頂置蓄冷板對冷庫融霜時庫溫波動的影響

楊 鳳 劉清江 宋瑞亭 郭 凱

(1. 天津商業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300134；2. 天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300134)

冷風(fēng)機(jī)進(jìn)行融霜過程中，部分融霜熱會耗散至冷庫內(nèi)部，使庫溫發(fā)生較大波動，不僅損害食品品質(zhì)，而且在冷庫運(yùn)行過程中會消耗更多的能量[1-3]。目前冷風(fēng)機(jī)融霜方式主要包括熱氣融霜、電加熱器除霜、人工掃霜、連續(xù)融霜、水沖霜、液體冷媒除霜[4]、復(fù)合除霜[5]、超聲除霜[6]等。但無論采取以上哪種除霜方式，都會有較多的熱負(fù)荷流入到冷庫內(nèi)，增大融霜能耗，并導(dǎo)致庫溫波動，食品品質(zhì)降低[7-8]。

針對上述問題，申江等[9]提出了一種附加保溫融霜裝置的冷風(fēng)機(jī)，發(fā)現(xiàn)保溫融霜裝置可以起到穩(wěn)定庫溫和縮短融霜時間的作用。王棟等[10-11]研究表明，附加隔斷裝置可以降低電熱除霜能耗，降低融霜時庫溫波動和融霜時間。目前，在食品冷鏈中采用蓄冷裝置是一種有效維持用冷單元低溫，降低溫度波動的方法。么宇等[12]研究發(fā)現(xiàn)，采用蓄冷板作為擱架時可以降低柜內(nèi)溫度梯度，增強(qiáng)冷藏陳列柜的保溫效果。黃榮鵬等[13]發(fā)現(xiàn)蓄冷板可以保證冷藏車內(nèi)溫度，保持更長時間的低溫，且車內(nèi)溫度分布更均勻。試驗(yàn)擬針對已有的低溫冷庫附加頂置蓄冷板，在兩臺冷風(fēng)機(jī)并聯(lián)連續(xù)融霜的基礎(chǔ)上，通過對比有無頂置蓄冷板、制冷風(fēng)機(jī)表面有無霜層時冷庫融霜庫溫波動和能耗情況，驗(yàn)證頂置蓄冷板在以上方面的優(yōu)越性，旨在為減少融霜時產(chǎn)生的熱量對庫內(nèi)溫度的影響，保障冷藏食品的存儲。

1 連續(xù)融霜系統(tǒng)概況

連續(xù)融霜系統(tǒng)工作原理如圖1所示，該系統(tǒng)是由壓縮冷凝機(jī)組、并聯(lián)冷風(fēng)機(jī)、1對熱力膨脹閥、1個能量調(diào)節(jié)閥、8個電磁閥、儲液器等輔助設(shè)備組成，系統(tǒng)通過電磁閥的啟閉改變制冷劑的流程來實(shí)現(xiàn)制冷及融霜過程。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行制冷時，電磁閥V1，V3，V6，V8開啟，能量調(diào)節(jié)閥12打開，單向閥8關(guān)閉，其余電磁閥關(guān)閉，此時冷風(fēng)機(jī)A、B并聯(lián)，達(dá)到兩臺冷風(fēng)機(jī)同時制冷的效果。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行除霜時，電磁閥V1，V3，V5，V7(或V2，V4，V6，V8)打開，單向閥8打開，電磁閥V2，V4，V6，V8(或V1，V3，V5，V7)關(guān)閉，將能量調(diào)節(jié)閥12回轉(zhuǎn)一定的角度對融霜和制冷的制冷劑流量進(jìn)行分配，冷風(fēng)機(jī)A制冷，冷風(fēng)機(jī)B融霜(或冷風(fēng)機(jī)B制冷，冷風(fēng)機(jī)A融霜)。為了準(zhǔn)確測量冷庫內(nèi)溫度場的變化情況，選取冷庫垂直高度0.0，0.7，1.4，2.0 m 4個截面布置溫度測點(diǎn)，每個截面均勻布置12個測點(diǎn)，庫內(nèi)溫度測點(diǎn)布置如圖2所示。

