頂置蓄冷板對(duì)冷庫融霜時(shí)庫溫波動(dòng)的影響

楊 鳳 劉清江 宋瑞亭 郭 凱

(1. 天津商業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300134；2. 天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300134)

冷風(fēng)機(jī)進(jìn)行融霜過程中，部分融霜熱會(huì)耗散至冷庫內(nèi)部，使庫溫發(fā)生較大波動(dòng)，不僅損害食品品質(zhì)，而且在冷庫運(yùn)行過程中會(huì)消耗更多的能量[1-3]。目前冷風(fēng)機(jī)融霜方式主要包括熱氣融霜、電加熱器除霜、人工掃霜、連續(xù)融霜、水沖霜、液體冷媒除霜[4]、復(fù)合除霜[5]、超聲除霜[6]等。但無論采取以上哪種除霜方式，都會(huì)有較多的熱負(fù)荷流入到冷庫內(nèi)，增大融霜能耗，并導(dǎo)致庫溫波動(dòng)，食品品質(zhì)降低[7-8]。

針對(duì)上述問題，申江等[9]提出了一種附加保溫融霜裝置的冷風(fēng)機(jī)，發(fā)現(xiàn)保溫融霜裝置可以起到穩(wěn)定庫溫和縮短融霜時(shí)間的作用。王棟等[10-11]研究表明，附加隔斷裝置可以降低電熱除霜能耗，降低融霜時(shí)庫溫波動(dòng)和融霜時(shí)間。目前，在食品冷鏈中采用蓄冷裝置是一種有效維持用冷單元低溫，降低溫度波動(dòng)的方法。么宇等[12]研究發(fā)現(xiàn)，采用蓄冷板作為擱架時(shí)可以降低柜內(nèi)溫度梯度，增強(qiáng)冷藏陳列柜的保溫效果。黃榮鵬等[13]發(fā)現(xiàn)蓄冷板可以保證冷藏車內(nèi)溫度，保持更長時(shí)間的低溫，且車內(nèi)溫度分布更均勻。試驗(yàn)擬針對(duì)已有的低溫冷庫附加頂置蓄冷板，在兩臺(tái)冷風(fēng)機(jī)并聯(lián)連續(xù)融霜的基礎(chǔ)上，通過對(duì)比有無頂置蓄冷板、制冷風(fēng)機(jī)表面有無霜層時(shí)冷庫融霜庫溫波動(dòng)和能耗情況，驗(yàn)證頂置蓄冷板在以上方面的優(yōu)越性，旨在為減少融霜時(shí)產(chǎn)生的熱量對(duì)庫內(nèi)溫度的影響，保障冷藏食品的存儲(chǔ)。

1 連續(xù)融霜系統(tǒng)概況

連續(xù)融霜系統(tǒng)工作原理如圖1所示，該系統(tǒng)是由壓縮冷凝機(jī)組、并聯(lián)冷風(fēng)機(jī)、1對(duì)熱力膨脹閥、1個(gè)能量調(diào)節(jié)閥、8個(gè)電磁閥、儲(chǔ)液器等輔助設(shè)備組成，系統(tǒng)通過電磁閥的啟閉改變制冷劑的流程來實(shí)現(xiàn)制冷及融霜過程。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行制冷時(shí)，電磁閥V1，V3，V6，V8開啟，能量調(diào)節(jié)閥12打開，單向閥8關(guān)閉，其余電磁閥關(guān)閉，此時(shí)冷風(fēng)機(jī)A、B并聯(lián)，達(dá)到兩臺(tái)冷風(fēng)機(jī)同時(shí)制冷的效果。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行除霜時(shí)，電磁閥V1，V3，V5，V7(或V2，V4，V6，V8)打開，單向閥8打開，電磁閥V2，V4，V6，V8(或V1，V3，V5，V7)關(guān)閉，將能量調(diào)節(jié)閥12回轉(zhuǎn)一定的角度對(duì)融霜和制冷的制冷劑流量進(jìn)行分配，冷風(fēng)機(jī)A制冷，冷風(fēng)機(jī)B融霜(或冷風(fēng)機(jī)B制冷，冷風(fēng)機(jī)A融霜)。為了準(zhǔn)確測(cè)量冷庫內(nèi)溫度場(chǎng)的變化情況，選取冷庫垂直高度0.0，0.7，1.4，2.0 m 4個(gè)截面布置溫度測(cè)點(diǎn)，每個(gè)截面均勻布置12個(gè)測(cè)點(diǎn)，庫內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

