對冷藏系統實施技術改造，提高冷庫制冷效果

王艷華，孫 團，姜應戰(海軍潛艇學院，山東 青島 266042)

對冷藏系統實施技術改造，提高冷庫制冷效果

王艷華，孫 團，姜應戰
(海軍潛艇學院，山東 青島 266042)

文章闡述了某型船用冷藏系統對保障船員執行遠洋運輸任務的重要性和其自動工作控制關系，總結了蒸發器嚴重結霜對系統的不良影響及相應融霜措施的不足，研究了更為適用的解決蒸發器嚴重結霜問題的方法。

冷藏系統；蒸發器；結霜；融霜措施

新時期，隨著我國對外經濟的不斷發展，遠洋運輸任務越來越多，船員遠航任務重。作為保障船員生活的系統，冷藏系統在船舶上用來貯藏肉類、菜類等食品，保證船員長期海上生活所需和改善伙食條件，其作用尤為重要：一旦冷藏系統故障或效率大幅降低，便會極大地影響船員遠洋運輸任務的順利完成。而低溫庫蒸發器結霜(冰)太厚就是嚴重影響冷藏系統正常工作的一個重要原因，也是長期困擾船員的一個重要問題。

1 冷藏系統的自動工作控制

冷藏系統設置高溫庫(又稱高溫冷風機，保持庫溫在0～4℃)和低溫庫(又稱低溫冷風機，保持庫溫在-10～-14 ℃)，并可分別或同時對其實施降溫。冷藏系統通常是在兩庫自動溫控工況下工作。

將轉換開關放在“自動”位置上，當庫溫達到啟動值時(菜庫4 ℃或肉庫-10 ℃)，溫度繼電器控制延時繼電器得電，水泵立即啟動，延時30 s后制冷壓縮機、冷風機自動啟動，同時供液電磁閥打開，開始制冷工作。當某一庫溫度達到停止值時(菜庫0 ℃或肉庫-14 ℃)，其供液電磁閥關閉，冷風機停止工作。當兩庫溫度都達到停止值時，制冷壓縮機、水泵、冷風機停止工作，電磁閥全部關閉。只有當制冷壓縮機、水泵停機后，冷風機才能由延時繼電器控制延時停車(可延時0～60 s)。

2 蒸發器結霜(冰)問題及其影響

2.1蒸發器結霜(冰)問題

長時間海上航行時，為貯存食品，冷藏系統工作時間較長。由于低溫庫要求的工作溫度低，而庫內濕度又大，因此會導致蒸發器表面結霜，隨著冷藏系統工作時間的不斷延長，蒸發器的結霜情況越來越嚴重，霜層厚度不斷增加，甚至結厚厚的一層冰。

2.2蒸發器表面嚴重結霜(冰)對蒸發器工作性能的影響

霜的熱阻比盤管材料(銅或鋁)的熱阻大94～443倍，冰的熱阻也比盤管材料的熱阻大了近200倍[1]。因此，蒸發器結霜太厚，甚至結冰，會嚴重影響蒸發器熱交換性能[2-5]。

1)會直接增加蒸發器的傳熱熱阻、降低蒸發器的換熱系數，使蒸發器的傳熱性能大幅下降。

2)隨著霜層厚度的增加，會逐漸堵塞蒸發器的外部空間，使通過蒸發器的空氣流量越來越小，嚴重地破壞庫內空氣與制冷劑之間的換熱，使蒸發器的換熱量大大減少。

這樣，當庫內溫度升高后，機組重新啟動對冷庫降溫，工作時間長但庫溫難以下降。

2.3現有融霜措施及效果

2.3.1 低溫冷風機融霜措施

目前，該型冷藏系統低溫庫的蒸發器主要是采用電加熱的方法進行融霜：在蒸發器的承水盤和泄水管處分別設有一個電加熱器，當霜(冰)層厚度對蒸發器換熱效果影響較大時，可接通電加熱器對蒸發器進行融霜(實際上，通常是在制冷機組停止工作后進行)。

2.3.2 電加熱融霜的效果及缺陷

電加熱融霜方法可在霜層(冰層)不太厚的情況下將霜層(冰層)融解，恢復蒸發器的換熱性能，但當霜層(冰層)厚度太大時，電加熱融霜的效果就會不理想，并且由于電加熱融霜方法本身存在的缺點，會對整個系統的工作和機組的使用壽命帶來不利的影響。

