頂置蓄冷板減少融霜熱對(duì)冷庫溫度場(chǎng)的試驗(yàn)研究

（天津商業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，天津 300134）

0 引言

冷庫作為一種應(yīng)用廣泛的低溫冷凍冷藏設(shè)備，其良好的運(yùn)行性能是冷藏食品品質(zhì)的保障［1］，制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器表面溫度低于0 ℃時(shí)，翅片和銅管表面就會(huì)析出霜層［2］，作為冷庫運(yùn)行中存在的一種普遍現(xiàn)象，結(jié)霜嚴(yán)重時(shí)，不僅會(huì)增加冷庫運(yùn)行能耗，還會(huì)影響食品的儲(chǔ)藏品質(zhì)。所以除霜技術(shù)在冷庫系統(tǒng)中尤為關(guān)鍵。

針對(duì)于此，國內(nèi)外研究人員對(duì)除霜技術(shù)做了許多方面的研究。Mohammed等［3-7］總結(jié)了適用于制冷和熱泵行業(yè)的除霜技術(shù)，包括熱氣融霜，連續(xù)融霜和液體冷媒融霜等技術(shù)。Machielsen等［8］對(duì)霜在蒸發(fā)器表面形成的機(jī)理進(jìn)行了研究，并分析了結(jié)霜帶來的危害以及如何確定除霜的起始點(diǎn)。為了解決傳統(tǒng)電熱融霜（EHD）方法存在的問題，Yin等［8］提出了一種新型的帶空氣旁路循環(huán)和電加熱器的除霜方法。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的EHD方法相比，該方法的除霜時(shí)間縮短了62.1%，除霜能耗降低了61.0%。劉訓(xùn)海等［11］對(duì)低溫冷庫電熱融霜與熱氣融霜進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，熱氣融霜要比電熱融霜節(jié)能90%。趙育川［12］對(duì)熱氣融霜系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：雖然熱氣融霜比電熱融霜節(jié)能，但是在融霜后期，融霜熱會(huì)通過銅管輻射的方式將熱量傳遞到冷庫中，從而引起庫溫較大的波動(dòng)。申江等［11］提出了一種在冷庫冷風(fēng)機(jī)中增設(shè)保溫融霜裝置的方法，試驗(yàn)結(jié)果表明，保溫融霜裝置在融霜過程中能夠起到減小庫溫的波動(dòng)和縮短融霜時(shí)間的作用。

現(xiàn)階段所應(yīng)用的除霜方式，都會(huì)造成除霜熱進(jìn)入到冷庫環(huán)境，造成庫溫的波動(dòng)，目前對(duì)融霜熱造成庫溫波動(dòng)較大的研究和解決方案相對(duì)較少，基于上述狀況，本文在連續(xù)融霜的基礎(chǔ)上，研究通過在庫頂安裝蓄冷板的方式減小融霜熱對(duì)冷庫溫度場(chǎng)的影響。

1 連續(xù)融霜制冷系統(tǒng)介紹

連續(xù)融霜系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，系統(tǒng)由2個(gè)并聯(lián)的冷風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、冷卻系統(tǒng)、1對(duì)膨脹閥、8個(gè)電磁閥、1個(gè)能量調(diào)節(jié)閥以及儲(chǔ)液器等輔助設(shè)備組成。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)原理

制冷過程：電磁閥①③⑥⑧及能量調(diào)節(jié)閥開啟，其余電磁閥關(guān)閉，單向閥關(guān)閉，制冷系統(tǒng)中2個(gè)并聯(lián)的冷風(fēng)機(jī)同時(shí)開啟，達(dá)到2個(gè)冷風(fēng)機(jī)同時(shí)制冷的效果。