1. 壓縮機(jī) 2. 氣液分離器 3. 冷風(fēng)機(jī)A 4. 熱力膨脹閥 5. 冷風(fēng)機(jī)B 6. 熱力膨脹閥 7. 儲(chǔ)液器 8. 單向閥 9. 視液鏡 10. 干燥器 11. 截止閥 12. 能量調(diào)節(jié)閥 13. 冷凝器 14. 冷卻塔 15. 循環(huán)水泵 16. 油分離器 V1～V8. 電磁閥 T. 溫度測(cè)點(diǎn) TP. 溫度及壓力測(cè)點(diǎn)

圖2 庫內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)分布示意圖

2 試驗(yàn)裝置與過程

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在尺寸為2.8 m×1.8 m×2.0 m，中間包裹厚度10 cm 的聚氨酯泡沫塑料為保溫層的小型冷庫中進(jìn)行。制冷系統(tǒng)由三洋C-L228F型壓縮冷凝機(jī)組和并聯(lián)冷風(fēng)機(jī)組成，制冷工質(zhì)為R22。冷風(fēng)機(jī)蒸發(fā)總面積為15 m2，蒸發(fā)管徑16 mm，翅片厚度0.2 mm，管間距6 mm。采用熱平衡法計(jì)算制冷量，通過型號(hào)為D20型、加熱功率為15 kW 的暖風(fēng)機(jī)和功率為0.2 kW的電動(dòng)調(diào)壓器控制實(shí)現(xiàn)；冷庫內(nèi)濕度控制和調(diào)節(jié)采用YLC-6Z型超聲波加濕器, 加濕量為6 kg/h。控制柜實(shí)現(xiàn)庫溫設(shè)置及制冷和融霜過程的切換。冷風(fēng)機(jī)前后靜壓差測(cè)量選取ZP-W型數(shù)字式微壓差計(jì)，在靠近冷風(fēng)機(jī)進(jìn)出口的中間位置布置壓力測(cè)點(diǎn)，數(shù)字微壓差計(jì)的兩個(gè)輸入管口分別用于連接進(jìn)出口的壓力測(cè)點(diǎn)，用以測(cè)量結(jié)霜過程中冷風(fēng)機(jī)前后靜壓差變化。數(shù)據(jù)采集通過熱電偶、Pt 100溫度計(jì)、MX100數(shù)據(jù)采集儀實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)中利用搭建的鐵架將蓄冷板盒拼接組裝在庫頂?shù)奈恢?，并均勻分布在并?lián)冷風(fēng)機(jī)風(fēng)扇側(cè)。

2.2 試驗(yàn)過程

首先對(duì)冷庫進(jìn)行降溫加濕，電磁閥V1，V3，V6，V8開啟，能量調(diào)節(jié)閥打開，單向閥關(guān)閉，其余電磁閥關(guān)閉，此時(shí)并聯(lián)風(fēng)機(jī)同時(shí)制冷，待庫溫穩(wěn)定至-18 ℃時(shí)，通過加濕器對(duì)冷庫進(jìn)行加濕，濕度控制在(90±5)% RH，試驗(yàn)過程中外界環(huán)境溫度為18 ℃左右。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)微壓差計(jì)檢測(cè)值為70 Pa時(shí)，霜層結(jié)霜厚度約為3 mm結(jié)霜嚴(yán)重，微壓差計(jì)檢測(cè)值為17 Pa左右時(shí)冷風(fēng)機(jī)幾乎無霜，因此將微壓差計(jì)示數(shù)70，17 Pa分別作為觸發(fā)融霜、結(jié)束融霜的標(biāo)志。當(dāng)冷風(fēng)機(jī)B的微壓差計(jì)數(shù)達(dá)70 Pa，冷風(fēng)機(jī)A的微壓差計(jì)示數(shù)>17 Pa時(shí)，冷風(fēng)機(jī)A制冷且風(fēng)機(jī)翅片有霜，電磁閥V1，V3，V5，V7打開，單向閥8打開，能量調(diào)節(jié)閥12回轉(zhuǎn)一定角度，其余電磁閥關(guān)閉，對(duì)冷風(fēng)機(jī)B除霜。當(dāng)冷風(fēng)機(jī)A的微壓差計(jì)達(dá)70 Pa，冷風(fēng)機(jī)B的微壓差計(jì)示數(shù)<17 Pa時(shí)，冷風(fēng)機(jī)B制冷且風(fēng)機(jī)翅片有霜，電磁閥V2，V4，V6，V8打開，單向閥8打開，能量調(diào)節(jié)閥12回轉(zhuǎn)一定角度，其余電磁閥關(guān)閉，對(duì)冷風(fēng)機(jī)A進(jìn)行除霜。當(dāng)并聯(lián)冷風(fēng)機(jī)前后靜壓差都<17 Pa時(shí)，電磁閥V1，V3，V6，V8開啟，其余電磁閥關(guān)閉，單向閥8關(guān)閉，除霜結(jié)束，恢復(fù)并聯(lián)風(fēng)機(jī)制冷。記錄數(shù)據(jù)，并分析對(duì)比冷庫有無頂置蓄冷板時(shí)，不同截面溫度在4種工況下隨融霜時(shí)間的變化情況。

