平板速凍機(jī)三種供液方式的實驗比較

曹曉程 萬金慶 宋立堯 厲建國 王國強(qiáng)

(上海海洋大學(xué)食品學(xué)院 上海 201306)

平板速凍機(jī)三種供液方式的實驗比較

曹曉程 萬金慶 宋立堯 厲建國 王國強(qiáng)

(上海海洋大學(xué)食品學(xué)院 上海 201306)

本文提出了一種射流泵節(jié)流供液制冷系統(tǒng)(方式III)，并與傳統(tǒng)的熱力膨脹閥供液(方式I)和液泵供液(方式II)進(jìn)行了實驗對比，研究了三種供液方式對模擬食品的凍結(jié)時間、凍品溫差和凍結(jié)裝置總能耗的影響。結(jié)果表明，在本文的實驗條件下，方式II和方式III比方式I的凍結(jié)時間縮短了約14%，模擬食品的溫度下降更為均勻，有利于凍品質(zhì)量的提高。在能耗方面，方式III比方式I節(jié)省了6.3%，比方式II節(jié)省了9.6%，表明射流泵節(jié)流供液優(yōu)勢明顯。

供液方式；射流泵；凍結(jié)時間；凍品溫差；能耗

近年來，隨著海洋捕撈業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展，水產(chǎn)品在貯存、加工、運(yùn)輸?shù)雀鱾€環(huán)節(jié)的冷凍保藏顯得尤為重要。平板速凍機(jī)是船用制冷裝置中的重要裝備之一，因其凍結(jié)速度快、產(chǎn)品干耗低、外觀整齊以及在常溫下就能操作等優(yōu)點，已越來越受到人們的喜愛。目前國內(nèi)平板速凍機(jī)供液方式主要有：熱力膨脹閥供液、重力供液以及液泵供液[1]。這些方式除液泵屬于強(qiáng)制循環(huán)外，其余均采用自然流動方式，由于它們屬于低沸騰傳熱，平板傳熱系數(shù)低、凍結(jié)時間較長。采用液泵供液時，雖然縮短了凍結(jié)時間，但由于增設(shè)了液泵將增加能耗。

Chunnanond K等[2]在相關(guān)研究中指出：Maurice Leblanc首次提出將射流泵用于噴射式制冷系統(tǒng)中，利用低位熱源驅(qū)動制冷系統(tǒng)，對于具有廢熱的場所是一個很好的能源回收方式。目前國內(nèi)外對這方面的研究趨于成熟[3-9]，但射流泵在蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用研究是從20世紀(jì)80年代才開始：Lorentzen G[10]用射流泵代替節(jié)流閥，驅(qū)動蒸發(fā)器的制冷劑液體再循環(huán)，以提高蒸發(fā)器的性能。Kornhauser A A[11]提出一種壓縮/噴射混合蒸氣壓縮制冷循環(huán)，回收膨脹節(jié)流損失，使制冷系統(tǒng)的制冷效率得到提高。Dopazo J A等[12-13]在NH3/CO2復(fù)疊式實驗平板中，分別用了2個射流泵，使蒸發(fā)溫度升高，液體再循環(huán)倍率可以達(dá)到3以上。Minetto S等[14]將射流泵的倍量供液用于空調(diào)系統(tǒng)中，研究了蒸發(fā)器的溫度分布，結(jié)果表明，射流泵能夠適應(yīng)變工況。

本研究小組發(fā)明專利[15]“一種射流泵節(jié)流供液制冷系統(tǒng)”通過回收射流泵節(jié)流過程中的膨脹功，提高了壓縮機(jī)的回氣壓力；同時系統(tǒng)實現(xiàn)了蒸發(fā)器的倍量供液，無需使用循環(huán)液泵。為了研究射流泵節(jié)流供液制冷系統(tǒng)的凍結(jié)特性，采用熱力膨脹閥、液泵和射流泵三種不同的供液方式進(jìn)行實驗研究，測試并分析了三種供液方式對凍品品質(zhì)以及凍結(jié)裝置能耗的影響。

1 實驗系統(tǒng)

1.1 新系統(tǒng)的提出

基于射流泵能夠減少節(jié)流損失及引射低壓流體的特點，文獻(xiàn)[15]中的專利中提出了一種新型的射流泵節(jié)流供液制冷系統(tǒng)，如圖1所示。氣液分離供液桶能夠讓來自射流泵內(nèi)制冷劑兩相流中的氣體，經(jīng)壓縮機(jī)中間吸氣口返回壓縮機(jī)，而液體部分則直接進(jìn)入蒸發(fā)器。

