水產(chǎn)品蒸煮設(shè)備中CO2熱泵蒸發(fā)器仿真試驗

軒福臣， 謝 晶,2,3，顧 眾

(1 上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海冷鏈裝備性能與節(jié)能評價專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺，上海 201306；2 上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心，上海 201306；3 食品科學(xué)與工程國家級實驗教學(xué)示范中心(上海海洋大學(xué))，上海 201306)

現(xiàn)代水產(chǎn)品加工裝備的研發(fā)始于20世紀初[1]。進入21世紀，由于中國海洋漁業(yè)發(fā)展迅速，對水產(chǎn)品加工裝備的依賴程度不斷提高，使得水產(chǎn)品加工裝備向高效化、智能化、科技化快速發(fā)展[2-3]。水產(chǎn)品加工裝備以提升水產(chǎn)品的品質(zhì)、安全性、加工效率為工程技術(shù)目標(biāo)[4]。在水產(chǎn)品蒸煮加工過程中，蒸煮溫度達到100 ℃[5]，常用的水產(chǎn)品蒸煮加工裝備有燃煤鍋爐、燃氣鍋爐、燃油鍋爐、電加熱裝置、CO2熱泵裝置[6-7]。在用于水產(chǎn)品蒸煮加工的CO2熱泵中，CO2制冷劑在高壓側(cè)放熱過程中有較大的溫度變化(約80～100 ℃)，非常適合在水產(chǎn)品蒸煮加工中用于制取高溫?zé)崴甗8-9]，與其他水產(chǎn)品蒸煮加工裝備相比較，CO2熱泵具有制熱效率高、年耗費用低的優(yōu)點[10-12]，且CO2熱泵不會產(chǎn)生污染環(huán)境的氣體，可以高效連續(xù)制取高溫?zé)崴軌驖M足水產(chǎn)品蒸煮加工的要求[13-15]。蒸發(fā)器是CO2熱泵蒸煮設(shè)備中的重要部件之一，用于制冷劑與外界環(huán)境進行熱量交換，蒸發(fā)器換熱效率的高低對蒸煮設(shè)備的效率有著很大影響[16-18]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對蒸發(fā)器性能進行了大量的仿真與試驗。孫帥等[19]研究了制冷劑側(cè)流速對蒸發(fā)器換熱特性的影響，結(jié)果表明流速增加，進出口壓降變大，傳熱效果加強。Haruhiko等[20]對蒸發(fā)器換熱通道進行了設(shè)計，解決了蒸發(fā)器換熱效率低的問題。方雷等[21]對太陽能-空氣復(fù)合熱泵進行模型計算，得出了最佳的蒸發(fā)器翅片間距和翅片高度。陽豪等[22]研究得出蒸發(fā)器面積增大一倍，蒸發(fā)器表面溫度提高2.4 ℃，結(jié)霜時間減少2.89%～13.38%。蒸發(fā)溫度的變化對熱泵蒸煮裝備的結(jié)霜性能、制熱量、熱泵系數(shù)、壓縮比也有很大的影響[23-26]。

Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是基于MATLAB框圖環(huán)境，進行建模、仿真的軟件。借助Simulink動態(tài)仿真技術(shù)，在水產(chǎn)品蒸煮裝備中，以跨臨界CO2熱泵為研究對象，計算仿真熱泵蒸煮設(shè)備的結(jié)霜過程，并用蒸煮裝置進行試驗驗證，研究系統(tǒng)中蒸發(fā)溫度對結(jié)霜性能、熱泵運行的影響。