2.3 蓄冷板數(shù)的計(jì)算

分別按式(1)、(2)計(jì)算耗散到冷庫環(huán)境中的融霜熱和低溫相變蓄冷溶液的結(jié)冰量。

Q=Cp·m·Δt，

(1)

(2)

式中：

Q——耗散到冷庫環(huán)境的融霜熱，kJ；

Cp——庫內(nèi)空氣比熱容，kJ/(kg·℃)；

m——庫內(nèi)空氣質(zhì)量，kg；

Δt——庫溫平均波動(dòng)值，℃;

V結(jié)冰——低溫相變蓄冷溶液的結(jié)冰量，m3；

ρ——低溫相變蓄冷溶液密度，kg/m3；

hfs——低溫相變蓄冷溶液相變潛熱，kJ/kg。

當(dāng)冷庫中未安裝蓄冷板時(shí)，-(18±0.5) ℃下系統(tǒng)融霜開始至結(jié)束整個(gè)過程中庫溫平均波動(dòng)值△t為5.3 ℃，代入式(1)得耗散到冷庫環(huán)境中的融霜熱Q為5 423 kJ。查得低溫相變蓄冷溶液凍結(jié)溫度在-18 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的相變潛熱hfs為300 kJ/kg；密度ρ為1 160 kg/m3，代入式(2)得低溫相變蓄冷溶液的結(jié)冰量V結(jié)冰為0.015 61 m3。

鑒于低溫相變蓄冷溶液70%的融冰率，則實(shí)際需要的蓄冷劑量為0.022 3 m3。試驗(yàn)中所使用的蓄冷板尺寸為11.5 cm×3 cm×18 cm，因?qū)嶋H配制的蓄冷劑密度在液體和固體兩種狀態(tài)時(shí)不同，蓄冷板需預(yù)留有20%的膨脹空間，經(jīng)計(jì)算該蓄冷裝置實(shí)際由45塊蓄冷板盒組成。

3 結(jié)果與分析

3.1 冷風(fēng)機(jī)A制冷且有霜，冷風(fēng)機(jī)B融霜

圖3為庫溫-(18±0.5) ℃時(shí)，空庫和安裝蓄冷板冷庫截面溫度隨融霜時(shí)間的變化曲線。融霜過程中，兩種工況下冷庫各截面溫度變化趨勢(shì)基本一致。當(dāng)融霜時(shí)間為0～240 s時(shí)，各截面溫度變化趨于平緩，但冷庫底部的截面溫度略低于上部的截面溫度，是由于融霜初期融霜熱首先從霜層內(nèi)部以導(dǎo)熱方式融化霜層，僅少部分融霜熱經(jīng)冷風(fēng)機(jī)擴(kuò)散至庫頂上部。當(dāng)融霜時(shí)間為240～600 s時(shí)，冷庫各截面溫度上升加快，隨著融霜過程的進(jìn)行，部分霜層融化，相對(duì)較多的融霜熱擴(kuò)散到冷庫中。當(dāng)融霜時(shí)間為600～720 s時(shí)，冷庫各截面溫度趨于平緩，是由于融霜中期，冷風(fēng)機(jī)翅片表面的霜層吸收大量的融霜熱發(fā)生相變?nèi)诨伤?，因此耗散到冷庫中的熱量減少。當(dāng)融霜時(shí)間>800 s時(shí)，冷庫各截面溫度上升明顯，是由于融霜后期暴露在環(huán)境中的翅片和銅管面積增大，大量的融霜熱經(jīng)輻射和熱交換的方式擴(kuò)散至冷庫中。