1. 壓縮機(jī) 2. 氣液分離器 3. 冷風(fēng)機(jī)A 4. 熱力膨脹閥 5. 冷風(fēng)機(jī)B 6. 熱力膨脹閥 7. 儲液器 8. 單向閥 9. 視液鏡 10. 干燥器 11. 截止閥 12. 能量調(diào)節(jié)閥 13. 冷凝器 14. 冷卻塔 15. 循環(huán)水泵 16. 油分離器 V1～V8. 電磁閥 T. 溫度測點(diǎn) TP. 溫度及壓力測點(diǎn)

圖2 庫內(nèi)溫度測點(diǎn)分布示意圖

2 試驗(yàn)裝置與過程

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在尺寸為2.8 m×1.8 m×2.0 m，中間包裹厚度10 cm 的聚氨酯泡沫塑料為保溫層的小型冷庫中進(jìn)行。制冷系統(tǒng)由三洋C-L228F型壓縮冷凝機(jī)組和并聯(lián)冷風(fēng)機(jī)組成，制冷工質(zhì)為R22。冷風(fēng)機(jī)蒸發(fā)總面積為15 m2，蒸發(fā)管徑16 mm，翅片厚度0.2 mm，管間距6 mm。采用熱平衡法計(jì)算制冷量，通過型號為D20型、加熱功率為15 kW 的暖風(fēng)機(jī)和功率為0.2 kW的電動調(diào)壓器控制實(shí)現(xiàn)；冷庫內(nèi)濕度控制和調(diào)節(jié)采用YLC-6Z型超聲波加濕器, 加濕量為6 kg/h?？刂乒駥?shí)現(xiàn)庫溫設(shè)置及制冷和融霜過程的切換。冷風(fēng)機(jī)前后靜壓差測量選取ZP-W型數(shù)字式微壓差計(jì)，在靠近冷風(fēng)機(jī)進(jìn)出口的中間位置布置壓力測點(diǎn)，數(shù)字微壓差計(jì)的兩個輸入管口分別用于連接進(jìn)出口的壓力測點(diǎn)，用以測量結(jié)霜過程中冷風(fēng)機(jī)前后靜壓差變化。數(shù)據(jù)采集通過熱電偶、Pt 100溫度計(jì)、MX100數(shù)據(jù)采集儀實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)中利用搭建的鐵架將蓄冷板盒拼接組裝在庫頂?shù)奈恢茫⒕鶆蚍植荚诓⒙?lián)冷風(fēng)機(jī)風(fēng)扇側(cè)。

2.2 試驗(yàn)過程

首先對冷庫進(jìn)行降溫加濕，電磁閥V1，V3，V6，V8開啟，能量調(diào)節(jié)閥打開，單向閥關(guān)閉，其余電磁閥關(guān)閉，此時并聯(lián)風(fēng)機(jī)同時制冷，待庫溫穩(wěn)定至-18 ℃時，通過加濕器對冷庫進(jìn)行加濕，濕度控制在(90±5)% RH，試驗(yàn)過程中外界環(huán)境溫度為18 ℃左右。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)微壓差計(jì)檢測值為70 Pa時，霜層結(jié)霜厚度約為3 mm結(jié)霜嚴(yán)重，微壓差計(jì)檢測值為17 Pa左右時冷風(fēng)機(jī)幾乎無霜，因此將微壓差計(jì)示數(shù)70，17 Pa分別作為觸發(fā)融霜、結(jié)束融霜的標(biāo)志。當(dāng)冷風(fēng)機(jī)B的微壓差計(jì)數(shù)達(dá)70 Pa，冷風(fēng)機(jī)A的微壓差計(jì)示數(shù)>17 Pa時，冷風(fēng)機(jī)A制冷且風(fēng)機(jī)翅片有霜，電磁閥V1，V3，V5，V7打開，單向閥8打開，能量調(diào)節(jié)閥12回轉(zhuǎn)一定角度，其余電磁閥關(guān)閉，對冷風(fēng)機(jī)B除霜。當(dāng)冷風(fēng)機(jī)A的微壓差計(jì)達(dá)70 Pa，冷風(fēng)機(jī)B的微壓差計(jì)示數(shù)<17 Pa時，冷風(fēng)機(jī)B制冷且風(fēng)機(jī)翅片有霜，電磁閥V2，V4，V6，V8打開，單向閥8打開，能量調(diào)節(jié)閥12回轉(zhuǎn)一定角度，其余電磁閥關(guān)閉，對冷風(fēng)機(jī)A進(jìn)行除霜。當(dāng)并聯(lián)冷風(fēng)機(jī)前后靜壓差都<17 Pa時，電磁閥V1，V3，V6，V8開啟，其余電磁閥關(guān)閉，單向閥8關(guān)閉，除霜結(jié)束，恢復(fù)并聯(lián)風(fēng)機(jī)制冷。記錄數(shù)據(jù)，并分析對比冷庫有無頂置蓄冷板時，不同截面溫度在4種工況下隨融霜時間的變化情況。