融霜過程：1#冷風(fēng)機(jī)進(jìn)行融霜時(shí)，此時(shí)需要打開電磁閥②④⑥⑧，打開單向閥，關(guān)閉電磁閥①③⑤⑦，并將能量調(diào)節(jié)閥回轉(zhuǎn)一定的角度，此時(shí)能量調(diào)節(jié)閥需要對(duì)融霜和制冷的制冷劑流量進(jìn)行分配，在融霜過程中，來自壓縮機(jī)出口高溫高壓的制冷劑一部分經(jīng)截止閥④進(jìn)入1#冷風(fēng)機(jī)進(jìn)行融霜，冷卻降溫后經(jīng)電磁閥②進(jìn)入儲(chǔ)液器，另一部分高溫高壓的制冷劑經(jīng)能量調(diào)節(jié)閥后繼續(xù)用于2#冷風(fēng)機(jī)的制冷，此時(shí)的1#冷風(fēng)機(jī)相當(dāng)于冷凝器，與2#冷風(fēng)機(jī)串聯(lián)。1#冷風(fēng)機(jī)融霜結(jié)束后，此時(shí)需要打開電磁閥①③⑤⑦，關(guān)閉電磁閥②④⑥⑧，對(duì)2#冷風(fēng)機(jī)進(jìn)行除霜。此時(shí)1#冷風(fēng)機(jī)繼續(xù)制冷，2#冷風(fēng)機(jī)相當(dāng)于冷凝器。

表1 測(cè)量?jī)x器及其精度

2 試驗(yàn)裝置和過程

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)是在外形尺寸為2.8 m×1.8 m×2 m，壁厚為0.1 m，中間隔熱材料為聚氨酯泡沫塑料的小型冷庫中進(jìn)行的。制冷系統(tǒng)中，壓縮機(jī)采用三洋C-L228F壓縮機(jī)冷凝機(jī)組，額定功率為2.2 kW，制冷劑采用R22。采用2個(gè)蒸發(fā)面積都為7.5 m2的冷風(fēng)，翅片厚度、管間距、管徑分別為0.2，6.0，16.0 mm。試驗(yàn)中制冷量的測(cè)量采用熱平衡法，采用功率為0.2 kW的調(diào)壓器對(duì)型號(hào)為D20的暖風(fēng)機(jī)控制實(shí)現(xiàn)。冷庫內(nèi)濕度控制采用加濕量為6 kg/h的YLC-6Z的超聲波加濕器。試驗(yàn)中冷庫溫度的控制、制冷和融霜的切換通過控制柜實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)中所用的低溫相變的蓄冷裝置，經(jīng)計(jì)算由45塊尺寸為11.5 cm×3 cm×18 cm的蓄冷板盒組成。

2.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)開始前，對(duì)冷庫進(jìn)行漏冷試驗(yàn)以及熱電偶溫度的標(biāo)定。首先進(jìn)行沒有安裝蓄冷板的空庫在-18 ℃下的試驗(yàn)，對(duì)冷庫通入加濕器加濕，濕度控制在90±5%之內(nèi)，當(dāng)2個(gè)冷風(fēng)機(jī)達(dá)到除霜要求時(shí)，1臺(tái)風(fēng)機(jī)融霜，另1臺(tái)風(fēng)機(jī)繼續(xù)制冷。觀察記錄冷庫4個(gè)截面溫度的變化。接著在同種工況下對(duì)設(shè)有蓄冷板冷庫進(jìn)行試驗(yàn)，觀察記錄冷庫截面溫度的變化，然后對(duì)比冷庫在0，0.7，1.4，2.0 m截面溫度隨融霜時(shí)間的變化。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 1#風(fēng)機(jī)制冷且有霜，2#風(fēng)機(jī)制冷

圖3，4分別示出在-18±0.5 ℃庫溫下，空庫和帶蓄冷板冷庫截面溫度隨融霜時(shí)間的變化曲線。冷庫各截面溫度在空庫和帶蓄冷板2種工況下的變化趨勢(shì)基本一致。融霜初期（220 s之前），冷庫各截面溫度變化不大，且冷庫底部的截面溫度略低于冷庫上部的截面溫度，這是因?yàn)樵诔跗谌谒獰嵋詫?dǎo)熱的方式從霜層內(nèi)部融化霜層，僅有少部分融霜熱由風(fēng)機(jī)經(jīng)庫頂上部擴(kuò)散。進(jìn)入到220～600 s時(shí)間段，冷庫各截面溫度上升明顯，此時(shí)部分霜層融化，較多的熱量釋放到冷庫中。融霜中期（600～750 s），冷庫各截面溫度上升速率平緩，這表明風(fēng)機(jī)表面的大部分霜層吸收大量的熱量發(fā)生相變?nèi)诨癁樗?，使得耗散到冷庫中的熱量再一次減少。融霜后期（800 s以后），冷庫各截面溫度大幅度增大，是因?yàn)楸┞对诳諝庵械某崞豌~管面積隨融霜時(shí)間增大，所以大量的融霜熱經(jīng)熱輻射的方式釋放到冷庫中。

