附加回風隔斷裝置的冷風機融霜試驗

董立橋談向東厲建國,2萬錦康

(1. 上海海洋大學食品學院，上海 201306；2. 農業部冷庫及制冷設備質量監督檢驗測試中心，上海 201306；3. 農業部水產品貯藏保鮮質量安全風險評估實驗室〔上海〕，上海 201306)

冷庫作為冷藏鏈系統中至關重要的一個環節，在食品的儲藏過程中，不僅需要在儲量上達到要求，更為關鍵的是在儲藏要求上達標。而在冷庫內的換熱器進行融霜時，庫內溫度可能受到融霜產生熱量的影響，發生較大的溫度波動，這種情況的發生不僅不利于庫內食品的存儲，影響食物的品質，還會在冷庫運行過程中消耗更多的能量[1-2]。

結霜在冷庫制冷系統中是常見現象，Sommers等[3]研究發現：在結霜的前期，形成的柱狀或是針狀的霜層會通過增加空氣的擾動達到強化傳熱的效果。但是隨著霜層的增長，霜層會呈現出無規則的加厚，加大冷風機與空氣的傳熱熱阻，增加氣流流通阻力，冷風機傳熱性能下降，制冷效率也會降低。因此，適時的除霜顯得尤為重要。冷庫中用于冷風機的除霜方式很多，常見的有電加熱除霜、熱氣除霜、淋水法、中止制冷循環法、熱氣-水融霜法[4]，除此之外，譚海輝等[5]研究發現超聲除霜也是一種應用在翅管式換熱器的高效、低能耗除霜方式。無論哪種融霜方式，融霜時所產生的熱量極易流入庫內的冷環境中，破壞庫內的溫度場，損失了用于融霜的熱量，增加了下一輪制冷周期的冷負荷[6-8]，除霜后再次降溫過程緩慢、能耗較大、影響庫內物品的貯藏質量。

鑒于以上研究，為了減少融霜產生的熱量對庫內溫度場的影響，王棟等[6]設計了一套電動隔斷裝置阻止融霜時熱量對周圍冷環境的影響，申江等[7]設計了一套冷風機外圍包裹保溫材料的保溫融霜裝置。借鑒以上2種裝置的優點，本試驗針對上海海洋大學已建的-35 ℃雙級低溫冷庫中的一臺冷風機設計一套可拆卸的回風罩加出風口蓋板的保溫隔斷裝置。通過對比不同工況下有無回風隔斷裝置庫內冷風機融霜結束后內外溫度場分布、融霜開始至恢復初始設定溫度庫內溫度場的波動以及電熱融霜結束后的能耗情況，驗證回風隔斷裝置在以上方面的優越性。

1 試驗裝置與方案

1.1 試驗裝置介紹

圖1為試驗用冷風機外型實圖，冷風機結構參數：翅片厚度0.35 mm、翅片間距6.35 mm、翅片總數163片、外表面傳熱面積34.1 m2、制冷機管15.88 mm×1 mm、管排數5排、分路數6路、總管數60根、風機有2個、風葉直徑400 mm、電機電壓380 V、單臺功率520 W。冷風機所配的電熱融霜管規格和位置可見圖3，除霜時電熱管融霜功率為6.3 kW。在排水管道內設有電加熱帶，用于融霜水的排出。從圖2中看出，冷風機附加的回風隔斷裝置分為兩部分：一部分是在冷風機進口增設可拆卸特殊結構的回風罩裝置，冷風機外面用鋼板包圍，回風罩與冷風機外壁接觸處采用保溫材料；另一部分是在冷風機出口處增設帶有出風蓋板的保溫裝置，融霜時風機停止運行，此時蓋板封閉，可以近似認為空氣無法通過出風口，起到冷熱氣流的隔斷作用。當制冷時，蓋板在風機的作用下再次打開。

1.2 溫度測點布置

本試驗采用T型銅-康銅熱電偶進行測量，精度為±0.5 ℃，溫度記錄儀型號為安捷倫 34972A，掃描頻率為10 s/次，購置于是德科技(中國)有限公司，采集的數據可保存在Excel表格中，用于后期的數據處理。

