附加回風(fēng)隔斷裝置的冷風(fēng)機(jī)融霜試驗(yàn)

董立橋談向東厲建國(guó),2萬錦康

(1. 上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306；2. 農(nóng)業(yè)部冷庫(kù)及制冷設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心，上海 201306；3. 農(nóng)業(yè)部水產(chǎn)品貯藏保鮮質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室〔上?！?，上海 201306)

冷庫(kù)作為冷藏鏈系統(tǒng)中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，在食品的儲(chǔ)藏過程中，不僅需要在儲(chǔ)量上達(dá)到要求，更為關(guān)鍵的是在儲(chǔ)藏要求上達(dá)標(biāo)。而在冷庫(kù)內(nèi)的換熱器進(jìn)行融霜時(shí)，庫(kù)內(nèi)溫度可能受到融霜產(chǎn)生熱量的影響，發(fā)生較大的溫度波動(dòng)，這種情況的發(fā)生不僅不利于庫(kù)內(nèi)食品的存儲(chǔ)，影響食物的品質(zhì)，還會(huì)在冷庫(kù)運(yùn)行過程中消耗更多的能量[1-2]。

結(jié)霜在冷庫(kù)制冷系統(tǒng)中是常見現(xiàn)象，Sommers等[3]研究發(fā)現(xiàn)：在結(jié)霜的前期，形成的柱狀或是針狀的霜層會(huì)通過增加空氣的擾動(dòng)達(dá)到強(qiáng)化傳熱的效果。但是隨著霜層的增長(zhǎng)，霜層會(huì)呈現(xiàn)出無規(guī)則的加厚，加大冷風(fēng)機(jī)與空氣的傳熱熱阻，增加氣流流通阻力，冷風(fēng)機(jī)傳熱性能下降，制冷效率也會(huì)降低。因此，適時(shí)的除霜顯得尤為重要。冷庫(kù)中用于冷風(fēng)機(jī)的除霜方式很多，常見的有電加熱除霜、熱氣除霜、淋水法、中止制冷循環(huán)法、熱氣-水融霜法[4]，除此之外，譚海輝等[5]研究發(fā)現(xiàn)超聲除霜也是一種應(yīng)用在翅管式換熱器的高效、低能耗除霜方式。無論哪種融霜方式，融霜時(shí)所產(chǎn)生的熱量極易流入庫(kù)內(nèi)的冷環(huán)境中，破壞庫(kù)內(nèi)的溫度場(chǎng)，損失了用于融霜的熱量，增加了下一輪制冷周期的冷負(fù)荷[6-8]，除霜后再次降溫過程緩慢、能耗較大、影響庫(kù)內(nèi)物品的貯藏質(zhì)量。

鑒于以上研究，為了減少融霜產(chǎn)生的熱量對(duì)庫(kù)內(nèi)溫度場(chǎng)的影響，王棟等[6]設(shè)計(jì)了一套電動(dòng)隔斷裝置阻止融霜時(shí)熱量對(duì)周圍冷環(huán)境的影響，申江等[7]設(shè)計(jì)了一套冷風(fēng)機(jī)外圍包裹保溫材料的保溫融霜裝置。借鑒以上2種裝置的優(yōu)點(diǎn)，本試驗(yàn)針對(duì)上海海洋大學(xué)已建的-35 ℃雙級(jí)低溫冷庫(kù)中的一臺(tái)冷風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)一套可拆卸的回風(fēng)罩加出風(fēng)口蓋板的保溫隔斷裝置。通過對(duì)比不同工況下有無回風(fēng)隔斷裝置庫(kù)內(nèi)冷風(fēng)機(jī)融霜結(jié)束后內(nèi)外溫度場(chǎng)分布、融霜開始至恢復(fù)初始設(shè)定溫度庫(kù)內(nèi)溫度場(chǎng)的波動(dòng)以及電熱融霜結(jié)束后的能耗情況，驗(yàn)證回風(fēng)隔斷裝置在以上方面的優(yōu)越性。

