船舶冷庫低溫庫熱氣融霜與電熱融霜對比試驗

闞安康，湯偉

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

0 引言

由于魚、肉、乳制品、果蔬等食品在常溫下易腐爛變質(zhì)，所以為了保證船舶運(yùn)輸食品品質(zhì)及船員生活質(zhì)量，需要利用船舶冷庫對它們進(jìn)行低溫儲藏.水產(chǎn)品和肉類保鮮需存放在-18 ℃以下的低溫庫.［1］當(dāng)?shù)蜏貛煺舭l(fā)器翅片溫度低于0 ℃時，翅片表面易于結(jié)霜.由于空氣中的水蒸氣在傳遞壓力的作用下不斷向冷表面移動并凝結(jié)，表面霜層厚度不斷增加.霜的熱導(dǎo)率為0.116～0.139 W/(m·℃)，其熱阻比盤管材料的熱阻大94～443 倍［2］，嚴(yán)重影響蒸發(fā)器熱交換性能.表1 給出-18 ℃庫房內(nèi)蒸發(fā)器盤管結(jié)霜厚度對制冷系數(shù)(Coefficient Of Performance，COP)的影響.［3］霜層過厚將導(dǎo)致傳熱熱阻增加，降低傳熱效果.如不及時清除，積霜將使壓縮機(jī)的吸氣溫度降低、排氣溫度上升，導(dǎo)致冷風(fēng)機(jī)的傳熱惡化和空氣流動阻力增大，從而造成運(yùn)行和操作困難.結(jié)霜嚴(yán)重時還會破壞冷風(fēng)機(jī)和庫內(nèi)空氣的正常循環(huán)，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)無風(fēng)送出，延緩或中斷降溫過程，冷凍貨物會因溫升而變質(zhì).［4-10］

表1 制冷負(fù)荷相同，蒸發(fā)溫度和制冷系數(shù)隨霜層厚度的變化

由此可知，要求低溫冷庫制冷系統(tǒng)保持高效、穩(wěn)定運(yùn)行，對冷庫實(shí)施及時且適當(dāng)?shù)娜谒胧┍夭豢缮?冷庫制冷系統(tǒng)目前廣為采用的除霜方式［11-15］主要有:人工除霜、水沖融霜、熱氣融霜、電熱融霜、空氣自然回溫除霜等.船舶冷庫除霜方式目前以熱氣融霜和電熱融霜為主.筆者在上海海事大學(xué)船舶冷庫實(shí)驗室，對熱氣融霜和電熱融霜兩種方式就相同試驗工況進(jìn)行試驗比較研究，探討融霜耗時、耗能及融霜過程對低溫庫溫度場分布的影響.

1 試驗測試

1.1 試驗裝置簡介

試驗在上海海事大學(xué)船舶冷庫實(shí)驗室進(jìn)行.實(shí)驗室完全仿造實(shí)船冷庫建設(shè)，并增設(shè)自動控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以便進(jìn)行相關(guān)科學(xué)研究.該系統(tǒng)為二機(jī)四庫，低溫和高溫冷庫各兩個，低溫庫設(shè)計溫度調(diào)節(jié)范圍為-20～-5 ℃，見圖1.

圖1 試驗裝置

冷庫均采用200 mm 厚聚氨酯彩鋼板裝配而成，4 號低溫庫設(shè)計為熱氣融霜，3 號低溫庫設(shè)計為電熱融霜(庫房尺寸為長× 寬× 高=3 000 mm ×2 000 mm ×2 500 mm).制冷機(jī)組采用R22 往復(fù)壓縮制冷機(jī).圖中雙線表示熱氣逆流融霜過程.

