置高溫庫 （圖1中上部右側(cè)為高溫庫蒸發(fā)器，又稱高溫冷風(fēng)機(jī)，保持庫溫在0～4℃）和低溫庫 （圖1中上部左側(cè)為低溫庫蒸發(fā)器，又稱低溫冷風(fēng)機(jī)，保持庫溫在-10～-14℃），并可分別或同時(shí)對其實(shí)施降溫。

冷藏系統(tǒng)通常是在兩庫自動(dòng)溫控工況下工作：

圖1 冷藏系統(tǒng)原理圖

將轉(zhuǎn)換開關(guān)放在 “自動(dòng)”位置上，當(dāng)庫溫達(dá)到啟動(dòng)值時(shí) （菜庫4℃或肉庫-10℃），溫度繼電器 （菜庫或肉庫）控制延時(shí)繼電器得電，水泵立即啟動(dòng)，延時(shí)30秒后制冷壓縮機(jī)、冷風(fēng)機(jī) （高溫、低溫）自動(dòng)啟動(dòng)，同時(shí)供液電磁閥打開，開始制冷工作。當(dāng)某一庫溫度達(dá)到停止值時(shí) （菜庫0℃或肉庫-14℃），其供液電磁閥關(guān)閉，冷風(fēng)機(jī)（高溫或低溫）停止工作。當(dāng)兩庫溫度都達(dá)到停止值時(shí)，制冷壓縮機(jī)、水泵、冷風(fēng)機(jī) （高溫、低溫）停止工作，電磁閥全部關(guān)閉。只有當(dāng)制冷壓縮機(jī)、水泵停機(jī)后，冷風(fēng)機(jī) （高溫、低溫）才能由延時(shí)繼電器控制延時(shí)停車 （可延時(shí)0～60秒）。

2 蒸發(fā)器結(jié)霜 （冰）問題及其影響

2.1 蒸發(fā)器結(jié)霜（冰）問題

長時(shí)間海上航行時(shí)，為貯存食品，冷藏系統(tǒng)工作時(shí)間較長。由于低溫庫要求的工作溫度低，而庫內(nèi)濕度又大，因此會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)器表面結(jié)霜，隨著冷藏系統(tǒng)工作時(shí)間的不斷延長，蒸發(fā)器的結(jié)霜情況越來越嚴(yán)重，霜層厚度不斷增加，甚至結(jié)厚厚的一層冰。

2.2 蒸發(fā)器表面嚴(yán)重結(jié)霜 （冰）對蒸發(fā)器工作性能的影響

霜的熱導(dǎo)率為0.116～0.139W/（m·℃），其熱阻比盤管材料（銅或鋁）的熱阻大94～443倍，冰的熱阻也比盤管材料的熱阻大了近兩百倍［1］。因此，蒸發(fā)器結(jié)霜太厚，甚至結(jié)冰，會(huì)嚴(yán)重影響蒸發(fā)器熱交換性能［2～5］：

（1）會(huì)直接增加蒸發(fā)器的傳熱熱阻、降低蒸發(fā)器的換熱系數(shù)，使蒸發(fā)器的傳熱性能大幅下降；

（2）隨著霜層厚度的增加，會(huì)逐漸堵塞蒸發(fā)器的外部空間，使通過蒸發(fā)器的空氣流量越來越小，嚴(yán)重地破壞庫內(nèi)空氣與制冷劑之間的換熱，使蒸發(fā)器的換熱量大大減少。

這樣，當(dāng)庫內(nèi)溫度升高后，機(jī)組重新啟動(dòng)對冷庫降溫，工作時(shí)間長但庫溫難以下降。

2.3 現(xiàn)有融霜措施及效果

2.3.1 低溫冷風(fēng)機(jī)融霜措施

目前，該型冷藏系統(tǒng)低溫庫的蒸發(fā)器主要是采用電加熱的方法進(jìn)行融霜：在蒸發(fā)器的承水盤和泄水管處分別設(shè)有一個(gè)電加熱器，當(dāng)霜 （冰）層厚度對蒸發(fā)器換熱效果影響較大時(shí)，可接通電加熱器對蒸發(fā)器進(jìn)行融霜 （實(shí)際上，通常是在制冷機(jī)組停止工作后進(jìn)行）。