由圖3可知，整個(gè)融霜過程中帶蓄冷板的冷庫各截面溫度均低于空庫。融霜最后時(shí)刻，空庫在0.0，0.7，1.4，2.0 m 4個(gè)截面處的平均溫度分別為-13.26，-13.10，-12.63，-11.62 ℃；帶蓄冷板冷庫的平均溫度分別為-14.88，-14.80，-14.36，-16.70 ℃，說明融霜結(jié)束后，帶蓄冷板冷庫的截面溫度低于空庫，且在0.0，0.7，1.4，2.0 m 4個(gè)截面處的溫度波動(dòng)值分別降低了31.0%，31.5%，30.5%，78.6%。帶蓄冷板冷庫在2 m截面處的溫度變化緩慢，且溫度最低，是由于融霜過程中，蓄冷板中的低溫蓄冷劑通過相變吸收了上升至庫頂?shù)娜谒獰帷＞C上，冷庫頂部設(shè)置蓄冷板能減少在融霜過程中融霜熱向冷庫擴(kuò)散，穩(wěn)定庫內(nèi)溫度。

圖3 有無蓄冷板融霜過程中冷庫各截面溫度波動(dòng)曲線

圖4為庫溫-(18±0.5) ℃時(shí)，空庫和安裝蓄冷板冷庫截面溫差隨融霜時(shí)間的變化曲線。兩種工況下，0.0，0.7，1.4 m 3個(gè)截面處的溫差變化趨勢(shì)基本一致，2.0 m截面處的溫差變化較大。融霜初期，帶頂置蓄冷板冷庫在2.0 m截面處的溫差為0 ℃，整體變化趨勢(shì)較為平緩，是由于蓄冷板中固液兩態(tài)的低溫蓄冷劑吸收擴(kuò)散至庫頂?shù)拇蟛糠秩谒獰岚l(fā)生相變，且相變過程中持續(xù)吸收融霜熱，因此庫頂截面溫差變化緩慢。帶蓄冷板冷庫和空庫在0.0，0.7，1.4，2.0 m截面處的溫差分別相差1.54，1.63，1.75，5.01 ℃，說明帶蓄冷板冷庫的上方區(qū)域受融霜熱的影響較大，進(jìn)一步表明附加頂置蓄冷板對(duì)冷庫底層的溫度影響較小，利于庫內(nèi)食品的貯藏；2.0 m截面處的溫差由6.33 ℃減小至1.32 ℃，說明利用蓄冷板中低溫蓄冷劑的相變特性吸收了較多融霜熱。

圖4 有無蓄冷板融霜過程中冷庫各截面溫差波動(dòng)曲線

3.2 冷風(fēng)機(jī)B制冷且無霜，冷風(fēng)機(jī)A融霜

冷風(fēng)機(jī)B融霜結(jié)束后，需開啟冷風(fēng)機(jī)B，對(duì)滯留在冷風(fēng)機(jī)B表面的水滴進(jìn)行清理，防止結(jié)成冰層。然后冷庫重新制冷，蓄冷板重新凍結(jié)。當(dāng)冷庫再次運(yùn)行至溫度場(chǎng)穩(wěn)定，冷風(fēng)機(jī)A微壓差示數(shù)達(dá)到70 Pa，冷風(fēng)機(jī)B微壓差計(jì)示數(shù)<17 Pa，此時(shí)在制冷風(fēng)機(jī)無霜狀態(tài)下，研究融霜熱對(duì)空庫和帶蓄冷板溫度場(chǎng)的影響。

由圖5可知，在制冷風(fēng)機(jī)有無霜層時(shí)，帶蓄冷板冷庫和空庫的截面溫度變化趨勢(shì)基本一致。主要區(qū)別在于，相對(duì)于制冷風(fēng)機(jī)有霜狀態(tài)下，空庫的制冷風(fēng)機(jī)在無霜時(shí)融霜時(shí)間縮短了165 s；帶蓄冷板冷庫的制冷風(fēng)機(jī)在無霜時(shí)融霜時(shí)間縮短了163 s。融霜最終時(shí)刻，制冷風(fēng)機(jī)無霜時(shí)帶蓄冷板冷庫在0.0，0.7，1.4，2.0 m截面處的溫度分別減小了1.00，0.92，1.04，0.12 ℃。這是由于在制冷風(fēng)機(jī)有霜狀態(tài)下，冷風(fēng)機(jī)表面的霜層形成一層熱阻，減小制冷工質(zhì)與翅片側(cè)空氣的換熱量，導(dǎo)致流入融霜冷風(fēng)機(jī)管路的制冷工質(zhì)流量減少，延長融霜時(shí)間，使融霜結(jié)束后庫內(nèi)溫度波動(dòng)較大，說明制冷風(fēng)機(jī)在無霜狀態(tài)下進(jìn)行融霜，可以減小庫內(nèi)溫度波動(dòng)，并且縮短融霜時(shí)間。