圖3 空庫截面溫度

圖4 帶蓄冷板的冷庫截面溫度

對(duì)比圖3，4可以發(fā)現(xiàn)，帶蓄冷板的冷庫各截面溫度在整個(gè)融霜過程中都要低于空庫各截面的溫度。在融霜結(jié)束之后，空庫在各截面（0，0.7，1.4，2.0 m）的平均溫度分別為 -13.31，-13.17，-12.67，-11.67 ℃；帶蓄冷板的冷庫各截面（0，0.7，1.4，2.0 m）的平均溫度分別為 -14.80，-14.85，-14.42，-16.68 ℃。帶蓄冷板的冷庫在2 m處的截面溫度最低，且變化緩慢，這是因?yàn)槔滹L(fēng)機(jī)融霜時(shí)，上升到庫頂?shù)娜谒獰岜恍罾浒逦眨沟? m截面處的溫度變化最小。綜合上述情況說明在冷庫頂部設(shè)置蓄冷板能夠有效減小融霜熱向冷庫擴(kuò)散，從而減小了融霜熱對(duì)冷庫溫度場(chǎng)的影響，保障冷凍食品的品質(zhì)。

圖5，6分別示出1#風(fēng)機(jī)和2#風(fēng)機(jī)中軸線處的溫度在不同時(shí)刻隨測(cè)點(diǎn)位置的變化趨勢(shì)。測(cè)點(diǎn)位于蓄冷板底部下約1 mm處。1#風(fēng)機(jī)為制冷風(fēng)機(jī)，2#風(fēng)機(jī)為融霜風(fēng)機(jī)。

圖5 1#中軸線位置蓄冷板底部溫度

圖6 2#中軸線位置蓄冷板底部溫度

由圖5可知在整個(gè)融霜過程中，測(cè)點(diǎn)溫度隨遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)距離的增大依次升高。在融霜開始時(shí)，由于沒有融霜熱，制冷風(fēng)機(jī)處各測(cè)點(diǎn)的溫度保持一致均為-18 ℃；融霜到400 s時(shí)，溫度上升幅度很小；融霜至800 s時(shí)，測(cè)點(diǎn)的溫度有較大的提高，融霜進(jìn)行到后期1 000～1 200 s時(shí)，測(cè)點(diǎn)溫度的變化急劇增大。在融霜結(jié)束時(shí)刻，靠近制冷風(fēng)機(jī)處測(cè)點(diǎn)的溫度為-17.98 ℃，這是因?yàn)槔滹L(fēng)機(jī)吹出的冷風(fēng)首先到達(dá)測(cè)點(diǎn)8處，所以測(cè)點(diǎn)8處的溫度一直接近于-18 ℃。

由圖6可知，在整個(gè)融霜過程中，靠近融霜風(fēng)機(jī)測(cè)點(diǎn)的溫度高，遠(yuǎn)離融霜風(fēng)機(jī)測(cè)點(diǎn)的溫度低，測(cè)點(diǎn)16，17的溫度變化幅度較大，測(cè)點(diǎn)9～16的溫度變化比較平緩，這是因?yàn)槿谒獰峥拷谒L(fēng)機(jī)的測(cè)點(diǎn)17，16先接觸到融霜風(fēng)機(jī)的熱量，隨著融霜熱與后面蓄冷板大面積換熱，導(dǎo)致后面測(cè)點(diǎn)的溫度不會(huì)發(fā)生較大的變化。融霜結(jié)束后，靠近融霜風(fēng)機(jī)測(cè)點(diǎn)17的溫度和遠(yuǎn)離融霜風(fēng)機(jī)測(cè)點(diǎn)9的溫度相差2.56 ℃，1#風(fēng)機(jī)末端測(cè)點(diǎn)1到0和2#風(fēng)機(jī)末端測(cè)點(diǎn)10到9的溫差分別為0.04 和0.01 ℃。這表明頂置蓄冷板能夠有效地吸收融霜過程中的熱量，降低融霜熱對(duì)冷庫溫度場(chǎng)的影響。