該專利具有以下優(yōu)點：1)能夠及時將來自射流泵內(nèi)制冷劑兩相流中的氣體返回壓縮機(jī)，避免浪費(fèi)制冷劑氣體所獲得的膨脹功；2)實現(xiàn)蒸發(fā)器的純液體供液，降低了兩相制冷劑在蒸發(fā)器中的流動阻力，提高了換熱效率；3)能夠?qū)崿F(xiàn)無電泵條件下蒸發(fā)器的超倍供液，減少了電能消耗；4)結(jié)構(gòu)簡單，易于推廣應(yīng)用，可以用于各種形式的空調(diào)、制冷和低溫系統(tǒng)，達(dá)到節(jié)能目的。

圖1 射流泵節(jié)流供液制冷系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of ejector system

由于帶有中間吸氣口的壓縮機(jī)制造工藝比較復(fù)雜，實驗選取圖2所示的系統(tǒng)。與圖1不同的是：該系統(tǒng)中壓縮機(jī)沒有中間吸氣口，來自氣液分離供液桶的R22制冷劑蒸氣經(jīng)閥門降壓，與來自氣液分離循環(huán)桶的制冷劑混合后，由壓縮機(jī)吸入。雖然采用圖2所示系統(tǒng)時，沒有利用氣體得到的膨脹功，但是對壓縮機(jī)的要求不高，成本降低。

圖2 射流泵節(jié)流供液制冷系統(tǒng)原理圖(壓縮機(jī)無中間吸氣口)Fig.2 Schematic diagram of ejector system (compressor without center suction mouth)

1.2 實驗裝置

基于上述專利，搭建了平板速凍機(jī)綜合實驗臺，分別包括并聯(lián)的三種供液方式，即熱力膨脹閥供液(方式I)、液泵供液(方式II)和射流泵節(jié)流供液(方式III)，其系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

1電磁閥2手動膨脹閥3止回閥4壓差控制器5液泵 6過濾器7射流泵8冷凝器 9壓縮機(jī)10氣液分離供液桶 11回油加熱器12氣液分離循環(huán)桶13壓力傳感器 14旁通閥15速凍平板16熱力膨脹閥圖3 三種不同供液方式系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of three fluid supply systems

速凍平板的型號為PA/PF，凍結(jié)能力500 kg/次，有效蒸發(fā)面積25 m2；雙級活塞式壓縮機(jī)的型號為S6F-30.2-40P，低壓級吸氣量為101.4 m3/h；風(fēng)冷式冷凝器的型號為FNH-1.2/4；熱力膨脹閥的型號為TX2-068Z3209，蒸發(fā)溫度范圍為-60～50 ℃；液泵型號為PB40-25-160A。

射流泵由噴嘴、吸入室、混合室和擴(kuò)散室組成[16-17]，設(shè)計工況為蒸發(fā)溫度-35 ℃，冷凝溫度35 ℃，引射比0.5～2，其中實驗用射流泵的主要幾何尺寸如表1所示。

表1 射流泵主要幾何尺寸Tab.1 The main geometry of ejector

在實驗裝置的測量系統(tǒng)中，采用T型熱電偶對溫度進(jìn)行測量，測量精度為±0.5 ℃；系統(tǒng)電功率采用DZFC-1型的電能綜合分析測試儀進(jìn)行測量，功率測量精度為1.0級；測溫記錄儀表采用安捷倫34980A，每10 s記錄一次數(shù)據(jù)。

1.3 實驗臺的運(yùn)行

本實驗在冬季上海某地相鄰三天進(jìn)行，室外溫度情況幾乎相同，實驗期間的氣溫變化為8～12 ℃。凍品采用吸滿水的海綿(長方體)來進(jìn)行模擬，其厚度略大于托盤的厚度，以使平板下壓時，海綿的上表面能與板面良好接觸，從而能夠反映實際的傳熱狀況。每層平板放置6個托盤，每個托盤中含水海綿重約12.5 kg，共7層42個托盤，總計水量約500 kg，三次實驗凍品的總量和初始溫度基本一致。同時，分別在每層平板的中心區(qū)域選取1塊海綿中心布置測溫點，從最上層開始，每層一塊，共計7層，以便測量凍品中心溫度。各供液系統(tǒng)運(yùn)行原理如下：

