蓄冷板對冷庫融霜溫度波動影響的模擬及試驗研究

郭 凱，劉清江，宋瑞亭

（天津商業(yè)大學機械工程學院，天津市制冷技術(shù)重點實驗室，天津300134）

冷庫性能的高低直接影響貯藏食品的品質(zhì)，而除霜是冷庫不可避免的。目前的除霜方式很多，有人工掃霜、鹽水沖霜、電加熱除霜[1]、熱氣除霜[2]、液體冷媒除霜[3]、超聲波除霜[4-5]、電磁場除霜等，但是在融霜過程中，融霜熱會逸散到冷庫空間中，造成庫溫劇烈波動，嚴重影響貯藏食品的品質(zhì)。

為解決融霜過程中庫溫劇烈波動的問題，馮海等[6]采用除霜完成后延時開啟冷風機的方法來降低庫溫波動；董立橋等[7]在利用電熱融霜方法時，通過使用回風隔斷裝置來穩(wěn)定溫度場；楊鳳等[8]研究發(fā)現(xiàn)，對于連續(xù)融霜的冷庫，壓縮機變頻運行可以降低融霜時的溫度梯度；王棟等[9]在冷風機風扇側(cè)加裝防火布，阻隔融霜熱向庫內(nèi)擴散；申江等[10]則在冷風機進出風口處安裝保溫融霜裝置，減少融霜熱向冷庫的擴散量。

隨著人們對貯藏食品品質(zhì)要求的提高，蓄冷技術(shù)在冷藏行業(yè)中越來越重要，使用蓄冷板既可以保證食品的質(zhì)量，又可以節(jié)約能源[11]。田津津等[12]研究發(fā)現(xiàn)，蓄冷板吸收熱量的速度隨外界溫度的升高而升高。本文使用數(shù)值模擬預判蓄冷板對解決連續(xù)融霜冷庫溫度波動較大的問題是否有作用，并通過試驗研究了有、無蓄冷板及制冷風機是否結(jié)霜情況下的溫度場變化，探究蓄冷板對冷庫融霜波動的影響。

1 材料與方法

1.1 儀器與設備

連續(xù)融霜制冷系統(tǒng)（由三洋C-L228F壓縮機組以及并聯(lián)冷風機組構(gòu)成），制冷劑（R22），蓄冷板（采用無機鹽類相變蓄冷介質(zhì)，共45塊，搭建鐵架將蓄冷板均勻3排布置在庫頂靠近風扇側(cè)），D20暖風機（風量為2 200 m3/h，風速為4 m/s，加熱功率為15 kW），控制柜（控制冷庫溫度），銅-康銅T型熱電偶（溫度采集，測溫范圍為-200～400℃，精度為±1℃），GP10橫河無紙記錄儀（數(shù)據(jù)收集，記錄周期為1 s），EE23溫濕度傳感器（濕度采集，濕度測量范圍為0～100%RH，精度為±2% RH），ZP-W數(shù)字式微壓計（冷風機前后壓差數(shù)據(jù)采集），TLC-6Z超聲波加濕器（庫內(nèi)濕度的調(diào)控，加濕量為6 kg/h，功率為600 kW），熱敏風速儀（冷風機風速的測定，量程為0～20 m/s，分辨率為0.01 m/s）。

1.2 方法

1.2.1 冷庫融霜過程數(shù)值模擬

計算流體力學（CFD）主要應用于模擬預測室內(nèi)外或設備內(nèi)的空氣或其他工質(zhì)流體的流動情況，使用ANSYS Fluent軟件對帶有蓄冷板的冷庫融霜過程進行瞬態(tài)模擬。同時作如下假設：

（1）蓄冷板內(nèi)介質(zhì)溫度一致且恒定。

（2）不考慮銅管和蓄冷板壁面的軸向?qū)帷?/p>

（3）銅管和蓄冷板外表面與周圍空氣均勻吸（放）熱。

（4）冷風機進出口處的制冷劑參數(shù)保持不變。

（5）兩臺冷風機內(nèi)部不做任何處理，將翅片側(cè)和風扇側(cè)的整面作為出口和進口邊界條件。

（6）拼接的蓄冷板之間的空隙忽略，將其視為一個整體。

（7）冷庫內(nèi)空氣采用不可壓縮的理想氣體。

（8）忽略空庫內(nèi)的熱電偶導線、溫濕度傳感器導線及支撐裝置等對氣流場的干擾。

（9）不考慮水蒸氣的結(jié)露等相變情況，假設庫內(nèi)流體始終為氣相。

1.2.1.1 模型及邊界條件

冷庫物理模型圍護結(jié)構(gòu)采用10 cm厚的聚氨酯隔熱層，尺寸為：長×寬×高=280 cm×180 cm×200 cm，兩臺冷風機的蒸發(fā)面積均為7.5 m2，在庫頂中線鋪設45塊蓄冷板，蓄冷板尺寸為：長×寬×高=115 cm×180 cm×3 cm，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格最大尺寸為20 mm，最小正交質(zhì)量為0.951，最大縱橫比為3.040 45，網(wǎng)格質(zhì)量滿足要求，幾何空間分布及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 冷庫物理模型Fig.1 Cold storage model