1 水產(chǎn)品蒸煮裝備與試驗方法

1.1 水產(chǎn)品蒸煮裝備

根據(jù)GB21362—2008《商業(yè)或工業(yè)用及類似用途的熱泵熱水機》[27]，搭建了水產(chǎn)品蒸煮用的跨臨界CO2熱泵試驗臺，滿足水產(chǎn)品加工需求。水產(chǎn)品蒸煮裝備由壓縮機、氣冷器、蒸發(fā)器、膨脹閥等主要部件構(gòu)成(圖1)。壓縮機采用都凌的CO2活塞式壓縮機，規(guī)格型號CD750H，額定功率5.5 kW，排氣量4.74 m3/h，運行頻率50 Hz，轉(zhuǎn)速1 450 r/min；氣冷器采用SWEP生產(chǎn)的板式換熱器，通道數(shù)為3個，翅片數(shù)量為49片；膨脹閥采用丹佛斯生產(chǎn)的CCMT4電子膨脹閥，最大開啟壓差91.8 kg/m2；蒸發(fā)器采用SWEP生產(chǎn)的翅片式蒸發(fā)器，管道材質(zhì)為銅，管道排數(shù)為4排，孔數(shù)為60個，換熱面積為3.2 m2，翅片間距3 mm，管道直徑7 mm。

1.2 水產(chǎn)品蒸煮裝備的仿真模型

基于對水產(chǎn)品蒸煮裝備運行特點的分析，引用相關(guān)文獻[28-29]，壓縮機、蒸發(fā)器結(jié)霜的數(shù)學(xué)模型見公式(1)～(4)。

霜密度變化引起的結(jié)霜量變化率：

(1)

式中：At為蒸發(fā)器的換熱面積，3.2 m2；R為水蒸氣的氣體常數(shù)，461.9 J/(kg.K)；Ts為霜層表面的溫度，K；fr為霜與冰的密度比值；λfr為霜的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·k)；DS為霜表面水蒸氣的擴散系數(shù)，0.22 cm2/s；iSV為水蒸氣的升華潛熱，J/kg；Qt換熱器的換熱量，W；V為空氣進出口換熱器的比體積差值，m3/kg。

霜厚度變化引起的結(jié)霜量(mδ)變化率：

mδ=mfr-mρ

(2)

式中：mfr為結(jié)霜變化率，g/s；mρ為霜密度變化引起的結(jié)霜量變化率，g/s。

(3)

式中：m為結(jié)霜量，g。

參考相關(guān)文獻[29]，得公式(4)。

(4)

式中：C為熱泵系數(shù)；P為壓縮機輸入功率，kW；W為制熱量，kW。

根據(jù)此水產(chǎn)品蒸煮裝備的工作原理，并依據(jù)跨臨界CO2熱泵壓縮機、蒸發(fā)器結(jié)霜的數(shù)學(xué)模型，建立了水產(chǎn)品蒸煮系統(tǒng)仿真流程圖(圖2)，該流程可對蒸煮加工裝備中的結(jié)霜變化率、結(jié)霜量、熱泵性能進行仿真計算。

1.3 試驗方法

根據(jù)浙江地區(qū)氣象資料，在恒溫恒濕(溫度5 ℃，相對濕度65%)實驗室中進行試驗。在水產(chǎn)品蒸煮裝備中，通過調(diào)節(jié)電子膨脹閥開度來改變蒸發(fā)溫度(-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃)，在壓縮機吸氣口和出氣口布置溫度測點和壓力測點，在蒸發(fā)器出口布置質(zhì)量流量測點，在蒸發(fā)器翅片表面布置溫度測點，另外，在壓縮機電路中安裝三相式多功能電表，通過數(shù)據(jù)采集儀進行監(jiān)測與采集。壓力傳感器選用壓阻式壓力傳感器，測量精度±0.5%FS(FS指全量程測量)；流量計選用玻璃轉(zhuǎn)子流量計，測量精度±0.25%；溫度傳感器選用銅康銅T型熱電偶，測量精度±0.5 ℃；電能表選用三相電子式多功能電能表，測量精度±0.5%。