1.2 試驗方法

試驗過程中，數(shù)據(jù)采集的主要參數(shù)為:冷庫庫溫及相對濕度，冷庫中蒸發(fā)盤管周圍的溫度，壓縮機(jī)消耗電能，3 號庫電加熱功率等.每個冷庫都配有加濕器，可按要求調(diào)節(jié)冷庫內(nèi)的相對濕度，并精確控制庫房內(nèi)的相對濕度.庫房內(nèi)溫度采用PT100(精度±0.1 ℃)電阻溫度傳感器采集，溫度傳感器設(shè)置在庫房中心，距地面約1.5 m，并可通過R232/485 通信模塊與計算機(jī)相連.3 號庫冷風(fēng)機(jī)排管上溫度測點(diǎn)采用熱電偶溫度傳感器采集，在冷風(fēng)機(jī)與蒸發(fā)盤管之間距離盤管10 mm 處均勻布置6個點(diǎn).4 號庫蒸發(fā)盤管周圍采用同樣方法均勻布置6個溫度采集點(diǎn).蒸發(fā)器下設(shè)有集水盤，可將融霜后的水采集后稱重，留作分析用.測點(diǎn)布置情況見圖2.

圖2 溫度傳感器測點(diǎn)布置

記錄當(dāng)前實(shí)驗室初始庫溫，將庫房內(nèi)相對濕度調(diào)節(jié)為(85 ±1)%，讓庫房處于相同的試驗工況，關(guān)閉高溫庫的供液電磁閥，僅對3 號庫和4 號庫制冷.分別設(shè)置庫溫在-20，-18，-15和-12 ℃4 種工況時進(jìn)行試驗，按照制冷系統(tǒng)操作要求啟動制冷壓縮機(jī)，待冷庫庫溫穩(wěn)定一段時間后開始融霜試驗.

對3 號庫，關(guān)閉供液電磁閥，停止風(fēng)機(jī)，開啟電加熱裝置(加熱功率為3 kW)進(jìn)行加熱融霜和數(shù)據(jù)采集.對4 號庫，通過閥件及管系操作，將冷凝器與蒸發(fā)器功能轉(zhuǎn)換，開始數(shù)據(jù)采集.試驗中，以冷庫內(nèi)蒸發(fā)盤管上6個測點(diǎn)的溫度均高于0 ℃的時刻作為融霜結(jié)束時刻.融霜結(jié)束后，按照操作規(guī)程關(guān)閉試驗裝置，并收集融霜水稱重.

2 試驗資料及結(jié)果分析

表2和3 分別給出電熱融霜和熱氣融霜兩種方式在制冷開始和融霜結(jié)束時刻的一些參數(shù).

下面對電熱融霜和熱氣融霜兩種方式進(jìn)行具體分析.

2.1 融霜效率比較

以低溫庫蒸發(fā)盤管周圍6個點(diǎn)全部達(dá)到0 ℃作為融霜結(jié)束時刻點(diǎn)，圖3和4 給出在-20 ℃試驗工況下，3 號和4 號低溫庫蒸發(fā)盤管周圍6 點(diǎn)溫度變化的曲線.

表2 3 號低溫庫電熱融霜(3 kW)各工況試驗資料

表3 4 號低溫庫熱氣融霜各工況試驗資料

通過圖3 與4 的對比可以發(fā)現(xiàn):在各自融霜周期的相對融霜初期，電熱融霜蒸發(fā)盤管周圍溫度變化較快，熱氣融霜變化不是很大.這主要是因為:蒸發(fā)盤管的電熱融霜由外至內(nèi)、盤管外圍的霜層最先融化，霜層和周圍的空氣不斷吸收電熱絲的熱能，盤管周圍的溫度不斷上升，6個測點(diǎn)的溫度變化比較均勻，最終幾乎同時到達(dá)0 ℃;4 號庫的熱氣融霜，蒸發(fā)盤管獲得的熱量由內(nèi)至外，融霜初期，蒸發(fā)盤管周圍的6個測點(diǎn)溫度變化不大，或者幾乎沒有變化;隨著時間的推移，盤管出口處，即熱氣進(jìn)口處的5和6 兩個點(diǎn)的溫度上升，隨后其余各點(diǎn)溫度也開始上升，3和4 兩個點(diǎn)的溫度變化比靠近熱氣出口的1和2 兩個點(diǎn)的變化快一些，熱量首先致使蒸發(fā)盤管內(nèi)側(cè)的霜層融化變成水，水的外泄致使霜層因缺少附著力而自行剝落.