1 試驗(yàn)裝置與方案

1.1 試驗(yàn)裝置介紹

圖1為試驗(yàn)用冷風(fēng)機(jī)外型實(shí)圖，冷風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)：翅片厚度0.35 mm、翅片間距6.35 mm、翅片總數(shù)163片、外表面?zhèn)鳠崦娣e34.1 m2、制冷機(jī)管15.88 mm×1 mm、管排數(shù)5排、分路數(shù)6路、總管數(shù)60根、風(fēng)機(jī)有2個(gè)、風(fēng)葉直徑400 mm、電機(jī)電壓380 V、單臺(tái)功率520 W。冷風(fēng)機(jī)所配的電熱融霜管規(guī)格和位置可見圖3，除霜時(shí)電熱管融霜功率為6.3 kW。在排水管道內(nèi)設(shè)有電加熱帶，用于融霜水的排出。從圖2中看出，冷風(fēng)機(jī)附加的回風(fēng)隔斷裝置分為兩部分：一部分是在冷風(fēng)機(jī)進(jìn)口增設(shè)可拆卸特殊結(jié)構(gòu)的回風(fēng)罩裝置，冷風(fēng)機(jī)外面用鋼板包圍，回風(fēng)罩與冷風(fēng)機(jī)外壁接觸處采用保溫材料；另一部分是在冷風(fēng)機(jī)出口處增設(shè)帶有出風(fēng)蓋板的保溫裝置，融霜時(shí)風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行，此時(shí)蓋板封閉，可以近似認(rèn)為空氣無法通過出風(fēng)口，起到冷熱氣流的隔斷作用。當(dāng)制冷時(shí)，蓋板在風(fēng)機(jī)的作用下再次打開。

1.2 溫度測(cè)點(diǎn)布置

本試驗(yàn)采用T型銅-康銅熱電偶進(jìn)行測(cè)量，精度為±0.5 ℃，溫度記錄儀型號(hào)為安捷倫 34972A，掃描頻率為10 s/次，購(gòu)置于是德科技(中國(guó))有限公司，采集的數(shù)據(jù)可保存在Excel表格中，用于后期的數(shù)據(jù)處理。

圖1 試驗(yàn)用冷風(fēng)機(jī)外型實(shí)圖

1. 冷風(fēng)機(jī)出風(fēng)口蓋板 2. 冷風(fēng)機(jī)出風(fēng)口 3. 風(fēng)機(jī) 4. 蒸發(fā)器 5. 回風(fēng)罩 6. 單個(gè)出風(fēng)口局部放大圖

圖2 試驗(yàn)回風(fēng)隔斷裝置原理簡(jiǎn)圖

Figure 2 Return air cover and partition device adopted in the experiment principle diagram

對(duì)于冷庫(kù)庫(kù)內(nèi)溫度場(chǎng)，由于其在水平和垂直方向上都存在著不均勻的特點(diǎn)，所以在庫(kù)內(nèi)的垂直方向會(huì)出現(xiàn)溫度梯度。由于本試驗(yàn)冷庫(kù)內(nèi)部尺寸為4.85 m×3.85 m×3.55 m(長(zhǎng)×寬×高)，對(duì)于-28 ℃以下且?guī)旆績(jī)舾咴?.5～4.0 m的冷庫(kù)，豎直方向的平均溫度值可以定義為庫(kù)體中央標(biāo)高1.5 m 處的溫度值[9]，故把測(cè)量庫(kù)體平均溫度的點(diǎn)布置在此處。

圖3和表1是熱電偶即溫度測(cè)點(diǎn)在冷風(fēng)機(jī)內(nèi)外的布置情況，溫度測(cè)點(diǎn)2、3、4、5、6點(diǎn)在冷風(fēng)機(jī)內(nèi)部，這些測(cè)點(diǎn)都在出風(fēng)蓋板的內(nèi)側(cè)按一定的間距排列，保證了在融霜時(shí)，可以精確地測(cè)量出風(fēng)蓋板封閉后冷風(fēng)機(jī)內(nèi)部的溫度分布情況；在冷風(fēng)機(jī)出風(fēng)口設(shè)置了網(wǎng)罩，方便出風(fēng)口溫度測(cè)點(diǎn)7的布置，同時(shí)在進(jìn)風(fēng)口回風(fēng)裝置的外側(cè)布置了溫度測(cè)點(diǎn)1和出風(fēng)口出風(fēng)蓋板的外側(cè)即冷庫(kù)中央布置了溫度測(cè)點(diǎn)8，這2個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)主要用于記錄冷風(fēng)機(jī)外部的溫度情況。為了數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，對(duì)于除了溫度測(cè)點(diǎn)8之外的所有測(cè)點(diǎn)，按照冷風(fēng)機(jī)左右對(duì)稱的位置分布，并且標(biāo)記為1、2、3、4、5、6、7和1′、2′、3′、4′、5′、6′、7′，最后可以取對(duì)稱點(diǎn)的均值為試驗(yàn)數(shù)據(jù)。從圖3中可以看出，各對(duì)稱測(cè)點(diǎn)高度距離冷風(fēng)機(jī)底部為32 cm，而表1中的熱電偶位置都是相對(duì)于圖3中冷風(fēng)機(jī)中軸線的相對(duì)位置，以便將融霜結(jié)束后的溫度場(chǎng)分布情況直觀地表現(xiàn)在圖4中。溫度測(cè)點(diǎn)8由于位于庫(kù)體中央，可以記錄庫(kù)內(nèi)平均溫度在整個(gè)過程中的變化情況。制冷劑出冷風(fēng)機(jī)盤管和冷風(fēng)機(jī)盤管內(nèi)平均溫度≥0 ℃可以作為各工況下融霜結(jié)束的依據(jù)，因此，溫度測(cè)點(diǎn)9布置在冷風(fēng)機(jī)盤管底部最易結(jié)霜的回路上來判定是否融霜結(jié)束[10-11]。