2.3.2 電加熱融霜的效果及缺陷

電加熱融霜方法可在霜層 （冰層）不太厚的情況下將霜層 （冰層）融解，恢復(fù)蒸發(fā)器的換熱性能，但當(dāng)霜層 （冰層）厚度太大時(shí)，電加熱融霜的效果就會(huì)不理想，并且由于電加熱融霜方法本身存在的缺點(diǎn)，會(huì)對整個(gè)系統(tǒng)的工作和機(jī)組的使用壽命帶來不利的影響：

（1）造成電能浪費(fèi)；

（2）電加熱器加熱時(shí)放出的熱量使冷庫溫度升高較快，冷熱交替頻繁，不利于食品的貯存；

（3）結(jié)霜嚴(yán)重甚至結(jié)厚冰時(shí)，融霜時(shí)間太長，會(huì)導(dǎo)致冷庫溫度上升較大，融霜后延長了冷藏機(jī)組的工作時(shí)間，而隨著工作時(shí)間的延長，蒸發(fā)器又會(huì)重新結(jié)霜，使系統(tǒng)陷入 “結(jié)霜→融霜→冷庫升溫快→機(jī)組工作→結(jié)霜”的死循環(huán)；

（4）隨著機(jī)組工作時(shí)間的延長，機(jī)組工作的振動(dòng)等因素會(huì)降低機(jī)組的使用壽命。

因此，非常有必要采取其它有效措施來解決蒸發(fā)器嚴(yán)重結(jié)霜問題。

3 解決蒸發(fā)器嚴(yán)重結(jié)霜 （冰）問題的方法

3.1 控制庫內(nèi)的相對濕度在合理的范圍內(nèi)

研究表明［6］：庫內(nèi)相對濕度越大，蒸發(fā)器的結(jié)霜速度越快；同時(shí)，庫內(nèi)相對濕度越大，蒸發(fā)器換熱量下降的速度越快。經(jīng)過實(shí)際測量，冷藏系統(tǒng)運(yùn)行30～45分鐘后，庫內(nèi)相對濕度為80%的情況下，蒸發(fā)器的換熱量下降到未結(jié)霜時(shí)的84%，庫內(nèi)相對濕度為70%時(shí)，蒸發(fā)器的換熱量下降為原來的87%，而庫內(nèi)相對濕度為60%時(shí)，蒸發(fā)器的換熱量下降為原來的92%。因此，要使蒸發(fā)器保持較高的換熱效率，應(yīng)盡量把庫內(nèi)相對濕度控制在較低的水平。為此，可采取以下措施：

（1）低溫庫內(nèi)盡量裝載已凍結(jié)的食品，以免未凍結(jié)食品將大量水分帶入庫內(nèi)，導(dǎo)致庫內(nèi)相對濕度增大。

（2）盡量控制冷藏系統(tǒng)所在艙室內(nèi)的相對濕度在較低的水平，特別是在炎熱潮濕的夏季，可適時(shí)開啟艙室空調(diào)對艙室進(jìn)行降溫除濕，以降低庫內(nèi)空氣的含濕量。

3.2 機(jī)組停車后，延長低溫冷風(fēng)機(jī)工作時(shí)間

根據(jù)冷藏系統(tǒng)的工作原理和過程可知：在壓縮冷凝機(jī)組停止工作后，強(qiáng)制低溫冷風(fēng)機(jī)繼續(xù)工作，加強(qiáng)庫內(nèi)空氣流通，蒸發(fā)器表面所結(jié)的霜 （冰）會(huì)緩慢融化 （或升華），這樣，既可解決蒸發(fā)器結(jié)霜 （冰）的問題，又達(dá)到了輔助降溫的效果。因此，為取得較好的融霜效果，可適當(dāng)延長低溫冷風(fēng)機(jī)的工作時(shí)間。

