供液方式對蒸發平板溫度場的影響

賀衛東 萬金慶 黃明磊 葛 瑞

(1. 上海海洋大學食品學院，上海 201306；2. 上海冷鏈裝備性能與節能評價專業技術服務平臺，上海 201306)

中國經濟的快速發展加劇了能源的消耗，其中制冷行業屬于高耗能產業，其節能方面的研究意義重大[1-2]。同時水產業迅猛發展，水產品的加工、運輸和貯藏等環節的冷凍與保藏非常重要，而平板速凍機以凍結速度快，操作簡便等優點在水產業得到了廣泛應用[3]。

在制冷系統的設計中，節流元件的選擇非常重要，節流元件應用錯誤或選型不當，通常會造成系統運行困難和性能下降。制冷系統流量控制元件一般有4種：毛細管、節流孔、熱力膨脹閥和電子膨脹閥[4]。其中熱力膨脹閥因為綜合性能和價格的優勢，在中小型制冷系統中得到了廣泛應用，如應用于食品陳列柜、鼓風凍結裝置、制冰設備、冰淇淋柜和空調裝置[5]。射流泵結構簡單，不需要任何電力驅動。射流泵首次用作節流裝置的研究是在20世紀80年代，Lorentzen等[6]用射流泵代替節流閥，優化蒸發器性能。隨著數值模擬技術的發展，近年來射流泵的研究逐漸變成熱點。張棣等[7]使用不同的網格劃分方法研究了射流泵性能的數值模擬與試驗結果的適應程度；Dopazo等[8]在NH3/CO2復疊系統中使用射流泵供液得到了一個3.1倍的循環倍率； Lawrence等[9]針對制冷劑節流損失的不同，研究了不同制冷劑在射流泵系統中的節能效果差異；Jeon等[10]研究了COS射流泵循環系統中最佳的射流泵幾何參數和工況變化對射流泵性能的影響；肖欣等[11]利用數值模擬分析了射流泵內部壓力的分布，并對結構進行了優化；田曉雨等[12]研究了不同冷凝溫度對射流泵供液的速凍機性能的影響；Arun等[13]使用三維模型模擬了噴嘴的最優位置和內部流場的分布。

目前對于射流泵在制冷系統中應用的研究大部分停留在數值模擬階段，而實際應用中的試驗數據較少。在已有的射流泵研究基礎上，本試驗擬在相同工況時，研究膨脹閥和射流泵2種供液方式下速凍機蒸發平板的溫度分布，旨在為從凍結均勻性方面解釋射流泵供液的優越性，為進一步優化平板供液提供理論依據。

1 試驗臺系統

基于本試驗小組提出的射流泵節流供液循環系統專利[14]，搭建平板速凍機綜合實驗臺，其中包含熱力膨脹閥供液和射流泵供液2種循環，系統原理簡圖見圖1。

1. 油分離器 2. 冷凝器 3. 壓縮機 4. 氣液分離供液桶 5. 低氣液分離循環桶 6. 平板蒸發器 7. 熱力膨脹閥 8. 射流泵 9. 回油換熱器 10. 流量計 11. 高壓儲液桶 12. 磁翻板液位計

圖1 2種不同供液方式系統原理圖

Figure 1 Schematic diagram of different fluid supply systems

(1) 熱力膨脹閥供液：該系統由壓縮機、冷凝器、高壓貯液桶、熱力膨脹閥、蒸發平板組成。根據圖1，熱力膨脹閥供液時，打開閥門V2、V3、電磁閥YV4，其他閥門全部關閉(未標注閥門均為打開狀態)。冷凝后的制冷劑通過熱力膨脹閥直接進入平板內蒸發。膨脹閥供液系統原理圖見圖2。

圖2 膨脹閥供液系統原理圖Figure 2 Schematic diagram of expansion valve system

(2) 射流泵供液：該系統由壓縮機、冷凝器、高壓貯液桶、氣液分離循環桶、氣液分離供液桶、平板蒸發器組成。根據圖1，射流泵供液系統運行時，關閉截止閥V1、V3、V5、電磁閥YV4，其他閥門全部打開(未標注閥門均為打開狀態)。氣液分離循環桶的液態制冷劑會被射流泵抽回，經過氣液分離供液桶分離后，液態制冷劑繼續循環供給蒸發器，而氣態制冷劑則被壓縮機抽回。射流泵供液系統原理圖見圖3。