圖1 試驗用冷風機外型實圖

1. 冷風機出風口蓋板 2. 冷風機出風口 3. 風機 4. 蒸發器 5. 回風罩 6. 單個出風口局部放大圖

圖2 試驗回風隔斷裝置原理簡圖

Figure 2 Return air cover and partition device adopted in the experiment principle diagram

對于冷庫庫內溫度場，由于其在水平和垂直方向上都存在著不均勻的特點，所以在庫內的垂直方向會出現溫度梯度。由于本試驗冷庫內部尺寸為4.85 m×3.85 m×3.55 m(長×寬×高)，對于-28 ℃以下且庫房凈高在3.5～4.0 m的冷庫，豎直方向的平均溫度值可以定義為庫體中央標高1.5 m 處的溫度值[9]，故把測量庫體平均溫度的點布置在此處。

圖3和表1是熱電偶即溫度測點在冷風機內外的布置情況，溫度測點2、3、4、5、6點在冷風機內部，這些測點都在出風蓋板的內側按一定的間距排列，保證了在融霜時，可以精確地測量出風蓋板封閉后冷風機內部的溫度分布情況；在冷風機出風口設置了網罩，方便出風口溫度測點7的布置，同時在進風口回風裝置的外側布置了溫度測點1和出風口出風蓋板的外側即冷庫中央布置了溫度測點8，這2個溫度測點主要用于記錄冷風機外部的溫度情況。為了數據的完整性和準確性，對于除了溫度測點8之外的所有測點，按照冷風機左右對稱的位置分布，并且標記為1、2、3、4、5、6、7和1′、2′、3′、4′、5′、6′、7′，最后可以取對稱點的均值為試驗數據。從圖3中可以看出，各對稱測點高度距離冷風機底部為32 cm，而表1中的熱電偶位置都是相對于圖3中冷風機中軸線的相對位置，以便將融霜結束后的溫度場分布情況直觀地表現在圖4中。溫度測點8由于位于庫體中央，可以記錄庫內平均溫度在整個過程中的變化情況。制冷劑出冷風機盤管和冷風機盤管內平均溫度≥0 ℃可以作為各工況下融霜結束的依據，因此，溫度測點9布置在冷風機盤管底部最易結霜的回路上來判定是否融霜結束[10-11]。

圖3 溫度測點及電加熱管分布示意圖

Figure 3 The diagram of temperature measuring point and electric heating tube distribution

表1 冷風機內外熱電偶的分布

2 試驗結果及分析

2.1 溫度場對比

圖4顯示了在庫內溫度為-18，-20，-25，-30，-35 ℃ 5種工況下，電熱融霜結束后有無回風隔斷裝置冷風機周圍溫度場的分布情況。很明顯地看出，有無此裝置冷風機內外溫度場的分布差別很大：從剛進入冷風機的入口區(-62.30～-6.50 cm)有回風隔斷裝置的溫度上升趨勢明顯比無回風隔斷裝置的趨勢陡，這是因為有回風隔斷的系統從冷風機內部逸出的熱量大部分被回風隔斷裝置保留在了內部，對回風罩外部入口處的溫度場影響較小，又由于冷風機盤管入口的邊緣安裝了電加熱管，有無回風隔斷裝置在此位置溫度相近，所以有回風隔斷裝置的系統明顯比無回風隔斷裝置的系統在入口處溫度爬升的斜率大。在冷風機盤管區(-6.50～6.50 cm)，因為在冷風機盤管的邊緣兩側都安裝了電加熱管，所以此區域的溫度明顯高于其他區域的。又同一工況溫度下，電熱管功率恒定，加熱量基本一致，但無回風隔斷裝置系統融霜熱量散失到庫內冷環境的較多，導致融霜時間延長。有回風隔斷裝置的系統，因為底部的部分熱量釋放到盤管區的上半部分，在回風隔斷裝置的作用下，熱量得以保留，所以融霜結束后有回風隔斷裝置的盤管區溫度出現了峰值較高但是分布平緩的情況，同時這部分熱量用于融霜，所以融霜時間上得以縮短[12-13]。2種系統在風機區(6.50～39.75 cm)和冷庫內部(39.75～172.70 cm)溫度分布基本相同，但從位置172.70 cm的測點可以看出，電熱融霜結束后，有回風隔斷裝置的庫內平均溫度要比無回風隔斷裝置的低了2 ℃，說明增加回風隔斷裝置后減小了融霜過程對冷庫庫溫的影響。