圖3 溫度測(cè)點(diǎn)及電加熱管分布示意圖

Figure 3 The diagram of temperature measuring point and electric heating tube distribution

表1 冷風(fēng)機(jī)內(nèi)外熱電偶的分布

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 溫度場(chǎng)對(duì)比

圖4顯示了在庫(kù)內(nèi)溫度為-18，-20，-25，-30，-35 ℃ 5種工況下，電熱融霜結(jié)束后有無回風(fēng)隔斷裝置冷風(fēng)機(jī)周圍溫度場(chǎng)的分布情況。很明顯地看出，有無此裝置冷風(fēng)機(jī)內(nèi)外溫度場(chǎng)的分布差別很大：從剛進(jìn)入冷風(fēng)機(jī)的入口區(qū)(-62.30～-6.50 cm)有回風(fēng)隔斷裝置的溫度上升趨勢(shì)明顯比無回風(fēng)隔斷裝置的趨勢(shì)陡，這是因?yàn)橛谢仫L(fēng)隔斷的系統(tǒng)從冷風(fēng)機(jī)內(nèi)部逸出的熱量大部分被回風(fēng)隔斷裝置保留在了內(nèi)部，對(duì)回風(fēng)罩外部入口處的溫度場(chǎng)影響較小，又由于冷風(fēng)機(jī)盤管入口的邊緣安裝了電加熱管，有無回風(fēng)隔斷裝置在此位置溫度相近，所以有回風(fēng)隔斷裝置的系統(tǒng)明顯比無回風(fēng)隔斷裝置的系統(tǒng)在入口處溫度爬升的斜率大。在冷風(fēng)機(jī)盤管區(qū)(-6.50～6.50 cm)，因?yàn)樵诶滹L(fēng)機(jī)盤管的邊緣兩側(cè)都安裝了電加熱管，所以此區(qū)域的溫度明顯高于其他區(qū)域的。又同一工況溫度下，電熱管功率恒定，加熱量基本一致，但無回風(fēng)隔斷裝置系統(tǒng)融霜熱量散失到庫(kù)內(nèi)冷環(huán)境的較多，導(dǎo)致融霜時(shí)間延長(zhǎng)。有回風(fēng)隔斷裝置的系統(tǒng)，因?yàn)榈撞康牟糠譄崃酷尫诺奖P管區(qū)的上半部分，在回風(fēng)隔斷裝置的作用下，熱量得以保留，所以融霜結(jié)束后有回風(fēng)隔斷裝置的盤管區(qū)溫度出現(xiàn)了峰值較高但是分布平緩的情況，同時(shí)這部分熱量用于融霜，所以融霜時(shí)間上得以縮短[12-13]。2種系統(tǒng)在風(fēng)機(jī)區(qū)(6.50～39.75 cm)和冷庫(kù)內(nèi)部(39.75～172.70 cm)溫度分布基本相同，但從位置172.70 cm的測(cè)點(diǎn)可以看出，電熱融霜結(jié)束后，有回風(fēng)隔斷裝置的庫(kù)內(nèi)平均溫度要比無回風(fēng)隔斷裝置的低了2 ℃，說明增加回風(fēng)隔斷裝置后減小了融霜過程對(duì)冷庫(kù)庫(kù)溫的影響。

圖4 電熱融霜結(jié)束后各測(cè)點(diǎn)溫度分布圖

Figure 4 The temperature distribution of measuring points when the end of the defrosting