圖3 射流泵供液系統原理圖Figure 3 Schematic diagram of ejector system

2 試驗裝置與結果分析

試驗在南通的春季進行。試驗臺單級半封閉螺桿壓縮機：型號HSN7471-75，功率55 kW，比澤爾壓縮機(北京)有限公司；機組配置水冷式冷凝器，平板尺寸2 000 mm×1 260 mm，數量12塊(22個面)，層間距55～100 mm，凍結能力1 300 kg/批；制冷劑：R507，上海銳一貿易有限公司；凍品溫度采用T型熱電偶進行測量，精度為±0.5 ℃，溫度記錄儀表型號為安捷34972A，掃描頻率為10 s/次，華儀儀表有限公司；采用DZFC-1型的電能綜合分析測試儀測量系統能耗，德科技有限公司。速凍機每層平板放置8個托盤，將海綿放入托盤并加適量純水，使海綿和平板充分接觸，以此模擬凍品。選取平板中心處的托盤布置溫度測點，并置于托盤中心位置。本次試驗冷凝溫度為35 ℃，當所有測點均降至-18 ℃以下時，凍結過程完成。本次試驗選取第1、6、11層3個最有代表性平板的進出口4個托盤布置測點，平板速凍機分別在膨脹閥和射流泵供液方式下，各測點的凍結曲線見圖4、5。

凍品初始溫度以10 ℃為基準，2種供液方式下平板速凍機凍結性能見表1。

從圖4、5和表1看出，膨脹閥供液時，凍品整體溫度分布比較混亂，各層平板溫差較大，凍結結束時最大溫差可達17.5 ℃，最低凍品溫度達到了-35.9 ℃，遠遠超過了-18 ℃的目標溫度。射流泵供液時，各層凍品溫度分布均勻，凍結結束時最低凍品溫度為-23.68 ℃；從整體上看射流泵供液時的平板溫差有從下到上逐漸增大的規律。從凍結時間上分析，膨脹閥供液第1個達到-18 ℃的凍品只用了89 min，距離整個試驗結束相差42 min，因為溫度分布不均極大地拉長了凍結時間和凍結結束時的溫差，增大了能耗。射流泵供液在111 min時第1個測點達到目標溫度，10 min后所有測點凍結完畢，相比膨脹閥不會因為已經達到目標溫度的測點溫度一直下降而導致太多電能的浪費。分析原因有：

(1) 經過膨脹閥節流的制冷劑因為存在一定的閃發，導致供到平板內的制冷劑分布不均，從而使溫度場混亂；而射流泵供液系統保證了平板的純液體供液，而且供液量大于平板的蒸發量，充分地浸潤平板使其溫度場更加均勻。

圖4 膨脹閥供液不同平板凍品溫度曲線Figure 4 The freezing curve of expansion valve system

圖5 射流泵供液不同平板凍品溫度曲線Figure 5 The freezing curve of ejector system表1 2種供液方式凍結性能對比Table 1 The freezing performance of two fluid supply system

供液方式第1層溫差/℃第6層溫差/℃第11層溫差/℃測點最高溫差/℃凍結時間t/min能耗E/(kW·h)膨脹閥8.9917.5512.4917.5513178.7射流泵4.253.451.115.5412172.9

(2) 射流泵供液凍結效果底部平板優于上部，是因為制冷劑進入平板前經過了豎管的分配，由于重力的作用使下方平板的制冷劑量大于上方平板，過量的制冷劑加快了平板的凍結速率，同時平板各處溫度均勻下降，提升了凍結的質量。

3 結論

(1) 使用膨脹閥供液時，平板中所有測點的最高溫差達到了17.55 ℃，與-18℃的目標溫度相比，過高的溫差導致了能耗的增加；而使用射流泵供液使平板溫度分布更加均勻，凍結結束時，平板中測點的最高溫差只有5.54 ℃，一定程度上保證了凍品的品質。

(2) 使用射流泵供液時各層平板溫度分布較為一致，但是整體的凍結效果從上到下逐漸變優，底層的凍結時間比最上層大約減少9.1%，同時，系統的最高溫差也分布在最上層的平板上。

平板溫度的分布可以影響到系統的凍結時間和能耗。針對射流泵供液整體上下不均勻的問題，如果在平板前使用分液頭分配制冷劑，可以進一步優化溫度場分布，提升凍結效果。