蒸發器積霜對冷庫熱工狀況的影響

姜道珠，魯墨森，魯 榮，王 丹

（1.山東理工大學農業工程與食品科學學院，山東淄博 255049；2.山東省果樹研究所，山東泰安271000；3.泰安市泰山區一新保鮮設備廠，山東泰安 271000）

蒸發器積霜對冷庫熱工狀況的影響

姜道珠1，魯墨森2，魯 榮3，王 丹2

（1.山東理工大學農業工程與食品科學學院，山東淄博 255049；2.山東省果樹研究所，山東泰安271000；3.泰安市泰山區一新保鮮設備廠，山東泰安 271000）

為了探討冷庫蒸發器積霜對冷庫熱工狀況的影響，為冷庫及時化霜和無霜運行提供科學依據，試驗選用10 t 3 HP的雙溫雙控冷庫為研究對象，動態監測了蒸發器積霜前和積霜后兩段時間內庫溫、霜溫、蒸發器進風口與出風口溫差、冷庫耗電量，繪制了蒸發器外表面的三維溫度場。試驗結果表明：蒸發器積霜前，庫溫周期變化較為穩定；積霜后，冷庫運行周期由3個階段變為風機運行和制冷2個階段且庫溫最低溫度逐漸升高，達不到設定下限，周期變化幅度減小，用時縮短。積霜后的霜溫周期最低值達到霜溫設定下限，冷庫不能在正常設定的范圍內運行，蒸發器的制冷效率明顯下降。蒸發器積霜使進風口與出風口溫差減小；冷庫運行12 h的耗電量增加147.06%。積霜后蒸發器外表面三維溫度場顯著不同，各點溫度都有所下降，偏離設計的最低溫度。試驗表明，冷庫運行過程中不積霜運行是冷庫節能安全運行的重要因素。

熱工狀況；冷庫；蒸發器；積霜

蒸發器積霜現象廣泛存在于制冷、低溫系統中。在冷庫內，當蒸發器表面溫度低于0℃時，庫內空氣就會在蒸發器表面出現結霜現象。蒸發器表面積霜將會堵塞空氣通道致使空氣流動阻力增大、降低傳熱效果，使冷庫制冷裝置的總體性能下降。在冷庫制冷過程消耗的能量中，由于霜層的存在而增加的能耗占相當大的比例。目前，國內外許多學者在積霜對蒸發器性能的影響這一領域進行了大量研究［1－6］。但這些研究都是把蒸發器作為一個獨立設備，保持蒸發器進出口介質流動穩定或人為改變介質的流動狀態來研究結霜對蒸發器性能的影響。而在冷庫的實際制冷運行過程中，蒸發器只是其中的一個部件，蒸發器中介質的流動狀態受到很多因素的影響，難以精確控制。因此，筆者把蒸發器連同冷庫的制冷、自動控制等作為一個整體來考慮。

1 試驗設備與方法

1.1 試驗設備和儀器儀表

試驗冷庫是山東省果樹研究所設計建造的高效無霜節能自動冷庫。庫內有冷風機和多元蒸發器，庫外配置多效冷凝壓縮制冷機組［7］、雙溫雙控裝置［8］，庫容量為10 t，配置3 HP制冷壓縮機，制冷劑為R22，冷庫的控制程序如圖1所示，庫內的氣溫稱作庫溫，蒸發器表面溫度稱作霜溫。當庫溫升高達到庫溫儀表上限時，控制電路中發生連鎖反應，冷風機啟動，冷風機運轉使蒸發器殘余冷量排入冷庫內，蒸發器溫度逐漸升高，霜溫傳感器對蒸發器表面進行檢測，當其達到霜溫上限時，啟動制冷機開始制冷，當庫溫下降至庫溫儀表下限，庫溫儀表控制電路斷電，冷風機和制冷機停止運轉。若庫溫達到上限時，冷風機運轉，此時霜溫未達上限，通過風機運轉融去積霜。霜溫達到上限時，制冷壓縮機運行制冷，冷庫開始降溫。若庫溫未達下限，霜溫已達下限，說明蒸發器結霜嚴重，此時冷風機啟動使蒸發器融霜，可有效防止蒸發器嚴重積霜。