庫內(nèi)空間發(fā)生強制對流換熱，雷諾數(shù)近似為106，故采用SST的k-omega湍流方程及壓力基求解器。制冷風機出口流速設為5 m/s，回風口為outflow。由于在融霜過程中，融霜風機風扇側(cè)和翅片側(cè)存在壓差，邊界條件設為速度口，即風扇側(cè)流速設為0.3 m/s，翅片側(cè)流速設為0.1 m/s。在冷風機出風口和進風口按圓形等距布置熱電偶，將試驗測試數(shù)據(jù)用Origin軟件進行多項式擬合，得到融霜風機出入口溫度隨時間變化的關(guān)系式：

式中：t為時間，s；T為熱力學溫度，K。

編寫自定義函數(shù)（UDF）作為融霜風機出口溫度。冷庫壁面熱流密度設為92.1 W/m2。兩個冷風機壁面設為絕熱。蓄冷板設為定溫-18℃。該模擬采用瞬態(tài)計算，由于觀察的是融霜過程，故整個流場初始條件設為-18℃。瞬態(tài)模擬時間步長設為0.3 s，最大迭代次數(shù)設為20次，時間步數(shù)設為3 000步。

1.2.1.2 模型模擬結(jié)果檢驗

在模擬的邊界條件參數(shù)設定中，融霜風機出入口溫度數(shù)據(jù)采集于2號冷風機融霜、1號冷風機制冷且有霜的過程，兩臺冷風機從開機持續(xù)運行至均已結(jié)霜的狀態(tài)后，2號冷風機開始融霜，1號冷風機帶霜繼續(xù)制冷，故在對模擬值的驗證中，將2號冷風機融霜，1號冷風機制冷且有霜過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)作為測試值。

制冷風機和融霜風機的中軸面溫度測點及冷庫高度為0、0.7、1.4、2.0 m截面的溫度測點如圖2所示。將冷庫不同時刻不同高度截面的12個點的測試溫度取平均值作為該截面在該時刻的溫度，比較不同時間的溫度變化情況，來驗證模擬結(jié)果的準確性。

圖2 冷庫溫度測點分布Fig.2 Distributions of cold storage temperature measurement points

1.2.2 冷庫連續(xù)融霜系統(tǒng)研究

1.2.2.1 系統(tǒng)原理

連續(xù)融霜系統(tǒng)原理見圖3。1號冷風機制冷、2號冷風機融霜時：電磁閥YV2、YV3、YV5、YV8開啟，單向閥開啟，能量調(diào)節(jié)閥需要調(diào)整一定的開度，其余閥門關(guān)閉，從儲液器出來的低溫制冷劑液體通過電磁閥YV3，在冷風機處蒸發(fā)制冷后出來的制冷劑蒸氣通過電磁閥YV2進入壓縮機，完成1號冷風機的制冷循環(huán)。結(jié)霜狀態(tài)下的2號冷風機停機，壓縮機的高溫制冷劑蒸氣流經(jīng)電磁閥YV5進入冷風機融霜，冷凝后的液體經(jīng)電磁閥YV8進入儲液器，完成2號冷風機的除霜過程。

圖3 連續(xù)融霜系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of continuous defrost system

1號冷風機融霜、2號冷風機制冷時：電磁閥YV1、YV4、YV6、YV7開啟，單向閥開啟，能量調(diào)節(jié)閥需要調(diào)整一定的開度，其余閥門關(guān)閉，從儲液器出來的低溫制冷劑液體通過電磁閥YV6，在冷風機處蒸發(fā)制冷后出來的制冷劑蒸氣通過電磁閥YV7進入壓縮機，完成2號冷風機的制冷循環(huán)。結(jié)霜狀態(tài)下的1號冷風機停機，壓縮機的高溫制冷劑蒸氣流經(jīng)電磁閥YV4進入冷風機融霜，冷凝后的液體經(jīng)電磁閥YV1進入儲液器，完成1號冷風機的除霜過程。