試驗結(jié)束時，即便是在兩種試驗情況下所獲得水的質(zhì)量相近，但電熱融霜所獲得的為液態(tài)水，而熱氣融霜所獲得的為冰水混合物.

通過上述分析可知:電熱融霜時，霜層融化所需要的熱源來自外部，只有一部分熱量用于霜層融化，很大一部分熱量會因庫溫較低而散失到環(huán)境中去;電熱融霜所花費(fèi)的時間較長，引起周圍環(huán)境的溫度變化較大，如果采用大功率加熱器加熱，可縮短時間，但會致使蒸發(fā)盤管周圍庫溫變化劇烈，這對庫內(nèi)冷藏食品不利;熱氣融霜的熱源來自管內(nèi)，熱量幾乎都傳遞給霜層，靠近盤管的霜層融化會加速盤管外層霜層的剝落，從而極大縮短融霜時間，并可減少融霜階段外界熱量通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的滲透，確保冷藏貨物始終保持最佳溫度，保障貨物的冷藏品質(zhì)，這對遠(yuǎn)洋船舶意義重大.

2.2 對庫溫的影響

圖5為3 號庫中心溫度傳感器溫度變化曲線，圖6為4 號庫庫溫變化曲線.

從圖5 與6 的對比情況可以看出:因電熱融霜時間長，對庫溫影響較大，尤其是當(dāng)庫溫較低時，融霜時間加長，一方面因電加熱絲的熱量不斷向冷庫中釋放，另一方面外界熱量不斷滲入，致使庫溫上升，變化較大;熱氣融霜過程中，熱氣引起的熱負(fù)荷主要用于融霜并被霜層所吸收，加上融霜時間較短，外界滲透熱負(fù)荷甚至可以忽略，所以庫溫幾乎沒有上升.同一冷庫的庫溫越低，其融霜所消耗的時間也就越長，因與外界溫差較大，通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲透的熱量也就越多，所以溫度上升值也會加大.

因融霜方式的不同、熱源位置的差異，熱氣融霜所消耗的時間僅為電熱融霜的1/10，而且因融霜所帶來的庫溫變化不大，對保證冷藏貨物的品質(zhì)十分有利.

2.3 能耗比較

可以采用下列公式計算兩種融霜方式的能耗:

式中:P電熱為電熱融霜的加熱功率，W;P壓縮機(jī)為熱氣融霜時壓縮機(jī)的功率，W;P水泵為熱氣融霜時循環(huán)水泵的功率，W.因本系統(tǒng)模擬船舶冷庫系統(tǒng)，冷卻塔風(fēng)機(jī)功率在此忽略不計.

圖7為熱氣融霜過程中4 號壓縮機(jī)消耗的能量變化曲線.

圖7 熱氣融霜過程中4 號庫壓縮機(jī)消耗的能量變化曲線

從圖7可以看出，在熱氣融霜過程中，壓縮機(jī)消耗的能量存在一定的振蕩區(qū)間.在融霜開始階段，蒸發(fā)器內(nèi)壓力較低，而冷凝器內(nèi)壓力相對較高，壓縮機(jī)只需消耗較少的能量即可完成排氣過程;但隨著蒸發(fā)器內(nèi)溫度和壓力的上升，冷凝器內(nèi)壓力有所下降，導(dǎo)致壓縮機(jī)消耗的能量隨之增加，這一過程大約在40～45 s 內(nèi)完成;在融霜過程中期，蒸發(fā)盤管因霜層剝落而裸露，其熱阻大大減小，換熱增加，壓縮機(jī)消耗的能量有所下降;隨后，由于盤管周圍溫度有所上升，壓縮機(jī)消耗的能量也隨之增加.