圖1 冷庫控制程序Fig.1 Cold storage control program

LU－R/C 2100液晶顯示控制無紙記錄儀（微伏級電壓信號量程±1 m V，精度±2μV），由廈門安東電子有限公司生產，山東省果樹研究所改制，能夠進行多通道數據采集和存儲。熱鍍錫膜銅－康銅熱電偶，由山東省果樹研究所貯藏加工室制作，其測溫精度可達±0.1℃［9］。自記型熱電偶通風干濕溫度表［10］，山東省果樹研究所貯藏加工室專利產品，用于測量和記錄庫內干球和濕球溫度。BPS 3238數字壓力變送器測量范圍為4～20 m A，測量精度為0.25%（FS），由沈陽半島電氣表業有限公司生產。HB－33000I智能三相綜合電參量監測儀及互感器，測量精度為0.5%（FS）。

1.2 試驗方法

試驗冷庫庫溫設定在0～3℃，霜溫設定在－10～0℃，冷庫正常運行1個周期分為3個階段：制冷壓縮機和冷風機都處于停機狀態記為停機階段；制冷壓縮機停機、冷風機運行記為風機運行階段；制冷壓縮機和冷風機都處于運行狀態記為制冷階段。冷庫正常運行一般不積霜，為了造成積霜情況，試驗中，一定時間內關閉雙溫雙控自動化霜系統，使蒸發器結霜。選取結霜前5 h和結霜后26 h，在這31 h內記錄庫溫與霜溫的變化過程。選取蒸發器結霜前12 h和結霜后的12 h，在2段時間內分別記錄蒸發器進風口與出風口的溫差和冷庫耗電量。蒸發器積霜最厚2 cm。

1.2.1 溫度測量

試驗采用熱鍍錫膜銅－康銅熱電偶與LU－R/C 2100液晶顯示控制無紙記錄儀測量和記錄微伏級電壓信號，在計算機上根據熱電偶并聯和固定溫度法標定出的二次回歸數學模型y＝0.030 4x2＋37.194x，其中y為熱電偶電勢值（m V），x為溫度值［11］，通過Excel的單變量求解轉換為溫度值。LU－R/C 2100液晶顯示控制無紙記錄儀采樣時間間隔為1 s。布置1組熱電偶于冷庫中央，冷庫頂部下垂1 m，將測量的冷庫內溫度記為庫溫；用1組熱電偶布置在蒸發器中心位置，微型測頭緊貼翅片管管壁，用來測量蒸發器上的霜溫，記為霜溫；用2組熱電偶分別布置在蒸發器的進風口和出風口的中心位置，用來測定兩者溫度，然后用進風口溫度減去出風口溫度，記為溫差；在蒸發器片管間選擇有代表性的18個測溫點，將18組熱電偶布置其上，根據18組測量值，繪制蒸發器外表面的三維溫度場。

1.2.2 耗電量測量

采用HB－33000I智能三相綜合電參量監測儀及互感器監測冷庫用電量。采用RS 485傳輸標準與計算機通信，配置1臺計算機數據采集系統，由MCGS全中文組態軟件支持，以實時記錄存儲試驗數據。

2 試驗結果與分析

2.1 庫溫和霜溫變化分析

庫溫變化如圖2a）所示，積霜前庫溫在0～3℃呈周期性變化，周期變化基本穩定。在A1—B1停機階段，庫溫由0℃上升至3.0℃；B1—C1的風機運行階段，庫溫由3.0℃下降至1.7℃；C1—D1的制冷階段，庫溫由1.7℃下降至0℃，周期用時26 min，且在0～5 h的時段內，周期用時逐漸延長。結霜后，不及時融霜造成了積霜，以致庫溫達不到設定下限0℃，冷庫不能正常按3個階段進行，即不會出現停機階段。積霜后的B2—C2的風機運行階段是由于霜溫到達下限，制冷壓縮機停止制冷，冷風機運轉開始融霜，庫溫由0.2℃上升至1.6℃；庫溫未達下限，但霜溫達到了上限，又出現C2—D2的制冷階段，庫溫由1.6℃下降至0.3℃，周期用時16 min。積霜后，融霜不徹底造成庫溫達不到下限，表現為庫溫最低溫度逐漸升高，31 h偏離下限1.5℃，且周期用時越來越短，表明了制冷壓縮機開關機逐漸頻繁，制冷工況逐漸惡化。