圖4 電熱融霜結束后各測點溫度分布圖

Figure 4 The temperature distribution of measuring points when the end of the defrosting

圖5反映了各工況下融霜開始至恢復初始設定溫度過程中冷庫內平均溫度的波動情況。可以看出，有回風隔斷裝置的系統比無回風隔斷裝置的系統在工況為-18，-20，-25，-30，-35 ℃的溫度波動峰值分別降低了2.67，2.71，3.50，3.47，3.78 ℃，融霜時間上也平均縮短了近6 min，說明有回風隔斷裝置的冷風機對冷庫內的溫度場影響減小，并且在融霜能耗上有一定的節能作用。通過以上分析可知：電熱融霜結束的時間雖短，但是融霜結束后加熱管仍會繼續加熱一段時間，從冷風機內部溢出的熱量對庫內的溫度場產生了強烈的影響，故回風隔斷裝置在減少冷庫內溫度場的波動上起到了一定的作用。

2.2 融霜耗能對比

為了驗證回風隔斷裝置在融霜能耗上的節能效果，利用DZFC-1型電能綜合分析測試儀與冷庫電控設備的連接，可以得到各試驗工況下電熱融霜過程中所需能耗，見圖6。

由圖6可知，電熱融霜能耗隨著庫溫的下降呈現出遞增的趨勢，這是因為隨庫溫的降低，排管翅片表面霜層加厚，向周圍散熱的溫差加大，從而融霜能量增加。增加回風隔斷裝置后，在相同的工況下融霜能耗顯著低于未增加隔斷裝置的。從圖6中可知，在工況-18，-20，-25，-30，-35 ℃溫度下，增加回風隔斷裝置后，電熱融霜能耗分別縮減了7.48%，12.87%，9.11%，9.85%，8.37%，其原因為在各試驗工況下，電加熱功率基本相同，融霜時間縮短，電加熱能耗降低。又加之實際運行的冷庫系統不斷地進行融霜到再降溫制冷的循環，無回風裝置系統溢出的熱量成為了下一制冷周期的冷負荷，導致有隔斷裝置系統的壓縮機功率偏小[14]。因此，有回風隔斷裝置的系統在電熱融霜能耗方面有突出優勢。

圖5 各工況下有無回風隔斷裝置融霜過程中庫內平均溫度波動曲線

Figure 5 The conditions for return air cover and partition device in the process of the rolls average temperature fluctuation curve

圖6 各工況溫度下有無隔斷裝置的電熱融霜能耗對比圖

Figure 6 The chart of defrosting energy consumption comparison with Insulation device or not at different working condition

3 結論

對一臺低溫庫庫內冷風機結霜特性進行了試驗研究，通過比較有無回風隔斷裝置在庫內工況分別為-18，-20，-25，-30，-35 ℃ 5種條件下，電熱融霜結束時冷風機內外溫度場的分布、融霜開始至恢復初始設定溫度庫內溫度場的波動以及電熱融霜結束后系統的能耗情況，得出以下結論：增加回風隔斷裝置后，冷風機盤管內部測點的溫度明顯提高且分布均勻，提高了電加熱的熱量利用率，縮短了融霜時間；降低了對冷風機外部溫度場的破壞，將冷庫內溫度場的波動降低了近3.2 ℃；在融霜開始至恢復初始設定溫度值時間上縮短了近360 s，電熱融霜的能耗和壓縮機功率降低，系統運行的總能耗降低了近9.54%，與申江等[7]設計的附加保溫裝置得出的試驗結論基本相同，并在縮短融霜時間上又提高了60 s，說明本試驗設計的回風隔斷裝置在系統融霜過程中同樣具有降低庫內溫度波動以及減少融霜時間的作用，但相較于后者，回風隔斷裝置具有易安裝、易拆卸、成本低等優點。

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