1.2.2.2系統(tǒng)運行過程

為保證試驗數(shù)據(jù)的可靠性，試驗開始前進行冷庫漏冷量測定和熱電偶的標定。由于本試驗研究蓄冷板對連續(xù)融霜期間庫內(nèi)溫度波動的影響，所以將冷庫溫度設為（-18±5）℃，濕度為90%±5%。首先對冷庫降溫，為保證蓄冷板完全凍結(jié)，冷庫在（-20±0.5）℃下保持5 h后再向庫內(nèi)加濕，將相對濕度控制在90%±5%。

該試驗利用空氣壓差除霜控制法來判斷融霜開始時刻，除霜依據(jù)由微壓差計測量的蒸發(fā)器進出口靜壓差確定，結(jié)霜時翅片間霜層厚度增加，空氣流通量減小，蒸發(fā)器進出口壓差增大，霜層厚度與進出口壓差存在一定關(guān)系。多次試驗發(fā)現(xiàn)，并聯(lián)的兩臺冷風機壓差為70 Pa時，會形成大約3 mm厚的霜層，故以此作為融霜開始的信號。融霜開始時，切換閥門，保證1臺冷風機繼續(xù)制冷，另1臺進行熱氣融霜，直到融霜風機風扇側(cè)和翅片側(cè)之間的靜壓差達到16 Pa左右時停止融霜。將無蓄冷板的冷庫融霜試驗作為對照。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型驗證

不同高度截面溫度的測試值與模擬值對比情況如圖4所示。在0 m高度截面，溫度平均誤差值為0.28℃，誤差百分比為1.79%；在0.7 m高度截面，溫度平均誤差值為0.35℃，誤差百分比為2.25%；在1.4 m高度截面，溫度平均誤差值為0.43℃，誤差百分比為2.80%；在2.0 m高度截面，溫度平均誤差值為0.1℃，誤差百分比為0.50%。誤差值在允許范圍（小于15%）內(nèi)，證明該模型準確、可靠。

圖4 不同高度截面溫度的測試值與模擬值對比Fig.4 The measured temperature values at different height sections compared with simulated values

整個融霜過程中模擬值均低于測試值，原因是：（1）為了將蓄冷板固定在庫頂，試驗過程中采用鐵架將蓄冷板頂在頂部，造成一部分蓄冷板與鐵架接觸，而不是與庫內(nèi)空氣直接接觸，減少了蓄冷板吸熱面積。（2）鐵架本身置于庫內(nèi)流場中，不可避免的對流域溫度場產(chǎn)生干擾。（3）熱電偶、溫濕傳感器存在精度誤差。

在前120 s，0、0.7 m高度截面的溫度升高幅度大于1.4、2.0 m高度截面。這是因為高溫制冷劑蒸汽放出的熱量全部用于融化包裹著銅管的霜層，耗散到庫內(nèi)的融霜熱極少，而制冷風機處于送風狀態(tài)，在冷庫上方持續(xù)保持制冷效果。在600～800 s之間，0、0.7、1.4 m的高度截面，測試值有一段平緩的溫升變化，而模擬值沒有，原因為在實際融霜過程中，霜層融化會吸收水的蒸發(fā)潛熱，融霜熱向庫內(nèi)的耗散量減少，導致測試值的溫升段變得平緩。

對模擬結(jié)果分別選取0、300、600、900、960、1 020 s，觀察融霜風機中軸面溫度場變化情況，變化過程如圖5所示，在融霜初期，溫度云圖中庫溫保持-18℃，溫度波動極小，這是因為制冷劑高溫蒸氣放出的熱量用來融化附著在管路上的霜層，極少有熱量溢出到庫內(nèi)，不會對庫溫造成波動；隨著融霜的持續(xù)，在600～900 s時，溫度云圖中較高溫度區(qū)域開始擴大，這是因為管路上的霜層融化變薄或部分發(fā)生脫落，這時有熱量向庫內(nèi)耗散，使庫內(nèi)溫度發(fā)生一定的波動；融霜后期，即900～960 s和960～1 020 s時，溫度云圖上較高溫度區(qū)域迅速擴大，并向冷庫下部擴散，大量融霜熱耗散到庫內(nèi)，造成庫內(nèi)溫度的大幅度波動，這是由于霜層大部分脫落，銅裸露出來，高溫制冷劑蒸汽放出的熱量大量散失到空氣中所致。

