頂置蓄冷板對冷庫融霜時庫溫波動的影響

楊 鳳 劉清江 宋瑞亭 郭 凱

(1. 天津商業大學機械工程學院，天津 300134；2. 天津市制冷技術重點實驗室，天津 300134)

冷風機進行融霜過程中，部分融霜熱會耗散至冷庫內部，使庫溫發生較大波動，不僅損害食品品質，而且在冷庫運行過程中會消耗更多的能量[1-3]。目前冷風機融霜方式主要包括熱氣融霜、電加熱器除霜、人工掃霜、連續融霜、水沖霜、液體冷媒除霜[4]、復合除霜[5]、超聲除霜[6]等。但無論采取以上哪種除霜方式，都會有較多的熱負荷流入到冷庫內，增大融霜能耗，并導致庫溫波動，食品品質降低[7-8]。

針對上述問題，申江等[9]提出了一種附加保溫融霜裝置的冷風機，發現保溫融霜裝置可以起到穩定庫溫和縮短融霜時間的作用。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，降低融霜時庫溫波動和融霜時間。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，降低溫度波動的方法。么宇等[12]研究發現，采用蓄冷板作為擱架時可以降低柜內溫度梯度，增強冷藏陳列柜的保溫效果。黃榮鵬等[13]發現蓄冷板可以保證冷藏車內溫度，保持更長時間的低溫，且車內溫度分布更均勻。試驗擬針對已有的低溫冷庫附加頂置蓄冷板，在兩臺冷風機并聯連續融霜的基礎上，通過對比有無頂置蓄冷板、制冷風機表面有無霜層時冷庫融霜庫溫波動和能耗情況，驗證頂置蓄冷板在以上方面的優越性，旨在為減少融霜時產生的熱量對庫內溫度的影響，保障冷藏食品的存儲。

1 連續融霜系統概況

連續融霜系統工作原理如圖1所示，該系統是由壓縮冷凝機組、并聯冷風機、1對熱力膨脹閥、1個能量調節閥、8個電磁閥、儲液器等輔助設備組成，系統通過電磁閥的啟閉改變制冷劑的流程來實現制冷及融霜過程。當系統進行制冷時，電磁閥V1，V3，V6，V8開啟，能量調節閥12打開，單向閥8關閉，其余電磁閥關閉，此時冷風機A、B并聯，達到兩臺冷風機同時制冷的效果。當系統進行除霜時，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)關閉，將能量調節閥12回轉一定的角度對融霜和制冷的制冷劑流量進行分配，冷風機A制冷，冷風機B融霜(或冷風機B制冷，冷風機A融霜)。為了準確測量冷庫內溫度場的變化情況，選取冷庫垂直高度0.0，0.7，1.4，2.0 m 4個截面布置溫度測點，每個截面均勻布置12個測點，庫內溫度測點布置如圖2所示。

1. 壓縮機 2. 氣液分離器 3. 冷風機A 4. 熱力膨脹閥 5. 冷風機B 6. 熱力膨脹閥 7. 儲液器 8. 單向閥 9. 視液鏡 10. 干燥器 11. 截止閥 12. 能量調節閥 13. 冷凝器 14. 冷卻塔 15. 循環水泵 16. 油分離器 V1～V8. 電磁閥 T. 溫度測點 TP. 溫度及壓力測點

圖2 庫內溫度測點分布示意圖

2 試驗裝置與過程

2.1 試驗裝置

試驗在尺寸為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行。制冷系統由三洋C-L228F型壓縮冷凝機組和并聯冷風機組成，制冷工質為R22。冷風機蒸發總面積為15 m2，蒸發管徑16 mm，翅片厚度0.2 mm，管間距6 mm。采用熱平衡法計算制冷量，通過型號為D20型、加熱功率為15 kW 的暖風機和功率為0.2 kW的電動調壓器控制實現；冷庫內濕度控制和調節采用YLC-6Z型超聲波加濕器, 加濕量為6 kg/h。控制柜實現庫溫設置及制冷和融霜過程的切換。冷風機前后靜壓差測量選取ZP-W型數字式微壓差計，在靠近冷風機進出口的中間位置布置壓力測點，數字微壓差計的兩個輸入管口分別用于連接進出口的壓力測點，用以測量結霜過程中冷風機前后靜壓差變化。數據采集通過熱電偶、Pt 100溫度計、MX100數據采集儀實現。試驗中利用搭建的鐵架將蓄冷板盒拼接組裝在庫頂的位置，并均勻分布在并聯冷風機風扇側。