1)造成電能浪費。

2)電加熱器加熱時放出的熱量使冷庫溫度升高較快，冷熱交替頻繁，不利于食品的貯存。

3)結霜嚴重甚至結厚冰時，融霜時間太長，會導致冷庫溫度上升較大，融霜后延長了冷藏機組的工作時間，而隨著工作時間的延長，蒸發器又會重新結霜，使系統陷入“結霜→融霜→冷庫升溫快→機組工作→結霜”的死循環。

4)隨著機組工作時間的延長，機組工作的振動等因素會降低機組的使用壽命。

因此，非常有必要采取其它有效措施來解決蒸發器嚴重結霜問題。

3 解決蒸發器嚴重結霜(冰)問題的方法

3.1控制庫內的相對濕度在合理的范圍內

研究表明[6]：庫內相對濕度越大，蒸發器的結霜速度越快；同時，庫內相對濕度越大，蒸發器換熱量下降的速度越快。經過實際測量，冷藏系統運行30～45 min后，庫內相對濕度為80%的情況下，蒸發器的換熱量下降到未結霜時的84%，庫內相對濕度為70%時，蒸發器的換熱量下降為原來的87%，而庫內相對濕度為60%時，蒸發器的換熱量下降為原來的92%。因此，要使蒸發器保持較高的換熱效率，應盡量把庫內相對濕度控制在較低的水平。為此，可采取以下措施。

1)低溫庫內盡量裝載已凍結的食品，以免未凍結食品將大量水分帶入庫內，導致庫內相對濕度增大。

2)盡量控制冷藏系統所在艙室內的相對濕度在較低的水平，特別是在炎熱潮濕的夏季，可適時開啟艙室空調對艙室進行降溫除濕，以降低庫內空氣的含濕量。

3.2機組停車后，延長低溫冷風機工作時間

根據冷藏系統的工作原理和過程可知：在壓縮冷凝機組停止工作后，強制低溫冷風機繼續工作，加強庫內空氣流通，蒸發器表面所結的霜(冰)會緩慢融化(或升華)，這樣，既可解決蒸發器結霜(冰)的問題，又達到了輔助降溫的效果。因此，為取得較好的融霜效果，可適當延長低溫冷風機的工作時間。

但是，若低溫冷風機一直工作，會浪費電能并全時散發熱量，導致冷庫溫度上升速度加快，造成冷藏機組啟動次數增多。為此，必須將冷風機的延長工作時間控制在合理的范圍內。因此，對冷藏系統進行反復試驗，并將實驗結果繪制成庫溫與機組停車后冷風機工作時間關系圖，如圖1所示。

圖1 庫溫與冷風機工作時間關系圖

試驗結果表明：在壓縮冷凝機組停止工作后，低溫冷風機繼續對冷庫進行通風約35～45 min，其融霜和冷庫降溫效果最佳。

根據前述冷藏系統的自動工作控制過程可知，低溫冷風機的延時工作是由延時繼電器來控制的，其延時范圍為0～60 s。為達到使低溫冷風機在壓縮冷凝機組停車后繼續工作約35～45 min的目的，可以將控制低溫冷風機的延時繼電器2KT更換為延時范圍為0～60 min的繼電器，并將其延時工作時間調整為35～45 min。

3.3改善空氣流通路徑，增強換熱效果

3.3.1 增設低溫冷風機的吸氣風道，提高庫內空氣流通效率

如圖2和圖3所示，蒸發器及其冷風機(圖2中粗線條部分所示)安裝在冷庫的頂部艙壁上，其后部弧形所示為船舶固殼。

圖2 低溫冷風機安裝及庫內空氣循環示意圖

圖3 低溫冷風機實際安裝情況

工作時，冷風機主要從后部吸氣：空氣經過蒸發器時，被蒸發器內的制冷劑冷卻后，從前方圓形排氣口排出，如圖2中箭頭所示。這樣，庫內空氣主要圍繞冷庫上部冷風機周圍的空間循環，流動范圍小，冷庫中部空間與底部空間空氣循環流通效果差，冷庫降溫緩慢，造成冷藏機組工作時間長，容易結霜(冰)。