霜溫變化如圖2b）所示，積霜前，在A1—B1的停機階段，霜溫先由－8.8℃快速上升至－3.0℃，然后又緩慢升溫至－2.0℃；B1—C1風機運行階段，霜溫由－2.0℃升高至0℃，這是由于風機啟動，將蒸發器內殘余冷量排入冷庫內，致使蒸發器溫度有所上升；C1—D1制冷階段，霜溫由0℃快速下降至－8.8℃。0～5 h內霜溫周期最低溫度由－8.2℃逐漸下降至－9.8℃。積霜后，霜溫維持在－10～0℃，周期最低溫度達到霜溫設定下限，冷庫以風機運行和制冷2個階段運行，沒有停機階段。B2—C2風機運行階段，霜溫由－13.0℃上升至0℃；C2—D2制冷階段，霜溫由0℃又下降至－13.0℃。對比積霜前后的霜溫變化可知，積霜后的霜溫最低溫度比積霜前的最低溫度有所下降，達到霜溫設定下限，表明蒸發器的制冷效率逐漸下降。

2.2 蒸發器進風口與出風口溫差分析

蒸發器進風口與出風口溫差在一定程度上反映出蒸發器與庫內氣體的換熱狀況。如圖3所示，積霜前蒸發器進風口與出風口溫差記為溫差1，積霜后記為溫差2。溫差1呈周期性變化，A1—B1制冷階段，溫差1快速升高，最大值為3.5℃。A2—B2制冷階段，溫差2最大值為1.3℃。對比溫差1和溫差2可得，溫差1的周期最大值比溫差2的周期最大值高2.2℃，表明在制冷階段，蒸發器積霜后與庫內空氣的換熱效果明顯減弱。

圖3 進風口與出風口溫差Fig.3 Temperature difference of air inlet and outlet

2.3 耗電量對比分析

冷庫運行12 h，積霜前的耗電量（耗電量1）為4.08 kW·h，積霜后的耗電量（耗電量2）為10.08 kW·h，比耗電量1增加147.06%，主要是因為蒸發器積霜后，制冷效率下降，冷庫的運行周期時間縮短，冷庫啟動較積霜前頻繁，導致耗電量明顯增加。由此可知，冷庫內蒸發器積霜會大大增加冷庫的耗電量，應及時進行化霜操作，減少耗能。

2.4 蒸發器溫度場分析

利用Matlab軟件繪圖得到蒸發器在制冷階段瞬態的外表面三維溫度場，如圖4所示。圖4a）為蒸發器積霜前的三維溫度場，平面1的溫度主要集中在－6～－2℃；平面2溫度為－11～－9℃且溫度分布較為均勻；平面3大部分區域溫度為－8～－4℃。蒸發器積霜后三維溫度場如圖4b）所示，平面1左下角部位溫度為－5～0℃，其余大部分區域面積溫度在－15～－10℃；平面2溫度為－15～－13℃；平面3溫度主要集中在－12～－10℃。對比積霜前后蒸發器外表面三維溫度場可得，積霜后，平面1溫度下降4～13℃，平面2溫度下降2～6℃，平面3溫度下降2～8℃。蒸發器表面溫度的下降將減弱制冷劑在蒸發器內的熱交換，使制冷劑蒸發不完全，甚至會出現制冷壓縮機液擊現象。

圖4 制冷階段蒸發器外表面三維溫度場Fig.4 Three－dimensional temperature field of the outer surface of the evaporator in the cooling stage

3 結 語

1）蒸發器積霜前，庫溫周期變化較為穩定；積霜后，冷庫運行周期由3個階段變為風機運行和制冷2個階段且庫溫最低溫度逐漸升高，達不到設定下限，周期變化幅度減小，用時縮短，表明制冷壓縮機開關機頻繁，制冷工況逐漸惡化。積霜后的霜溫周期最低值達不到霜溫設定下限，冷庫無法在正常設定溫度范圍內運行，蒸發器的制冷效率明顯下降。

2）蒸發器積霜使進風口與出風口溫差減小，蒸發器與庫內空氣的換熱效果明顯減弱；冷庫運行12 h的耗電量增加147.06%，積霜后蒸發器外表面三維溫度場顯著不同，各點溫度都有所下降，偏離設計的最低溫度。

3）應該根據結霜過程中庫溫和霜溫變化的特點，及時確定蒸發器結霜狀況，以便進行化霜操作，保證冷庫安全高效運行。

［1］TUDOR V，OHADI M，SALEHI M A，et al.Advances in control of frost on evaporator coils with an applied electric field［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2005，48（21/22）：4 428－4 434.