2.2 試驗過程

首先對冷庫進行降溫加濕，電磁閥V1，V3，V6，V8開啟，能量調節閥打開，單向閥關閉，其余電磁閥關閉，此時并聯風機同時制冷，待庫溫穩定至-18 ℃時，通過加濕器對冷庫進行加濕，濕度控制在(90±5)% RH，試驗過程中外界環境溫度為18 ℃左右。經多次實驗驗證，當微壓差計檢測值為70 Pa時，霜層結霜厚度約為3 mm結霜嚴重，微壓差計檢測值為17 Pa左右時冷風機幾乎無霜，因此將微壓差計示數70，17 Pa分別作為觸發融霜、結束融霜的標志。當冷風機B的微壓差計數達70 Pa，冷風機A的微壓差計示數>17 Pa時，冷風機A制冷且風機翅片有霜，電磁閥V1，V3，V5，V7打開，單向閥8打開，能量調節閥12回轉一定角度，其余電磁閥關閉，對冷風機B除霜。當冷風機A的微壓差計達70 Pa，冷風機B的微壓差計示數<17 Pa時，冷風機B制冷且風機翅片有霜，電磁閥V2，V4，V6，V8打開，單向閥8打開，能量調節閥12回轉一定角度，其余電磁閥關閉，對冷風機A進行除霜。當并聯冷風機前后靜壓差都<17 Pa時，電磁閥V1，V3，V6，V8開啟，其余電磁閥關閉，單向閥8關閉，除霜結束，恢復并聯風機制冷。記錄數據，并分析對比冷庫有無頂置蓄冷板時，不同截面溫度在4種工況下隨融霜時間的變化情況。

2.3 蓄冷板數的計算

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

Q=Cp·m·Δt，

(1)

(2)

式中：

Q——耗散到冷庫環境的融霜熱，kJ；

Cp——庫內空氣比熱容，kJ/(kg·℃)；

m——庫內空氣質量，kg；

Δt——庫溫平均波動值，℃;

V結冰——低溫相變蓄冷溶液的結冰量，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。

當冷庫中未安裝蓄冷板時，-(18±0.5) ℃下系統融霜開始至結束整個過程中庫溫平均波動值△t為5.3 ℃，代入式(1)得耗散到冷庫環境中的融霜熱Q為5 423 kJ。查得低溫相變蓄冷溶液凍結溫度在-18 ℃時對應的相變潛熱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冰量V結冰為0.015 61 m3。

鑒于低溫相變蓄冷溶液70%的融冰率，則實際需要的蓄冷劑量為0.022 3 m3。試驗中所使用的蓄冷板尺寸為11.5 cm×3 cm×18 cm，因實際配制的蓄冷劑密度在液體和固體兩種狀態時不同，蓄冷板需預留有20%的膨脹空間，經計算該蓄冷裝置實際由45塊蓄冷板盒組成。

3 結果與分析

3.1 冷風機A制冷且有霜，冷風機B融霜

圖3為庫溫-(18±0.5) ℃時，空庫和安裝蓄冷板冷庫截面溫度隨融霜時間的變化曲線。融霜過程中，兩種工況下冷庫各截面溫度變化趨勢基本一致。當融霜時間為0～240 s時，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部以導熱方式融化霜層，僅少部分融霜熱經冷風機擴散至庫頂上部。當融霜時間為240～600 s時，冷庫各截面溫度上升加快，隨著融霜過程的進行，部分霜層融化，相對較多的融霜熱擴散到冷庫中。當融霜時間為600～720 s時，冷庫各截面溫度趨于平緩，是由于融霜中期，冷風機翅片表面的霜層吸收大量的融霜熱發生相變融化成水，因此耗散到冷庫中的熱量減少。當融霜時間>800 s時，冷庫各截面溫度上升明顯，是由于融霜后期暴露在環境中的翅片和銅管面積增大，大量的融霜熱經輻射和熱交換的方式擴散至冷庫中。

由圖3可知，整個融霜過程中帶蓄冷板的冷庫各截面溫度均低于空庫。融霜最后時刻，空庫在0.0，0.7，1.4，2.0 m 4個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個截面處的溫度波動值分別降低了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的融霜熱。綜上，冷庫頂部設置蓄冷板能減少在融霜過程中融霜熱向冷庫擴散，穩定庫內溫度。