由冷藏系統的工作原理和熱量傳遞的相關知識可知[7-8]，冷庫內空氣流動速度越快，其制冷效果越好，但同時也會導致蒸發器結霜速度加快。因此，應當尋找庫內空氣流動的最佳速度，既能達到提高空氣循環效率的目的，又能盡可能降低蒸發器的結霜速度。研究表明[8-9]：當其它條件相同、庫內風速為1.5～2.5 m/s時，制冷系統的工作效率較高。因此，可采取措施盡量控制庫內風速在該范圍內。

又根據差壓式冷卻理論[7-10]，針對冷庫內空氣循環流通不良的情況，可以采取以下措施。

根據風機風量和控制風速的要求，可在冷風機下方和側方加裝部分吸氣擋板(約占用低溫庫0.15 m2空間，所占空間比例約為2.5%，對庫容影響不大)，并使各擋板組成一個吸氣風道，其進風口在底部，距冷庫地面約為1.1 m。

加裝吸氣風道后，冷風機從冷庫底部吸氣，迫使庫內空氣向吸氣風道的進風口處聚集，加強冷庫上下空氣流通循環，提高冷庫的工作效率。

3.3.2 加裝低溫冷風機排氣導風板

在加裝低溫冷風機吸氣通道的同時，在風機出口正對面的立面墻和頂面之間，加裝一塊傾斜角度為45°的平面導風板(具體如圖4中風機出口對面的虛線四邊形所示)。

圖4 低溫冷風機實際安裝情況示意圖

加裝導風板后，冷風機排出的冷空氣直接吹向導風板的傾斜平面，由于該平面與風機出口氣流方向成約45°的角，由流體力學的相關知識可知[7]：除少量冷空氣向左右分散改變流動方向外，絕大部分的冷空氣將向下改變流動方向，帶動了庫內中部空間和下部空間空氣的循環，消除了原來庫內空氣主要在冷庫上部空間流動循環的現象，很好地改善了庫內空氣流通路線，提高了冷庫的工作效率。

3.4合理布置凍結食品，提高冷庫的工作效率

進行凍結食品裝載時，應對食品塊的放置進行合理的布置：相鄰食品塊之間不能緊貼布置，應留有4～5 cm的間隙，便于庫內空氣在食品塊之間流動，以提高冷庫的工作效率，從而減少冷藏系統的工作時間，降低蒸發器嚴重結霜的概率。

[1]劉訓海，劉鵬，仇鑫明． 基于雙級和復迭式可切換的低溫試驗冷庫的研制[J]．上海理工大學學報，2007，26(4)：386-390.

[2]劉鳳珍，連添達，周志鵬． 低溫工況下結霜對翅片管蒸發器性能影響研究[J]．制冷與空調，2002(6)：12-14.

[3]陳瑞球，韓學延． 肋片管蒸發器結霜對傳熱性能影晌的實驗研究[J]．暖通空調，2005,35(2)：15-19.

[4]O′Neal D L，Tree D R． A review of frost formation in simple geometries[J]．ASHRAE Transactions，1985，91(2A)：267-281.

[5]姜道珠，魯墨森，劉曉輝． 影響蒸發器結霜因素及結霜對系統的影響[J]．哈爾濱商業大學學報(自然科學版)，2012，28(3)，348-351.

[6]張哲，田津津，毛力． 機械式冷藏車蒸發器結霜特性的研究[J]．低溫與超導，2010，38(9)：73-75.

[7]尉遲斌，盧士勛，周祖毅． 實用制冷與空調工程手冊[M]．2版．北京：機械工業出版社，2011.

[8]吳金玉，陳江平． 低溫工況下蒸發器結霜特性的數值模擬及試驗研究[J]．低溫工程，2008(1):33-37.

[9]賈景福，郝滿晉，趙建華． 通風流速對冷庫地坪通風防凍系統傳熱性能影響的研究[J]．計算機應用和IT技術，2009(4):57-60.

[10]劉曉東，劉鳳珍． 垂直送風式草莓差壓通風預冷實驗研究及數值模擬[J]．制冷，2001(4):20-23.

In this paper,the importance of marine cryogenic storage system is shown in guaranteeing an ocean-shipping transportation together with the relation on its auto-control. The undesirable influence and insufficient defrosting measure are concluded from the evaporator's bad frosting.And some adaptive method is researched to solve the problem.

cryogenic storage system；evaporator;frosting; defrosting measure

U674.76

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.05.009

王艷華(1976-)，男，山東德州人，講師，碩士，研究方向為機械設計、制造與管理。

2015-06-26