圖5 模擬融霜溫度變化云圖Fig.5 Cloud maps of simulated defrost temperature changes

2.2 連續(xù)融霜系統(tǒng)研究

2.2.1 2號冷風機融霜、1號冷風機制冷且有霜時冷庫溫度的波動情況

如圖6和圖7所示，無蓄冷板冷庫溫度隨截面高度的增加而上升，這是因為融霜風機處于庫頂，即2.0 m位置處，融霜過程中，庫頂最先受到融霜熱的影響，庫內(nèi)空間溫度隨著熱量逐漸向下部擴散開始升高。有蓄冷板的冷庫溫度在4個不同高度截面的溫度波動幅度均小于無蓄冷板的冷庫。1 020 s時，在0、0.7、1.4、2.0 m高度截面上，無蓄冷板冷庫最大溫差分別為4.69、4.83、5.33、6.33℃；有蓄冷板冷庫最大溫差分別為3.15、3.20、3.58、1.32℃。這是因為在融霜期間，蓄冷板吸收來自融霜風機耗散的融霜熱，使冷庫溫度波動幅度降低。有蓄冷板的冷庫在2.0 m高度截面處的溫度始終低于其他高度截面，這是因為在融霜過程中，無機鹽介質(zhì)的蓄冷板始終處于固液兩相狀態(tài)，且蓄冷板布置在庫頂，吸收了大量融霜熱，對2.0 m處溫度波動產(chǎn)生極大影響，致使該處的溫度低于其他高度。

圖6 2號冷風機融霜、1號冷風機制冷且有霜時無蓄冷板冷庫不同高度截面的平均溫度Fig.6 The average temperatures of cold storage without cold storage plate at different heights sections when air cooler 2 defrosted,air cooler 1 refrigerated with frost

圖7 2號冷風機融霜、1號冷風機制冷且有霜時有蓄冷板冷庫不同高度截面的平均溫度Fig.7 The average temperatures of cold storage with cold storage plate at different heights sections when air cooler 2 defrosted,air cooler 1 refrigerated with frost

融霜時蓄冷板對不同高度截面溫度波動的抑制程度如圖8所示。

圖8 2號冷風機融霜、1號冷風機制冷且有霜時無蓄冷板和有蓄冷板冷庫不同高度截面的平均溫差Fig.8 The average temperature difference of cold storage with or without cold storage plate at different heights sections when air cooler 2 defrosted,air cooler 1 refrigerated with frost

由圖8可知，隨著融霜的進行，蓄冷板對溫度波動的抑制作用越明顯，這是因為在融霜前期，大量熱量用來融化霜層，只有很少的融霜熱耗散到庫內(nèi)，庫內(nèi)空間的溫升幅度很小，蓄冷板的蓄冷作用發(fā)揮不明顯，而在融霜后期，霜層脫落導致銅裸露出來，大量的融霜熱耗散到庫內(nèi)，此時蓄冷板吸收融霜熱，大幅度抑制了冷庫內(nèi)溫度的上升。蓄冷板對0、0.7、1.4 m高度截面的溫度波動抑制作用相對不大，其平均溫度降低百分比分別為5.07%、5.31%、5.73%，而在2.0 m處，對溫度波動的抑制作用十分明顯，其平均溫度降低百分比為14.04%，這是由于蓄冷板安裝在庫頂，對庫頂?shù)臏囟犬a(chǎn)生極大影響，而對下部空間的溫度影響能力較弱，這說明蓄冷板的溫度調(diào)節(jié)范圍是有限的。有、無蓄冷板的冷庫平均溫度變化情況如圖9所示，在融霜結(jié)束時，帶蓄冷板的平均庫溫波動為2.80℃，無蓄冷板的平均庫溫波動為5.30℃，蓄冷板使融霜時冷庫溫度波動降低了47.20%，表明蓄冷板可以顯著降低連續(xù)融霜過程中的冷庫溫度波動。2.2.2 1號冷風機融霜、2號冷風機制冷且無霜時冷庫溫度的波動情況

圖9 2號冷風機融霜、1號冷風機制冷且有霜時有、無蓄冷板的冷庫平均溫度Fig.9 The average temperatures of cold storage with or without cold storage plate when air cooler 2 defrosted,air cooler 1 refrigerated with frost

圖10 為1號冷風機融霜、2號冷風機制冷且無霜時冷庫平均溫度變化情況。對于無蓄冷板冷庫，融霜結(jié)束時溫度為-13.03℃，冷庫平均溫度波動為4.97℃，對于有蓄冷板冷庫，融霜結(jié)束時溫度為-15.96℃，平均溫度波動為2.04℃，蓄冷板使冷庫溫度波動下降了58.95%。制冷風機在無霜狀態(tài)下，無蓄冷板和有蓄冷板的冷庫溫度變化趨勢與制冷風機有霜狀態(tài)下的冷庫溫度變化一致，這表明在制冷風機無霜時，蓄冷板仍然可以抑制冷庫融霜時的溫度波動。