但是，若低溫冷風(fēng)機(jī)一直工作，會(huì)浪費(fèi)電能并全時(shí)散發(fā)熱量，導(dǎo)致冷庫溫度上升速度加快，造成冷藏機(jī)組啟動(dòng)次數(shù)增多。為此，必須將冷風(fēng)機(jī)的延長工作時(shí)間控制在合理的范圍內(nèi)。因此，對冷藏系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制成庫溫與冷風(fēng)機(jī)工作時(shí)間關(guān)系圖，如圖2所示。

圖2 庫溫與冷風(fēng)機(jī)工作時(shí)間關(guān)系圖

試驗(yàn)結(jié)果表明：在壓縮冷凝機(jī)組停止工作后，低溫冷風(fēng)機(jī)繼續(xù)對冷庫進(jìn)行通風(fēng)約35～45分鐘，其融霜和冷庫降溫效果最佳。

根據(jù)前述冷藏系統(tǒng)的自動(dòng)工作控制過程可知，低溫冷風(fēng)機(jī)的延時(shí)工作是由延時(shí)繼電器2KT來控制的，其延時(shí)范圍為0～60秒。為達(dá)到使低溫冷風(fēng)機(jī)在壓縮冷凝機(jī)組停車后繼續(xù)工作約35～45分鐘的目的，可以采取以下措施：

將控制低溫冷風(fēng)機(jī)的延時(shí)繼電器2KT更換為延時(shí)范圍為0～60分鐘的繼電器，并將其延時(shí)工作時(shí)間調(diào)整為35～45分鐘。

3.3 改善空氣流通路徑，增強(qiáng)換熱效果

3.3.1 增設(shè)低溫冷風(fēng)機(jī)的吸氣風(fēng)道，提高庫內(nèi)空氣流通效率

如圖3和圖4所示，蒸發(fā)器及其冷風(fēng)機(jī) （圖3中粗線條部分所示）安裝在冷庫的頂部艙壁上，其后部弧形所示為船舶固殼。

圖3 低溫冷風(fēng)機(jī)安裝及庫內(nèi)空氣循環(huán)示意圖

圖4 低溫冷風(fēng)機(jī)實(shí)際安裝情況

工作時(shí)，冷風(fēng)機(jī)主要從后部吸氣：空氣經(jīng)過蒸發(fā)器時(shí)，被蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑冷卻后，從前方圓形排氣口排出，如圖3中箭頭所示。這樣，庫內(nèi)空氣主要圍繞冷庫上部冷風(fēng)機(jī)周圍的空間循環(huán)，流動(dòng)范圍小，冷庫中部空間與底部空間空氣循環(huán)流通效果差，冷庫降溫緩慢，造成冷藏機(jī)組工作時(shí)間長，容易結(jié)霜 （冰）。

由冷藏系統(tǒng)的工作原理和熱量傳遞的相關(guān)知識(shí)可知［7，8］：冷庫內(nèi)空氣流動(dòng)速度越快，其制冷效果越好，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)器結(jié)霜速度加快。因此，應(yīng)當(dāng)尋找?guī)靸?nèi)空氣流動(dòng)的最佳速度，既能達(dá)到提高空氣循環(huán)效率的目的，又能盡可能降低蒸發(fā)器的結(jié)霜速度。研究表明［8，9］：當(dāng)其它條件相同、庫內(nèi)風(fēng)速為1.5～2.5m/s時(shí)，制冷系統(tǒng)的工作效率較高。因此，可采取措施盡量控制庫內(nèi)風(fēng)速在該范圍內(nèi)。