［2］孫忠宇，程有凱.冷庫現狀及冷庫節能途徑［J］.節能，2007（7）：53－54.

［3］尹慶珍，王國華.我國蔬菜低溫冷庫的發展現狀及展望［J］.河北農業科學，2008，12（8）：84－85.

［4］ALJUWAYHEL N F，REINDL D T，KLEIN S A，et al.Experimental investigation of the performance of industrial evaporator coils operating under frosting conditions［J］.International Journal of Refrigeration，2008，31（1）：98－106.

［5］杜建通，申 江，鄒同華，等.翅片管蒸發器換熱表面的結霜特性與對其結果設計的影響［J］.低溫與超導，2000，28（4）：58－60.

［6］張 楓，臧潤清.制冷劑流量和風量對再循環蒸發器傳熱性能影響［J］.天津商學院學報，2007，27（3）：13－16.

［7］魯墨森，劉曉輝，魯 榮.多效冷凝制冷機組研制及其在中小型冷庫上的應用［J］.落葉果樹，2009，41（6）：36－39.

［8］魯墨森，王淑貞，楊娟俠，等.一種冷庫雙溫雙控裝置［P］.中國專利：101050912，2007－10－10.

［9］劉曉輝，魯墨森，譚婷婷.銅－康銅測溫熱電偶的制作和標定［J］.落葉果樹，2009，41（5）：34－37.

［10］魯墨森，王淑貞，劉曉輝，等.自動記錄通風干濕溫度裝置［P］.中國專利：101644607，2010－02－10.

［11］劉曉輝，魯墨森.銅－康銅熱電偶的熱鍍錫膜工藝和測溫特性分析［J］.計量與測試技術，2009，36（11）：3－5.

Effect of evaporator frost on thermal condition of cold storage

JIANG Dao－zhu1，LU Mo－sen2，LU Rong3，WANG Dan2
（1.Institute of Agricultural Engineering and Food Science，Shandong University of Technology，Zibo Shandong 255049，China；2.Shandong Institute of Pomology，Tai＇an Shandong 271000，China；3.Taishan District Yixin Preservation Equipment Factory of Tai＇an City，Tai＇an Shandong 271000，China）

In order to explore the influence of evaporator frost on the thermal conditions of cold storage，this paper provides the scientific basis for the cold storage in a timely manner of frost and frost－free operation.The ten tons and three HP and dual temperature controlled cold storage is studied，dynamically monitoring cold storage temperature，frost temperature，the temperature difference of evaporator air inlet and outlet and power consumption，and three－dimensional temperature field of the outer surface of the evaporator is drawn.The results show that before evaporator frosted，the cycle change of cold storage temperature is more stable.Cold storage operation cycle consisting of three phases turns into two stages of fan running and cooling，and the lowest cold storage temperature is gradually increased so that it can not reach the setted lower limit.The changing range of cycle is reduced and time is shortened.After evaporator frosted，frost temperature cycle minimum value reaches setted lower limits and cold storage could not operate within the scope，then the cooling efficiency of the evaporator is decreased.The temperature difference of the air inlet and outlet is reduced because evaporator frost and cold storage power consumption increased by 147.06%to run 12 hours.Three－dimensional temperature field in the outer surface of the evaporator is significantly different and every point temperature has dropped so that it deviates from the designed minimum temperature.The tests show that evaporator with no frost is an important factor to keep cold storage energy saving and operating safe.

thermal condition；cold storage；evaporator；frost

TQ051.5

A

1008－1534（2012）04－224－04

2012－04－05

馮 民

山東省科學技術發展計劃資助項目（2008CG10009038）；山東省農業科學院創新基金資助項目（2007YCX025）

姜道珠（1985－），男，江蘇徐州人，碩士研究生，主要從事制冷設備測控與分析方面的研究。

魯墨森研究員。E－mail：lumosen＠163.com