仿真試驗采用控制單一變量法，改變蒸發(fā)溫度(-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃)，試驗步驟：1)運行熱泵裝置；2)改變電子膨脹閥開度，調(diào)節(jié)蒸發(fā)溫度；3)同一蒸發(fā)溫度下，從開始運行計時，每隔10 min從數(shù)據(jù)采集儀中記錄一組測點數(shù)據(jù)(吸氣溫度、排氣壓力、質(zhì)量流量、翅片表面溫度)，共記錄7組；4)同一蒸發(fā)溫度下，把7組數(shù)據(jù)分別輸入Simulink仿真框圖，計算仿真系統(tǒng)中的制熱量、熱泵系數(shù)(COP)、壓縮比、結(jié)霜性能；5)改變蒸發(fā)溫度，重復(fù)上述步驟。

熱泵化霜處理：采用熱氣旁通化霜，化霜水用托盤盛接并稱量，水的質(zhì)量可定義為結(jié)霜量(誤差±1 g)。在測量化霜水重量試驗中，改變蒸發(fā)溫度(-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃)。1)在蒸發(fā)溫度-5 ℃時，從開始運行計時， 10 min后進行化霜，記錄第一次化霜水質(zhì)量；2)從開始運行計時，運行 20 min后進行化霜，記錄第二次化霜水質(zhì)量；3)以此類推，蒸發(fā)溫度-5 ℃下，共記錄7組不同結(jié)霜時間下的化霜質(zhì)量；4)改變蒸發(fā)溫度(-10 ℃、-15 ℃)，重復(fù)上述步驟，進行化霜試驗。

1.4 數(shù)據(jù)處理

此水產(chǎn)品蒸煮加工試驗中，在同一蒸發(fā)溫度下，根據(jù)仿真的7組數(shù)據(jù)，結(jié)霜性能繪制成隨時間變化的圖表。其中，水產(chǎn)品蒸煮裝備的制熱量、熱泵系數(shù)(COP)、壓縮比選取7組數(shù)據(jù)的平均值，保留小數(shù)點后2位，并制作圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 霜密度引起的結(jié)霜量的變化

由圖3可知，不同蒸發(fā)溫度下，由霜密度變化引起的結(jié)霜量變化率隨時間的增加都呈現(xiàn)上升趨勢，且蒸發(fā)溫度越低，由霜密度變化引起的結(jié)霜量變化率越??；結(jié)霜50 min以后，結(jié)霜量變化率緩慢上升，說明由于蒸發(fā)器表面出現(xiàn)結(jié)霜，風(fēng)量的流通面積減少，單位時間內(nèi)風(fēng)量也會隨之減少，蒸發(fā)器表面熱阻增加，影響傳熱效果，此時蒸煮裝備系統(tǒng)運行效率會下降，壓縮機耗功增加，水產(chǎn)品加工系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，這與相關(guān)的研究類似[28,30]；在結(jié)霜過程中，由于霜層表面的溫度及水蒸氣分壓力為動態(tài)變化過程，從而會改變熱邊界層和擴散邊界層，水蒸氣在霜層表面凝結(jié)時，一方面增加了霜層厚度，使邊界層發(fā)生移動，另一方面，水蒸氣擴散進入霜層內(nèi)部，增加了霜層密度[31]。

2.2 霜厚度引發(fā)結(jié)霜量的變化

由圖4可知，此水產(chǎn)品蒸煮裝備中，不同蒸發(fā)溫度下，由霜厚度變化引發(fā)的結(jié)霜量變化率隨時間增加呈遞減趨勢，20～50 min期間，下降率逐漸變小，50 min以后結(jié)霜量變化率下降變緩，表明隨著霜層積累，蒸發(fā)器的流通通道變窄，單位時間內(nèi)流通風(fēng)量也會隨之減少，當(dāng)霜層積累到50 min以后，由霜厚度變化引起的結(jié)霜量變化率緩慢降低，水產(chǎn)品蒸煮裝備的制熱效率下降，加工能耗逐漸增加，這與姚楊等[28,31]研究的結(jié)霜性能變化趨勢一致。由于霜層的存在，使得蒸發(fā)器翅片表面粗糙度增加，氣流組織與蒸發(fā)器表面的摩擦力變大，從而蒸發(fā)器進出口壓差增大，壓差增大會對水產(chǎn)品蒸煮裝備的換熱效果產(chǎn)生不利影響[32]。