圖10 1號冷風機融霜、2號冷風機制冷且無霜時有、無蓄冷板的冷庫平均溫度Fig.10 The average temperatures of cold storage with or without cold storage plate when air cooler 1 defrosted,air cooler 2 refrigerated without frost

制冷風機無霜情況下，融霜風機融霜過程中有、無蓄冷板冷庫溫度的變化如圖11、12所示。與上述制冷風機無霜時的研究結(jié)果相比較，無蓄冷板冷庫，制冷風機有霜時，融霜風機完成融霜時間為1 085 s；制冷風機無霜時，融霜風機完成融霜時間為920 s，制冷風機無霜條件下的融霜完成時間比有霜條件下的融霜完成時間縮短了165 s。對于有蓄冷板冷庫，制冷風機有霜時，融霜風機完成融霜時間為1 100 s；制冷風機無霜時，融霜風機完成融霜時間為937 s，制冷風機無霜條件下的融霜完成時間比有霜條件下的融霜完成時間縮短了163 s。這是因為冷風機結(jié)霜形成熱阻，減小了制冷劑與空氣的換熱系數(shù)，降低了換熱量，壓縮機輸氣量減少，融霜熱減少，延長了融霜過程。對于有蓄冷板的冷庫，制冷風機有霜時，在0、0.7、1.4、2.0 m高度截面，融霜結(jié)束時的溫度分別為-14.85、-14.80、-14.42、-16.68℃；制冷風機無霜時分別為-15.85、-15.72、-15.46、-16.80℃，說明制冷風機結(jié)霜對冷庫連續(xù)融霜時庫溫波動存在一定的影響。由前文可得，對于無蓄冷板冷庫，制冷風機無霜時的冷庫平均溫度波動為5.30℃，制冷風機有霜時的冷庫平均溫度波動為4.97℃，制冷風機無霜狀態(tài)比有霜狀態(tài)下的庫溫波動降低了6.23%；對于有蓄冷板冷庫，制冷風機無霜時的冷庫平均溫度波動為2.80℃，制冷風機有霜時的冷庫平均溫度波動為2.04℃，制冷風機無霜狀態(tài)比有霜狀態(tài)下的庫溫波動降低了27.14%，說明蓄冷板在冷風機無霜的情況下可以發(fā)揮更好的效果。

圖11 1號冷風機融霜、2號冷風機制冷且無霜時無蓄冷板冷庫不同高度截面溫度Fig.11 The temperatures of cold storage without cold storage plate at different heights sections when air cooler 1 defrosted,air cooler 2 refrigerated without frost

圖12 1號冷風機融霜、2號冷風機制冷且無霜時有蓄冷板冷庫不同高度截面溫度Fig.12 The temperatures of cold storage with cold storage plate at different heights sections when air cooler 1 defrosted,air cooler 2 refrigerated without frost

3 結(jié)論

對采用并聯(lián)冷風機進行連續(xù)融霜的冷庫，本試驗研究了安裝蓄冷板對冷庫融霜溫度波動的影響，結(jié)論如下：

（1）通過試驗對冷庫不同高度截面溫度測試值與模擬值對比得出，在0、0.7、1.4、2.0 m高度截面，測試值與模擬值溫度平均誤差百分比分別為1.79%、2.25%、2.80%、0.50%，誤差在允許范圍內(nèi)，證明該模型準確、可靠。

（2）在制冷風機有霜情況下，融霜風機融霜期間，無蓄冷板冷庫平均溫度波動為5.30℃，有蓄冷板冷庫平均溫度波動為2.80℃；在制冷風機無霜情況下，融霜風機融霜期間，無蓄冷板冷庫平均溫度波動為4.97℃，有蓄冷板冷庫平均溫度波動為2.04℃，表明蓄冷板對減小冷庫融霜時溫度波動具有積極的作用。

（3）對于無蓄冷板冷庫，融霜風機融霜期間，制冷風機無霜狀態(tài)比有霜狀態(tài)下的庫溫波動降低了6.23%；對于有蓄冷板冷庫，融霜風機融霜期間，制冷風機無霜狀態(tài)比有霜狀態(tài)下的庫溫波動降低了27.14%，表明制冷風機在無霜的情況下，冷庫溫度波動較小。