2.3 蓄冷板數(shù)的計(jì)算

分別按式(1)、(2)計(jì)算耗散到冷庫環(huán)境中的融霜熱和低溫相變蓄冷溶液的結(jié)冰量。

Q=Cp·m·Δt，

(1)

(2)

式中：

Q——耗散到冷庫環(huán)境的融霜熱，kJ；

Cp——庫內(nèi)空氣比熱容，kJ/(kg·℃)；

m——庫內(nèi)空氣質(zhì)量，kg；

Δt——庫溫平均波動值，℃;

V結(jié)冰——低溫相變蓄冷溶液的結(jié)冰量，m3；

ρ——低溫相變蓄冷溶液密度，kg/m3；

hfs——低溫相變蓄冷溶液相變潛熱，kJ/kg。

當(dāng)冷庫中未安裝蓄冷板時，-(18±0.5) ℃下系統(tǒng)融霜開始至結(jié)束整個過程中庫溫平均波動值△t為5.3 ℃，代入式(1)得耗散到冷庫環(huán)境中的融霜熱Q為5 423 kJ。查得低溫相變蓄冷溶液凍結(jié)溫度在-18 ℃時對應(yīng)的相變潛熱hfs為300 kJ/kg；密度ρ為1 160 kg/m3，代入式(2)得低溫相變蓄冷溶液的結(jié)冰量V結(jié)冰為0.015 61 m3。

鑒于低溫相變蓄冷溶液70%的融冰率，則實(shí)際需要的蓄冷劑量為0.022 3 m3。試驗(yàn)中所使用的蓄冷板尺寸為11.5 cm×3 cm×18 cm，因?qū)嶋H配制的蓄冷劑密度在液體和固體兩種狀態(tài)時不同，蓄冷板需預(yù)留有20%的膨脹空間，經(jīng)計(jì)算該蓄冷裝置實(shí)際由45塊蓄冷板盒組成。

3 結(jié)果與分析

3.1 冷風(fēng)機(jī)A制冷且有霜，冷風(fēng)機(jī)B融霜

圖3為庫溫-(18±0.5) ℃時，空庫和安裝蓄冷板冷庫截面溫度隨融霜時間的變化曲線。融霜過程中，兩種工況下冷庫各截面溫度變化趨勢基本一致。當(dāng)融霜時間為0～240 s時，各截面溫度變化趨于平緩，但冷庫底部的截面溫度略低于上部的截面溫度，是由于融霜初期融霜熱首先從霜層內(nèi)部以導(dǎo)熱方式融化霜層，僅少部分融霜熱經(jīng)冷風(fēng)機(jī)擴(kuò)散至庫頂上部。當(dāng)融霜時間為240～600 s時，冷庫各截面溫度上升加快，隨著融霜過程的進(jìn)行，部分霜層融化，相對較多的融霜熱擴(kuò)散到冷庫中。當(dāng)融霜時間為600～720 s時，冷庫各截面溫度趨于平緩，是由于融霜中期，冷風(fēng)機(jī)翅片表面的霜層吸收大量的融霜熱發(fā)生相變?nèi)诨伤?，因此耗散到冷庫中的熱量減少。當(dāng)融霜時間>800 s時，冷庫各截面溫度上升明顯，是由于融霜后期暴露在環(huán)境中的翅片和銅管面積增大，大量的融霜熱經(jīng)輻射和熱交換的方式擴(kuò)散至冷庫中。