3.2 2#風(fēng)機(jī)制冷且無霜，1#風(fēng)機(jī)制冷

2#風(fēng)機(jī)融霜結(jié)束后，需要開啟2#風(fēng)機(jī)，對(duì)滯留在2#冷風(fēng)機(jī)表面的水滴進(jìn)行清理，防止結(jié)成冰層。然后冷庫重新制冷，蓄冷板重新凍結(jié)。

當(dāng)冷庫再次運(yùn)行至溫度場(chǎng)穩(wěn)定，1#風(fēng)機(jī)微壓差示數(shù)達(dá)到70 Pa，2#微壓差計(jì)示數(shù)達(dá)到19 Pa，此時(shí)在制冷風(fēng)機(jī)無霜狀態(tài)下，融霜熱對(duì)空庫和帶蓄冷板溫度場(chǎng)影響進(jìn)行試驗(yàn)分析。結(jié)果如圖7，8所示。

圖7 空庫截面溫度

圖8 帶蓄冷板的冷庫截面溫度

由圖7，8分析知，空庫和帶蓄冷板的冷庫截面溫度在制冷風(fēng)機(jī)有無霜層時(shí)的變化趨勢(shì)基本相同。主要區(qū)別為，空庫制冷風(fēng)機(jī)在無霜狀態(tài)下的融霜時(shí)間比在有霜狀態(tài)下縮短165 s；帶蓄冷板的冷庫制冷風(fēng)機(jī)在無霜狀態(tài)下的融霜時(shí)間比在有霜狀態(tài)下縮短163 s。由于融霜時(shí)間縮短，在無霜狀態(tài)下，帶蓄冷板的冷庫各截面（0，0.70，1.04，0.12 m）融霜終了時(shí)刻的溫度相比于有霜狀態(tài)下分別提高1.00，0.92，1.04，0.12 ℃。造成這種情況的原因是，制冷風(fēng)機(jī)上的霜層相當(dāng)于一層熱阻，減小了制冷劑和流經(jīng)翅片空氣的換熱量，導(dǎo)致供給融霜風(fēng)機(jī)的制冷劑流量減少，延長了融霜時(shí)間。使得制冷風(fēng)機(jī)有霜時(shí)融霜結(jié)束后庫溫的波動(dòng)要大一些。

與圖5，6的工作狀態(tài)不同，圖9和10表示的是1#風(fēng)機(jī)融霜2#風(fēng)機(jī)制冷，且2#制冷風(fēng)機(jī)翅片上近乎無霜狀態(tài)。整體溫度變化趨勢(shì)與圖5，6一致。

圖9 1#中軸線位置蓄冷板底部溫度

圖10 2#中軸線位置蓄冷板底部溫度

由圖9可知，在整個(gè)融霜過程中，靠近融霜風(fēng)機(jī)測(cè)點(diǎn)的溫度高，遠(yuǎn)離融霜風(fēng)機(jī)測(cè)點(diǎn)溫度低。對(duì)比圖6有霜狀態(tài)時(shí)融霜風(fēng)機(jī)中軸線各測(cè)點(diǎn)溫度可得：圖9中各測(cè)點(diǎn)融霜終了時(shí)刻的溫度整體低于圖6各測(cè)點(diǎn)的溫度。由圖10可知，在整個(gè)融霜過程中，測(cè)點(diǎn)的溫度隨遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)距離的增大依次升高。對(duì)比圖5有霜狀態(tài)時(shí)制冷風(fēng)機(jī)中軸線各測(cè)點(diǎn)溫度可得：圖10中各測(cè)點(diǎn)融霜終了時(shí)刻的溫度整體低于圖5各測(cè)點(diǎn)的溫度。造成此種現(xiàn)象的原因是，2#風(fēng)機(jī)融霜時(shí)，1#風(fēng)機(jī)有霜層，霜層減小了冷風(fēng)機(jī)與環(huán)境的換熱量，進(jìn)入制冷風(fēng)機(jī)的制冷劑流量增大，進(jìn)入融霜風(fēng)機(jī)的制冷劑流量減小，最終融霜時(shí)間的增加會(huì)導(dǎo)致庫溫的波動(dòng)增加。