2.3 結(jié)霜量的變化

從圖5可知，此水產(chǎn)品蒸煮裝備中，不同蒸發(fā)溫度下，結(jié)霜量隨結(jié)霜時間的增加而增加，在結(jié)霜0～50 min期間，結(jié)霜量隨結(jié)霜時間迅速增加，50 min以后，結(jié)霜量緩慢增加，表明隨著霜層的積累，霜層的密度、厚度、熱阻都會增加，蒸發(fā)器換熱量減少，結(jié)霜量增長率會逐漸變小，結(jié)霜量變緩；蒸發(fā)溫度越低，相同時間下結(jié)霜量越多，蒸發(fā)器換熱效果下降越明顯，能耗更大；蒸發(fā)溫度-15 ℃，運行50 min時，仿真和試驗出現(xiàn)最大誤差為15 g，誤差率為9.10%，在允許誤差以內(nèi)，仿真結(jié)霜量和試驗結(jié)霜量隨時間變化的趨勢有較好的吻合性。因此，建立的Simulink仿真模型能較好仿真蒸發(fā)器的結(jié)霜狀態(tài)。

2.4 仿真與試驗對比

由表1可知，此水產(chǎn)品蒸煮裝備中，蒸發(fā)溫度從-5 ℃變化到-15 ℃，仿真中的制熱量從5.69 kW增加到6.42 kW，這說明蒸發(fā)溫度越低，制冷劑與外界環(huán)境的換熱溫差加大，換熱加劇，設(shè)備換熱量增大。此外，熱泵系數(shù)從3.23降低到2.94，壓縮比從4.79增加到5.29，這表明蒸發(fā)溫度越低，蒸發(fā)溫度與冷凝溫度之間溫差變大，壓縮機耗功增加，設(shè)備運行效率降低。其中，蒸發(fā)溫度越低，壓縮比越大，說明壓縮機運行工況惡劣，設(shè)備不穩(wěn)定性增加，這與仿真的結(jié)霜性能變化一致，制熱量、熱泵系數(shù)、壓縮比的誤差率分別控制在7.71%～8.17%、9.49%～11.79%、10.21%～11.09%。依據(jù)文獻，仿真和試驗的誤差率控制在15%以內(nèi)，說明仿真度較高[33-34]，所以本水產(chǎn)品蒸煮裝備模型的建立在水產(chǎn)品加工中具有一定的工程應(yīng)用意義。

表1 不同蒸發(fā)溫度下熱泵性能對比

3 結(jié)論

采用控制變量法，經(jīng)計算仿真和試驗驗證，可得到如下結(jié)論。在蒸發(fā)溫度-5 ℃時，熱泵系數(shù)最大，壓縮比最小，水產(chǎn)品蒸煮裝備系統(tǒng)運行狀況最優(yōu)；水產(chǎn)品蒸煮裝備在加熱水至100 ℃過程中，蒸發(fā)溫度越低，雖然此加工裝備的制熱量越大，但水產(chǎn)品加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性最低，壓縮機能耗會增加，在滿足水產(chǎn)品蒸煮需求的前提下，為提高水產(chǎn)品加工效率，減少加工過程中的蒸發(fā)器結(jié)霜量，要降低蒸發(fā)溫度；計算仿真與試驗結(jié)果最大誤差率為11.79%，建立的水產(chǎn)品蒸煮裝備Simulink仿真圖可較好反映水產(chǎn)品加工設(shè)備的性能；利用建立的水產(chǎn)品蒸煮用CO2熱泵仿真平臺，并依據(jù)蒸發(fā)溫度對水產(chǎn)品蒸煮裝備性能影響的研究，對于提升水產(chǎn)品蒸煮裝備性能及降低加工能耗具有重要意義。

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