圖5 有無蓄冷板融霜過程中冷庫各截面溫度波動(dòng)曲線

由圖6可知，帶蓄冷板冷庫和空庫的截面溫差在制冷風(fēng)機(jī)有無霜層時(shí)的變化趨勢(shì)基本一致，但制冷風(fēng)機(jī)無霜時(shí)的各截面溫差低于制冷風(fēng)機(jī)有霜時(shí)的各截面溫差，且融霜時(shí)間縮短，說明在冷庫連續(xù)融霜系統(tǒng)中，制冷風(fēng)機(jī)在無霜時(shí)更利于減小庫溫波動(dòng)，融霜能耗更低。

圖6 有無蓄冷板融霜過程中冷庫各截面溫差波動(dòng)曲線

3.3 庫內(nèi)溫度分析

由圖7可知，4種工況下，融霜過程中庫內(nèi)整體溫度隨融霜時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致。融霜最終時(shí)刻，在制冷風(fēng)機(jī)有霜狀態(tài)下，空庫的庫內(nèi)溫度為-12.64 ℃，安裝蓄冷板的冷庫庫內(nèi)溫度為-15.16 ℃，安裝蓄冷板的冷庫比空庫時(shí)的庫溫波動(dòng)減小了2.52 ℃；在制冷風(fēng)機(jī)無霜狀態(tài)下，空庫的庫內(nèi)溫度為-13.00 ℃，安裝蓄冷板的冷庫庫內(nèi)溫度為-15.94 ℃，安裝蓄冷板的冷庫比空庫時(shí)的庫溫波動(dòng)減小了2.94 ℃；與制冷風(fēng)機(jī)有霜狀態(tài)下相比，制冷風(fēng)機(jī)在無霜狀態(tài)下的融霜時(shí)間縮短了近170 s。以上分析從整體說明了帶蓄冷板冷庫在融霜過程中庫溫波動(dòng)可降低近3 ℃，且制冷風(fēng)機(jī)在無霜狀態(tài)下進(jìn)行融霜可以更好地減小庫溫波動(dòng)，縮短融霜時(shí)間。

圖7 各工況下有無蓄冷板融霜過程中庫內(nèi)溫度波動(dòng)曲線

3.4 融霜能耗分析

由于系統(tǒng)采用定頻融霜，融霜時(shí)間與融霜能耗呈正比。由圖3可知，冷風(fēng)機(jī)B融霜，冷風(fēng)機(jī)A制冷且有霜狀態(tài)下，空庫與頂置蓄冷板冷庫融霜時(shí)間分別為1 085，1 100 s，頂置蓄冷板冷庫融霜時(shí)間降低了1.36%，則冷庫融霜能耗降低了1.36%。由圖5可知，冷風(fēng)機(jī)A融霜，冷風(fēng)機(jī)B制冷且無霜狀態(tài)下，空庫與頂置蓄冷板冷庫融霜時(shí)間分別為920，937 s，頂置蓄冷板融霜時(shí)間降低了1.81%，則頂置蓄冷板冷庫融霜能耗降低了1.81%。

4 結(jié)論

基于連續(xù)融霜的冷庫，研究了增加頂置蓄冷板對(duì)冷庫融霜時(shí)庫溫波動(dòng)、融霜能耗的影響。結(jié)果表明：制冷風(fēng)機(jī)有霜時(shí)，頂置蓄冷板冷庫比空庫在0.0，0.7，1.4，2.0 m 4個(gè)截面處的溫度波動(dòng)分別降低了31.0%，31.5%，30.5%，78.6%，庫溫波動(dòng)減小了2.52 ℃，融霜能耗減小了1.36%；制冷風(fēng)機(jī)無霜時(shí)，頂置蓄冷板冷庫比空庫在4個(gè)截面處的溫度波動(dòng)分別降低了49.0%，47.8%，48.1%，78.7%，庫溫波動(dòng)減小了2.94 ℃，融霜能耗減小了1.81%。說明頂置蓄冷板在融霜過程中可以有效降低融霜熱對(duì)庫溫波動(dòng)的影響；制冷風(fēng)機(jī)在無霜狀態(tài)下進(jìn)行融霜可以更好地減小庫溫波動(dòng)且降低融霜耗能，對(duì)保證冷庫貯藏食品品質(zhì)有重要意義。后續(xù)可以研究風(fēng)機(jī)翅片側(cè)安裝蓄冷板對(duì)庫溫波動(dòng)的影響，探究蓄冷板最佳安裝方式以最大程度降低冷庫融霜時(shí)的庫溫波動(dòng)。