圖5反映了各工況下融霜開始至恢復(fù)初始設(shè)定溫度過程中冷庫(kù)內(nèi)平均溫度的波動(dòng)情況?？梢钥闯觯谢仫L(fēng)隔斷裝置的系統(tǒng)比無回風(fēng)隔斷裝置的系統(tǒng)在工況為-18，-20，-25，-30，-35 ℃的溫度波動(dòng)峰值分別降低了2.67，2.71，3.50，3.47，3.78 ℃，融霜時(shí)間上也平均縮短了近6 min，說明有回風(fēng)隔斷裝置的冷風(fēng)機(jī)對(duì)冷庫(kù)內(nèi)的溫度場(chǎng)影響減小，并且在融霜能耗上有一定的節(jié)能作用。通過以上分析可知：電熱融霜結(jié)束的時(shí)間雖短，但是融霜結(jié)束后加熱管仍會(huì)繼續(xù)加熱一段時(shí)間，從冷風(fēng)機(jī)內(nèi)部溢出的熱量對(duì)庫(kù)內(nèi)的溫度場(chǎng)產(chǎn)生了強(qiáng)烈的影響，故回風(fēng)隔斷裝置在減少冷庫(kù)內(nèi)溫度場(chǎng)的波動(dòng)上起到了一定的作用。

2.2 融霜耗能對(duì)比

為了驗(yàn)證回風(fēng)隔斷裝置在融霜能耗上的節(jié)能效果，利用DZFC-1型電能綜合分析測(cè)試儀與冷庫(kù)電控設(shè)備的連接，可以得到各試驗(yàn)工況下電熱融霜過程中所需能耗，見圖6。

由圖6可知，電熱融霜能耗隨著庫(kù)溫的下降呈現(xiàn)出遞增的趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S庫(kù)溫的降低，排管翅片表面霜層加厚，向周圍散熱的溫差加大，從而融霜能量增加。增加回風(fēng)隔斷裝置后，在相同的工況下融霜能耗顯著低于未增加隔斷裝置的。從圖6中可知，在工況-18，-20，-25，-30，-35 ℃溫度下，增加回風(fēng)隔斷裝置后，電熱融霜能耗分別縮減了7.48%，12.87%，9.11%，9.85%，8.37%，其原因?yàn)樵诟髟囼?yàn)工況下，電加熱功率基本相同，融霜時(shí)間縮短，電加熱能耗降低。又加之實(shí)際運(yùn)行的冷庫(kù)系統(tǒng)不斷地進(jìn)行融霜到再降溫制冷的循環(huán)，無回風(fēng)裝置系統(tǒng)溢出的熱量成為了下一制冷周期的冷負(fù)荷，導(dǎo)致有隔斷裝置系統(tǒng)的壓縮機(jī)功率偏小[14]。因此，有回風(fēng)隔斷裝置的系統(tǒng)在電熱融霜能耗方面有突出優(yōu)勢(shì)。

圖5 各工況下有無回風(fēng)隔斷裝置融霜過程中庫(kù)內(nèi)平均溫度波動(dòng)曲線

Figure 5 The conditions for return air cover and partition device in the process of the rolls average temperature fluctuation curve

圖6 各工況溫度下有無隔斷裝置的電熱融霜能耗對(duì)比圖

Figure 6 The chart of defrosting energy consumption comparison with Insulation device or not at different working condition

3 結(jié)論

對(duì)一臺(tái)低溫庫(kù)庫(kù)內(nèi)冷風(fēng)機(jī)結(jié)霜特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過比較有無回風(fēng)隔斷裝置在庫(kù)內(nèi)工況分別為-18，-20，-25，-30，-35 ℃ 5種條件下，電熱融霜結(jié)束時(shí)冷風(fēng)機(jī)內(nèi)外溫度場(chǎng)的分布、融霜開始至恢復(fù)初始設(shè)定溫度庫(kù)內(nèi)溫度場(chǎng)的波動(dòng)以及電熱融霜結(jié)束后系統(tǒng)的能耗情況，得出以下結(jié)論：增加回風(fēng)隔斷裝置后，冷風(fēng)機(jī)盤管內(nèi)部測(cè)點(diǎn)的溫度明顯提高且分布均勻，提高了電加熱的熱量利用率，縮短了融霜時(shí)間；降低了對(duì)冷風(fēng)機(jī)外部溫度場(chǎng)的破壞，將冷庫(kù)內(nèi)溫度場(chǎng)的波動(dòng)降低了近3.2 ℃；在融霜開始至恢復(fù)初始設(shè)定溫度值時(shí)間上縮短了近360 s，電熱融霜的能耗和壓縮機(jī)功率降低，系統(tǒng)運(yùn)行的總能耗降低了近9.54%，與申江等[7]設(shè)計(jì)的附加保溫裝置得出的試驗(yàn)結(jié)論基本相同，并在縮短融霜時(shí)間上又提高了60 s，說明本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的回風(fēng)隔斷裝置在系統(tǒng)融霜過程中同樣具有降低庫(kù)內(nèi)溫度波動(dòng)以及減少融霜時(shí)間的作用，但相較于后者，回風(fēng)隔斷裝置具有易安裝、易拆卸、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

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