由圖3可知，整個融霜過程中帶蓄冷板的冷庫各截面溫度均低于空庫。融霜最后時刻，空庫在0.0，0.7，1.4，2.0 m 4個截面處的平均溫度分別為-13.26，-13.10，-12.63，-11.62 ℃；帶蓄冷板冷庫的平均溫度分別為-14.88，-14.80，-14.36，-16.70 ℃，說明融霜結(jié)束后，帶蓄冷板冷庫的截面溫度低于空庫，且在0.0，0.7，1.4，2.0 m 4個截面處的溫度波動值分別降低了31.0%，31.5%，30.5%，78.6%。帶蓄冷板冷庫在2 m截面處的溫度變化緩慢，且溫度最低，是由于融霜過程中，蓄冷板中的低溫蓄冷劑通過相變吸收了上升至庫頂?shù)娜谒獰?。綜上，冷庫頂部設(shè)置蓄冷板能減少在融霜過程中融霜熱向冷庫擴(kuò)散，穩(wěn)定庫內(nèi)溫度。

圖3 有無蓄冷板融霜過程中冷庫各截面溫度波動曲線

圖4為庫溫-(18±0.5) ℃時，空庫和安裝蓄冷板冷庫截面溫差隨融霜時間的變化曲線。兩種工況下，0.0，0.7，1.4 m 3個截面處的溫差變化趨勢基本一致，2.0 m截面處的溫差變化較大。融霜初期，帶頂置蓄冷板冷庫在2.0 m截面處的溫差為0 ℃，整體變化趨勢較為平緩，是由于蓄冷板中固液兩態(tài)的低溫蓄冷劑吸收擴(kuò)散至庫頂?shù)拇蟛糠秩谒獰岚l(fā)生相變，且相變過程中持續(xù)吸收融霜熱，因此庫頂截面溫差變化緩慢。帶蓄冷板冷庫和空庫在0.0，0.7，1.4，2.0 m截面處的溫差分別相差1.54，1.63，1.75，5.01 ℃，說明帶蓄冷板冷庫的上方區(qū)域受融霜熱的影響較大，進(jìn)一步表明附加頂置蓄冷板對冷庫底層的溫度影響較小，利于庫內(nèi)食品的貯藏；2.0 m截面處的溫差由6.33 ℃減小至1.32 ℃，說明利用蓄冷板中低溫蓄冷劑的相變特性吸收了較多融霜熱。

圖4 有無蓄冷板融霜過程中冷庫各截面溫差波動曲線

3.2 冷風(fēng)機(jī)B制冷且無霜，冷風(fēng)機(jī)A融霜

冷風(fēng)機(jī)B融霜結(jié)束后，需開啟冷風(fēng)機(jī)B，對滯留在冷風(fēng)機(jī)B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)行至溫度場穩(wěn)定，冷風(fēng)機(jī)A微壓差示數(shù)達(dá)到70 Pa，冷風(fēng)機(jī)B微壓差計(jì)示數(shù)<17 Pa，此時在制冷風(fēng)機(jī)無霜狀態(tài)下，研究融霜熱對空庫和帶蓄冷板溫度場的影響。

由圖5可知，在制冷風(fēng)機(jī)有無霜層時，帶蓄冷板冷庫和空庫的截面溫度變化趨勢基本一致。主要區(qū)別在于，相對于制冷風(fēng)機(jī)有霜狀態(tài)下，空庫的制冷風(fēng)機(jī)在無霜時融霜時間縮短了165 s；帶蓄冷板冷庫的制冷風(fēng)機(jī)在無霜時融霜時間縮短了163 s。融霜最終時刻，制冷風(fēng)機(jī)無霜時帶蓄冷板冷庫在0.0，0.7，1.4，2.0 m截面處的溫度分別減小了1.00，0.92，1.04，0.12 ℃。這是由于在制冷風(fēng)機(jī)有霜狀態(tài)下，冷風(fēng)機(jī)表面的霜層形成一層熱阻，減小制冷工質(zhì)與翅片側(cè)空氣的換熱量，導(dǎo)致流入融霜冷風(fēng)機(jī)管路的制冷工質(zhì)流量減少，延長融霜時間，使融霜結(jié)束后庫內(nèi)溫度波動較大，說明制冷風(fēng)機(jī)在無霜狀態(tài)下進(jìn)行融霜，可以減小庫內(nèi)溫度波動，并且縮短融霜時間。