1)采用方式I供液系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括壓縮機(jī)、冷凝器、速凍平板和熱力膨脹閥組成。首先關(guān)閉圖3中的閥門V2、V3、V4、V5、V6，打開閥門V1 (其他未做說明的閥門均是打開狀態(tài))，啟動電源，使得機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)。熱力膨脹閥將來自冷凝器中的制冷劑液體節(jié)流后，進(jìn)入平板蒸發(fā)器吸熱汽化。制冷劑蒸氣直接被壓縮機(jī)抽回，繼續(xù)循環(huán)。當(dāng)所有測溫點的溫度均降至-18 ℃時，關(guān)閉電源，實驗結(jié)束。

2)采用方式II供液系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要有壓縮機(jī)、冷凝器、速凍平板、氣液分離循環(huán)桶和液泵組成。首先關(guān)閉圖3中的閥門V1、V3、V4、V6，打開閥門V2、V5 (其他未做說明的閥門均是打開狀態(tài))，啟動電源，使得機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)。冷凝器出來的液體經(jīng)過手動節(jié)流閥節(jié)流后進(jìn)入氣液分離循環(huán)桶，桶內(nèi)制冷劑由液泵輸往平板蒸發(fā)器吸熱蒸發(fā)，蒸發(fā)形成的氣體和未蒸發(fā)的液體一并返回氣液分離循環(huán)桶被再次分離，氣體被壓縮機(jī)吸走，液體由液泵再循環(huán)。當(dāng)所有測溫點的溫度均降至-18 ℃時，關(guān)閉電源，實驗結(jié)束。

3)采用方式III供液系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要有壓縮機(jī)、冷凝器、射流泵、速凍平板、氣液分離循環(huán)桶和氣液分離供液桶組成。首先關(guān)閉圖3中的閥門V1、V2，打開閥門V3、V4、V5、V6 (其他未做說明的閥門均是打開狀態(tài))，啟動壓縮機(jī)，使機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)。運(yùn)行一段時間后，氣液分離循環(huán)桶的液態(tài)制冷劑會被射流泵抽回，經(jīng)過氣液分離供液桶分離后，液態(tài)制冷劑繼續(xù)循環(huán)供給蒸發(fā)器，而氣態(tài)制冷劑則被壓縮機(jī)抽回。當(dāng)所有測點的溫度均降到-18 ℃時，關(guān)閉電源，實驗結(jié)束。

2 實驗結(jié)果與分析

圖4～圖6分別給出了方式I、方式II和I方式II三種不同供液方式的凍品凍結(jié)的溫度曲線。凍品起始溫度均為8 ℃左右，以7個測點溫度全部降至-18 ℃時，計算凍結(jié)時間。

圖4 方式I供液凍結(jié)曲線Fig.4 The freezing curve of mode I

圖5 方式II供液凍結(jié)曲線Fig.5 The freezing curve of mode II

圖6 方式III供液凍結(jié)曲線Fig.6 The freezing curve of mode III

圖7 三種不同供液方式蒸發(fā)溫度曲線Fig.7 The evaporation temperature of three fluid supply system

通過對三種不同供液方式凍結(jié)曲線進(jìn)行對比，分析凍結(jié)時間、制冷劑流量、循環(huán)倍率、總能耗、凍結(jié)完成時凍品間最大溫差以及單位質(zhì)量凍品耗電量，結(jié)果如表2所示。

在凍結(jié)時間方面，方式I時間最長，方式II和方式III基本一致。這是因為在方式II和方式III中，平板內(nèi)制冷劑的供給量遠(yuǎn)大于蒸發(fā)量，改善了供液條件，使得平板內(nèi)表面得到充分的潤濕，增強(qiáng)了制冷劑側(cè)的對流換熱，提高了平板的換熱效率，縮短了凍結(jié)時間。雖然采用方式II供液時，循環(huán)倍率高，但從圖7可以看出，方式III供液時，制冷劑蒸發(fā)溫度低，故其與凍品之間的換熱溫差大，有利于提高凍結(jié)速率，縮短凍結(jié)時間。同時，采用方式I供液時，制冷劑蒸發(fā)溫度上下波動，而方式II和方式III呈均勻下降趨勢，故圖5和圖6的凍結(jié)曲線相對于圖4更為集中，凍品溫度波動不大，凍品溫度下降的更為均勻，縮短了凍品之間的溫差，使得凍品品質(zhì)更佳。