熱氣融霜過程中，壓縮機(jī)消耗的能量是一個累積過程，可以根據(jù)圖7中的曲線與橫坐標(biāo)圍成的面積求解，也可以采用功率計計量.熱氣融霜采用恒功率，消耗的能量為加熱功率與時間的乘積.兩種融霜方式消耗的能量情況見表4.

在相同工況下，熱氣融霜消耗的能量遠(yuǎn)小于電熱融霜.在-20，-18，-15和-12 ℃4 種工況下，熱氣融霜耗能比電熱融霜耗能減少9 2.5%，92.0%，91.8%和91.3%.電熱融霜消耗的能量很大一部分用以增大冷庫熱負(fù)荷，而熱氣融霜所消耗的能量極大部分用于融霜，僅僅是在融霜后期有部分熱量散失到冷庫中.所以，熱氣融霜較電熱融霜的節(jié)能效果明顯，隨著冷庫庫溫的降低，這種融霜方式節(jié)能效果更加顯著.

表4 兩種融霜方式消耗的能量對比

3 結(jié)論與討論

通過對船舶冷庫低溫庫熱氣融霜和電熱融霜兩種方式的試驗比較和分析，可知:

(1)熱氣融霜耗時少、效率高，熱源來自盤管內(nèi)部，數(shù)分鐘就可以完成融霜;而電熱融霜的熱源來自盤管外部，融霜耗時長達(dá)30 min.熱氣融霜，尤其是逆流融霜，不需要改變冷庫內(nèi)蒸發(fā)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，僅僅在外部進(jìn)行制冷劑流向的轉(zhuǎn)換即可;而電熱融霜需要在冷庫風(fēng)機(jī)盤管內(nèi)增設(shè)加熱管，并引入控制和加熱電路，增大風(fēng)機(jī)運(yùn)行阻力，整體系統(tǒng)能耗增加.

(2)熱氣融霜引入負(fù)荷少，對冷庫溫度波動影響小.冷庫內(nèi)溫度上升的重要因素之一是外部熱負(fù)荷的滲入.本試驗在實(shí)驗室內(nèi)進(jìn)行，環(huán)境溫度與實(shí)船相比要低.船舶冷庫一般設(shè)置在機(jī)艙上一層的甲板上，有的甚至與機(jī)艙相鄰，即便在設(shè)計時會增設(shè)隔離艙，但外部熱負(fù)荷滲透仍然很大.熱氣融霜耗時短，外部熱負(fù)荷滲入總量比電熱融霜時所引入的熱量少得多，冷庫內(nèi)冷藏貨物受外界溫度波動影響小，這對保證食品的冷藏品質(zhì)極其重要.

(3)熱氣融霜能耗少.與電熱融霜相比，熱氣融霜的能耗可節(jié)省92%左右.熱氣融霜，尤其是逆流熱氣融霜，可以沖刷掉蒸發(fā)器盤管中附著的油脂，降低盤管熱阻，在下一次制冷工況開始時，可極大提高盤管的傳熱系數(shù)，這對整個系統(tǒng)的節(jié)能及降低運(yùn)行成本非常有利.

在船舶冷庫設(shè)計時，許多設(shè)計人員將低溫庫融霜形式設(shè)計為電熱融霜，因為電熱融霜可以采用自動控制方式，實(shí)現(xiàn)霜層厚度的自動判斷和自動融霜，減少船舶輪機(jī)員的工作量，且安全可靠、便于維護(hù)和管理.筆者的研究僅僅是從能量的有效利用和對冷庫融霜效果方面的探討，供船舶設(shè)計人員參考，具體融霜方式還需要根據(jù)船舶實(shí)際情況而定.

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