圖3 有無蓄冷板融霜過程中冷庫各截面溫度波動曲線

圖4為庫溫-(18±0.5) ℃時，空庫和安裝蓄冷板冷庫截面溫差隨融霜時間的變化曲線。兩種工況下，0.0，0.7，1.4 m 3個截面處的溫差變化趨勢基本一致，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 ℃，整體變化趨勢較為平緩，是由于蓄冷板中固液兩態的低溫蓄冷劑吸收擴散至庫頂的大部分融霜熱發生相變，且相變過程中持續吸收融霜熱，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域受融霜熱的影響較大，進一步表明附加頂置蓄冷板對冷庫底層的溫度影響較小，利于庫內食品的貯藏；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曲線

3.2 冷風機B制冷且無霜，冷風機A融霜

冷風機B融霜結束后，需開啟冷風機B，對滯留在冷風機B表面的水滴進行清理，防止結成冰層。然后冷庫重新制冷，蓄冷板重新凍結。當冷庫再次運行至溫度場穩定，冷風機A微壓差示數達到70 Pa，冷風機B微壓差計示數<17 Pa，此時在制冷風機無霜狀態下，研究融霜熱對空庫和帶蓄冷板溫度場的影響。

由圖5可知，在制冷風機有無霜層時，帶蓄冷板冷庫和空庫的截面溫度變化趨勢基本一致。主要區別在于，相對于制冷風機有霜狀態下，空庫的制冷風機在無霜時融霜時間縮短了165 s；帶蓄冷板冷庫的制冷風機在無霜時融霜時間縮短了163 s。融霜最終時刻，制冷風機無霜時帶蓄冷板冷庫在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 ℃。這是由于在制冷風機有霜狀態下，冷風機表面的霜層形成一層熱阻，減小制冷工質與翅片側空氣的換熱量，導致流入融霜冷風機管路的制冷工質流量減少，延長融霜時間，使融霜結束后庫內溫度波動較大，說明制冷風機在無霜狀態下進行融霜，可以減小庫內溫度波動，并且縮短融霜時間。

圖5 有無蓄冷板融霜過程中冷庫各截面溫度波動曲線

由圖6可知，帶蓄冷板冷庫和空庫的截面溫差在制冷風機有無霜層時的變化趨勢基本一致，但制冷風機無霜時的各截面溫差低于制冷風機有霜時的各截面溫差，且融霜時間縮短，說明在冷庫連續融霜系統中，制冷風機在無霜時更利于減小庫溫波動，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曲線

3.3 庫內溫度分析

由圖7可知，4種工況下，融霜過程中庫內整體溫度隨融霜時間的變化趨勢基本一致。融霜最終時刻，在制冷風機有霜狀態下，空庫的庫內溫度為-12.64 ℃，安裝蓄冷板的冷庫庫內溫度為-15.16 ℃，安裝蓄冷板的冷庫比空庫時的庫溫波動減小了2.52 ℃；在制冷風機無霜狀態下，空庫的庫內溫度為-13.00 ℃，安裝蓄冷板的冷庫庫內溫度為-15.94 ℃，安裝蓄冷板的冷庫比空庫時的庫溫波動減小了2.94 ℃；與制冷風機有霜狀態下相比，制冷風機在無霜狀態下的融霜時間縮短了近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可降低近3 ℃，且制冷風機在無霜狀態下進行融霜可以更好地減小庫溫波動，縮短融霜時間。

圖7 各工況下有無蓄冷板融霜過程中庫內溫度波動曲線

3.4 融霜能耗分析

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

4 結論

基于連續融霜的冷庫，研究了增加頂置蓄冷板對冷庫融霜時庫溫波動、融霜能耗的影響。結果表明：制冷風機有霜時，頂置蓄冷板冷庫比空庫在0.0，0.7，1.4，2.0 m 4個截面處的溫度波動分別降低了31.0%，31.5%，30.5%，78.6%，庫溫波動減小了2.52 ℃，融霜能耗減小了1.36%；制冷風機無霜時，頂置蓄冷板冷庫比空庫在4個截面處的溫度波動分別降低了49.0%，47.8%，48.1%，78.7%，庫溫波動減小了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庫溫波動的影響；制冷風機在無霜狀態下進行融霜可以更好地減小庫溫波動且降低融霜耗能，對保證冷庫貯藏食品品質有重要意義。后續可以研究風機翅片側安裝蓄冷板對庫溫波動的影響，探究蓄冷板最佳安裝方式以最大程度降低冷庫融霜時的庫溫波動。