表2 三種供液方式凍結(jié)性能對比Tab.2 The freezing performance of three fluid supply system

另外，通過以上三組實驗數(shù)據(jù)可以看到，方式III所需能耗最少，單位質(zhì)量凍品耗電量最小。這是因為方式III所需時間最短，縮短了壓縮機(jī)、冷凝器風(fēng)機(jī)等設(shè)備的工作時間，減少了能耗；同時，射流泵能夠回收部分膨脹功，提高了蒸發(fā)器的制冷量。相比于方式II，雖然兩者之間凍結(jié)時間基本一致，但液泵工作時需消耗電能，所以其總能耗最大。

3 結(jié)論

本文對熱力膨脹閥、液泵、射流泵三種不同供液方式進(jìn)行了實驗研究，以R22為制冷劑工質(zhì)，分析了在室外溫度為10 ℃時，三種供液方式在平板速凍裝置上的凍結(jié)特性，得出了以下結(jié)論：

1)在相同的工況條件下，方式II和方式III平板中制冷劑流量大、流速高，促使制冷劑液體與管內(nèi)壁有更充分的接觸，強(qiáng)化了平板內(nèi)腔的傳熱強(qiáng)度，凍結(jié)時間相對于方式I縮短了約14%。

2)射流泵能近似等熵節(jié)流，相對于熱力膨脹閥的等焓節(jié)流，射流泵能夠回收部分膨脹功，提高了平板的制冷量。同時方式III減少了壓縮機(jī)、冷凝器等設(shè)備的工作時間，能耗相較于方式I節(jié)省了約6.3%，相較于方式II節(jié)省了約9.6%。

3)方式II和方式III能夠避免蒸發(fā)器的兩相供液，降低制冷劑蒸氣在蒸發(fā)器中的流動阻力，使蒸發(fā)器的換熱面積得到充分利用，讓凍品溫度下降更均勻，縮短了凍品間最大溫差10 ℃，改善了凍品質(zhì)量。

4)射流泵具有結(jié)構(gòu)簡單，無運(yùn)動部件，成本低廉，運(yùn)行可靠，安裝維護(hù)方便等優(yōu)點，適用于包括兩相流在內(nèi)的任何流型，而且將其應(yīng)用于制冷循環(huán)，既能提高系統(tǒng)性能，又不會增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

實驗結(jié)果表明，射流泵供液系統(tǒng)用于平板速凍制冷系統(tǒng)是可行的。今后只要在系統(tǒng)設(shè)計、輔機(jī)配套、射流泵控制自動化等方面再做改進(jìn)和提高，其應(yīng)用是大有前途的。

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About the corresponding author

Wan Jinqing, male, professor, Ph.D., College of Food Science and Technology, Shanghai Ocean University, +86 21-61900392, E-mail: jqwan@shou.edu.cn. Research fields: energy-saving technology of refrigeration systems and food preservation technology.

Experimental Comparison of Three Liquid Supply System on Plate Freezer

Cao Xiaocheng Wan Jinqing Song Liyao Li Jianguo Wang Guoqiang

(College of Food Science and Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai, 201306, China)

This paper proposes a type of ejector throttling refrigeration system (Mode III), and compares it with traditional thermal expansion valve (Mode I) and liquid pump for liquid (Mode II) through experiments. The effects of these three liquid supply modes on freezing time of food, freezing temperature difference and total energy consumption of freezer are studied experimentally. The results show that under the experimental conditions, the freezing time of Mode II & III is shorter by about 14% than Mode I, the falling of food’s temperature is more evenly, and it is good for enhancing the quality of food freezed. On the aspect of energy consumption, Mode III saves 6.3% than Mode I, and saves 9.6% than Mode II. Therefore, the advantages of liquid supply with ejector throttling are obvious.

liquid supply; ejector; freezing time; freezing temperature difference; energy consumption

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃，2012AA092301)資助項目。(The project was supported by the National High-Tech R&D Progran of China(863 Program, No.2012AA092301).)

2015年3月31日

0253- 4339(2015) 06- 0078- 05

10.3969/j.issn.0253- 4339.2015.06.078

TB657;TS254.4

A

萬金慶，男，教授，博士，上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，(021)61900392，E-mail: jqwan@shou.edu.cn。研究方向：制冷系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)與食品保鮮技術(shù)。