3.3 空庫溫度

圖11，12分別示出制冷風(fēng)機(jī)有霜和無霜條件下，帶蓄冷板的冷庫和空庫整體溫度隨融霜時(shí)間的變化趨勢(shì)。對(duì)比圖11，12可知：在融霜時(shí)制冷風(fēng)機(jī)有霜和無霜兩種條件下，庫內(nèi)溫度隨融霜時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致。在融霜的終了時(shí)刻，冷風(fēng)機(jī)有霜條件時(shí)，帶蓄冷板的冷庫要比空庫的庫溫波動(dòng)減小2.49 ℃，冷風(fēng)機(jī)無霜條件時(shí)，帶蓄冷板的冷庫要比空庫的庫溫波動(dòng)減小2.92 ℃。區(qū)別在于：制冷風(fēng)機(jī)在無霜條件下的融霜時(shí)間要比制冷風(fēng)機(jī)有霜條件下減少160 s。上述分析從整體說明了帶蓄冷板的冷庫可以減小融霜熱對(duì)庫溫波動(dòng)的影響，并且制冷風(fēng)機(jī)無霜狀態(tài)下進(jìn)行融霜可以進(jìn)一步降低庫溫的波動(dòng)。

圖11 冷庫整體溫度變化（制冷風(fēng)機(jī)無霜）

圖12 冷庫整體溫度變化（制冷風(fēng)機(jī)有霜）

3.3 融霜能耗對(duì)比分析

對(duì)比圖3，4，2#風(fēng)機(jī)融霜，1#風(fēng)機(jī)制冷且有霜狀態(tài)下有蓄冷板的融霜時(shí)間較長，空庫狀態(tài)下時(shí)間短一些，系統(tǒng)采用定頻融霜，所以相同融霜功率的條件下，融霜時(shí)間越長融霜能耗也就越大。對(duì)于空庫而言，制冷風(fēng)機(jī)有霜狀態(tài)融霜時(shí)間為1 085 s，對(duì)于庫頂安裝蓄冷板而言，制冷風(fēng)機(jī)有霜狀態(tài)融霜時(shí)間為1100 s，則融霜時(shí)間增加的比例為C=（1 100-1 085）/1 100=1.36%，安裝蓄冷板融霜能耗增加的比例僅有1.36%，蓄冷板對(duì)融霜能耗的影響可以忽略不計(jì)。

對(duì)比圖5和6，1#風(fēng)機(jī)融霜，2#風(fēng)機(jī)制冷且無霜狀態(tài)下，對(duì)于空庫而言，制冷風(fēng)機(jī)無霜狀態(tài)融霜時(shí)間為920 s，對(duì)于庫頂安裝蓄冷板而言，制冷風(fēng)機(jī)無霜狀態(tài)融霜時(shí)間為937 s，則融霜時(shí)間增加的比例可以計(jì)算為C=（937-920）/ 937=1.81%，安裝蓄冷板融霜能耗增加的比例僅有1.81%，同樣可以忽略不計(jì)安裝蓄冷板時(shí)對(duì)融霜能耗的影響。

4 結(jié)論

（1）在冷庫的除霜過程中，安裝蓄冷板的冷庫各截面溫度都要低于無蓄冷板時(shí)冷庫各截面處的溫度。所以冷庫頂置蓄冷板能夠有效降低融霜熱對(duì)庫溫波動(dòng)的影響。

（2）制冷風(fēng)機(jī)在有霜狀態(tài)下，安裝蓄冷板冷庫的庫溫波動(dòng)比無蓄冷板時(shí)減小2.49 ℃，融霜能耗增加1.36%；制冷風(fēng)機(jī)無霜狀態(tài)下，安裝蓄冷板冷庫的庫溫波動(dòng)比無蓄冷板時(shí)減小2.92 ℃，融霜能耗增加1.81%，安裝蓄冷板后，雖然融霜能耗小幅增加，但庫溫波動(dòng)的降低，滿足了冷凍冷藏行業(yè)對(duì)果蔬各類產(chǎn)品更好品質(zhì)的要求。