又根據(jù)差壓式冷卻理論［7，10］，針對冷庫內(nèi)空氣循環(huán)流通不良的情況，可以采取以下措施：

根據(jù)風(fēng)機(jī)風(fēng)量和控制風(fēng)速的要求，可在冷風(fēng)機(jī)下方和側(cè)方加裝部分吸氣擋板 （約占用低溫庫0.15m3空間，所占空間比例約為2.5%，對庫容影響不大），并使各擋板組成一個(gè)吸氣風(fēng)道，其進(jìn)風(fēng)口在底部，距冷庫地面約為1.1m。吸氣風(fēng)道如圖5中風(fēng)機(jī)周邊虛線位置所示。

圖5 冷風(fēng)機(jī)加裝吸氣擋板示意圖

加裝吸氣風(fēng)道后，冷風(fēng)機(jī)從冷庫底部吸氣，迫使庫內(nèi)空氣向吸氣風(fēng)道的進(jìn)風(fēng)口處聚集，加強(qiáng)冷庫上下空氣流通循環(huán)，提高冷庫的工作效率。

3.3.2 加裝低溫冷風(fēng)機(jī)排氣導(dǎo)風(fēng)板

在加裝低溫冷風(fēng)機(jī)吸氣通道的同時(shí)，在風(fēng)機(jī)出口正對面的立面墻和頂面之間，加裝一塊傾斜角度為45°的平面導(dǎo)風(fēng)板 （具體如圖6中風(fēng)機(jī)出口對面的虛線四邊形所示）。

加裝導(dǎo)風(fēng)板后，冷風(fēng)機(jī)排出的冷空氣直接吹向?qū)эL(fēng)板的傾斜平面，由于該平面與風(fēng)機(jī)出口氣流方向成約45°的角，由流體力學(xué)的相關(guān)知識(shí)可知［7］：除少量冷空氣向左右分散改變流動(dòng)方向外，絕大部分的冷空氣將向下改變流動(dòng)方向，帶動(dòng)了庫內(nèi)中部空間和下部空間空氣的循環(huán)，消除了原來庫內(nèi)空氣主要在冷庫上部空間流動(dòng)循環(huán)的現(xiàn)象，很好地改善了庫內(nèi)空氣流通路線，提高了冷庫的工作效率。

3.4 合理布置凍結(jié)食品，提高冷庫的工作效率

進(jìn)行凍結(jié)食品裝載時(shí)，應(yīng)對食品塊的放置進(jìn)行合理的布置：相鄰食品塊之間不能緊貼布置，應(yīng)留有4～5cm的間隙，便于庫內(nèi)空氣在食品塊之間流動(dòng)，以提高冷庫的工作效率，從而減少冷藏系統(tǒng)的工作時(shí)間，降低蒸發(fā)器嚴(yán)重結(jié)霜的概率。

［1］劉訓(xùn)海，劉鵬，仇鑫明.基于雙級(jí)和復(fù)迭式可切換的低溫試驗(yàn)冷庫的研制［J］.上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，26（4）：386-390

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Study on Cold Air Cooler w ith Severe Frost Problem of a Certain Type of Ship

WU Song1，CHEN Lei1，WANG Yanhua2
（1.Marine 92196 unit52，Qingdao 266011；2.Department of power control，PLA Navy Submarine Academy，Qingdao 266042）

This paper expounds the importance of a certain type ofmarine refrigeration system to protect the crew to perform the ocean transportation task and the relationship of its automatic operation control，summarizes the lack of serious adverse effects of evaporator frosting on the system and the correspondingmeasures of defrosting，study on themethod for solving the serious problems for the evaporator frosting.

Refrigeration system；Evaporator；Severe frost；Melt cream measure

TQ051.6+2［文獻(xiàn)標(biāo)示碼］B

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.03.015

ISSN1005-9180（2015）03-079-05

2015-6-25

吳松 （1981-），男，四級(jí)軍士長，從事機(jī)電管理專業(yè)。

王艷華，Email：wyh7622@163.com