圖5 有無蓄冷板融霜過程中冷庫各截面溫度波動曲線

由圖6可知，帶蓄冷板冷庫和空庫的截面溫差在制冷風(fēng)機(jī)有無霜層時的變化趨勢基本一致，但制冷風(fēng)機(jī)無霜時的各截面溫差低于制冷風(fēng)機(jī)有霜時的各截面溫差，且融霜時間縮短，說明在冷庫連續(xù)融霜系統(tǒng)中，制冷風(fēng)機(jī)在無霜時更利于減小庫溫波動，融霜能耗更低。

圖6 有無蓄冷板融霜過程中冷庫各截面溫差波動曲線

3.3 庫內(nèi)溫度分析

由圖7可知，4種工況下，融霜過程中庫內(nèi)整體溫度隨融霜時間的變化趨勢基本一致。融霜最終時刻，在制冷風(fēng)機(jī)有霜狀態(tài)下，空庫的庫內(nèi)溫度為-12.64 ℃，安裝蓄冷板的冷庫庫內(nèi)溫度為-15.16 ℃，安裝蓄冷板的冷庫比空庫時的庫溫波動減小了2.52 ℃；在制冷風(fēng)機(jī)無霜狀態(tài)下，空庫的庫內(nèi)溫度為-13.00 ℃，安裝蓄冷板的冷庫庫內(nèi)溫度為-15.94 ℃，安裝蓄冷板的冷庫比空庫時的庫溫波動減小了2.94 ℃；與制冷風(fēng)機(jī)有霜狀態(tài)下相比，制冷風(fēng)機(jī)在無霜狀態(tài)下的融霜時間縮短了近170 s。以上分析從整體說明了帶蓄冷板冷庫在融霜過程中庫溫波動可降低近3 ℃，且制冷風(fēng)機(jī)在無霜狀態(tài)下進(jìn)行融霜可以更好地減小庫溫波動，縮短融霜時間。

圖7 各工況下有無蓄冷板融霜過程中庫內(nèi)溫度波動曲線

3.4 融霜能耗分析

由于系統(tǒng)采用定頻融霜，融霜時間與融霜能耗呈正比。由圖3可知，冷風(fēng)機(jī)B融霜，冷風(fēng)機(jī)A制冷且有霜狀態(tài)下，空庫與頂置蓄冷板冷庫融霜時間分別為1 085，1 100 s，頂置蓄冷板冷庫融霜時間降低了1.36%，則冷庫融霜能耗降低了1.36%。由圖5可知，冷風(fēng)機(jī)A融霜，冷風(fēng)機(jī)B制冷且無霜狀態(tài)下，空庫與頂置蓄冷板冷庫融霜時間分別為920，937 s，頂置蓄冷板融霜時間降低了1.81%，則頂置蓄冷板冷庫融霜能耗降低了1.81%。

4 結(jié)論

基于連續(xù)融霜的冷庫，研究了增加頂置蓄冷板對冷庫融霜時庫溫波動、融霜能耗的影響。結(jié)果表明：制冷風(fēng)機(jī)有霜時，頂置蓄冷板冷庫比空庫在0.0，0.7，1.4，2.0 m 4個截面處的溫度波動分別降低了31.0%，31.5%，30.5%，78.6%，庫溫波動減小了2.52 ℃，融霜能耗減小了1.36%；制冷風(fēng)機(jī)無霜時，頂置蓄冷板冷庫比空庫在4個截面處的溫度波動分別降低了49.0%，47.8%，48.1%，78.7%，庫溫波動減小了2.94 ℃，融霜能耗減小了1.81%。說明頂置蓄冷板在融霜過程中可以有效降低融霜熱對庫溫波動的影響；制冷風(fēng)機(jī)在無霜狀態(tài)下進(jìn)行融霜可以更好地減小庫溫波動且降低融霜耗能，對保證冷庫貯藏食品品質(zhì)有重要意義。后續(xù)可以研究風(fēng)機(jī)翅片側(cè)安裝蓄冷板對庫溫波動的影響，探究蓄冷板最佳安裝方式以最大程度降低冷庫融霜時的庫溫波動。