雙熱交換器預冷裝備研制及試驗

摘要：設計一種雙熱交換器預冷裝備，采用太陽能發電、蓄電池和市政電源三種電能供給方式，并采用以蓄冷板為主和蓄電池為輔的能量存貯方式，通過控制系統集成，預冷裝備可根據預冷庫和蓄冷板的實時溫度，擇一進行預冷庫制冷或蓄冷板蓄冷。通過對比試驗研究在預冷庫溫度設定為2.0 ℃±0.5 ℃時預冷庫內有（無）頂置蓄冷板對庫內溫度的影響：當有頂置蓄冷板時庫內平均工作溫度為1.99 ℃、溫度不均勻性為1.067 ℃、溫度均勻度為0.695 ℃；無頂置蓄冷板時庫內平均工作溫度為2.09 ℃、溫度不均勻性為1.278 ℃、溫度均勻度為0.707 ℃，表明冷藏條件下有頂置蓄冷板可以讓庫內溫度更均勻。當有頂置蓄冷板時平均溫度上升、下降循環一次耗時約31 min，相較于無頂置蓄冷板時延長9 min。

關鍵詞：雙熱交換器制冷；蓄冷技術；溫度精準控制

中圖分類號：S229+.3

文獻標識碼：A

Development and experiment on double heat exchanger precooling equipment

Abstract：

Design and development double heat exchanger precooling equipment， three power supply modes are available， solar power generation， storage battery and municipal power supply. As well as two energy storage modes with cool storage plate as main and the battery as auxiliary. According to the real-time temperature of the precooling chamber and the cold storage plate， either the precooling chamber or the cold storage plate can be cooled by the integrated control system. The influence of the storage temperature with or without top-mounted cold storage plate was studied by contrast experiment when the storage temperature was set to 2.0 ℃±0.5 ℃： With top-mounted cold storage plate， the average temperature is 1.99 ℃，temperature no uniformity is 1.067 ℃， and temperature uniformity is 0.695 ℃， while without top-mounted cold storage plate， the average temperature is 2.09 ℃， temperature no uniformity is 1.278 ℃， and temperature uniformity is 0.707 ℃， which indicates that under refrigerated conditions the top-mounted cold storage plate can make the temperature distribution in the cold storage more uniform. It takes about 31 minutes for the cycle of temperature rise and drop with the top-mounted cold storage plate， which is 9 minutes longer than that without the top-mounted cold storage plate.

Keywords：

double heat exchanger refrigeration; cool storage; temperature accurate control

0 引言

隨著人們物質生活水平的提高，對安全、新鮮的高品質果蔬需求與日俱增，農產品冷鏈保鮮新業態快速發展，其中農產品產地預冷是農產品全程冷鏈的重要一環，是創造果蔬適宜保鮮溫度環境的第一步。果蔬采摘后就地經預冷庫快速冷卻，一是能降低果蔬腐損率，二是經過預冷后的果蔬進入冷庫或冷藏車所需制冷量大幅減少，有利于貯藏與運輸環節的溫度調控，降低貯運能耗。目前，我國果蔬預冷率約為20%，其中絕大部分是采用普通冷庫預冷，預冷時間長、效率低，預冷果蔬質量不高，在果蔬生產收獲旺季不能達到快速預冷及周轉目的［1］。產地預冷專業化程度和設備數量都遠無法滿足果蔬產地預冷生產的需求。國家對農產品預冷的重視度越來越高，相關文件明確指出農產品產地冷藏保鮮的短板，重點強調補齊產地貯藏保鮮設施缺項，加快推廣移動化、小型化、智能化預冷設備，提升產地預冷保鮮貯藏能力水平，解決好農產品出村進城“第一公里”的問題［2］。

目前大部分偏遠丘陵山地和高原地區動力用電供給不足，采用太陽能光伏供電和蓄電池能蓄方式能解決預冷設備動力供給問題，但這種方式需要配置大容量的蓄電池，能量在存貯轉換中有一定的損耗，且蓄電池的維護更換周期短、成本高，其經濟性低，導致太陽能光伏板預冷設備在市場中應用不廣泛。

為解決上述問題，設計一種雙熱交換器預冷裝備，采用太陽能發電、蓄電池和市政電源三種電能供給方式滿足不同的應用場景，采用以蓄冷板為主和蓄電池為輔的能量存貯方式，大幅提升預冷庫能量儲蓄的容量，蓄冷板不間斷且均勻將冷量傳遞到預冷庫內，提高庫溫降溫速率，并讓預冷庫溫度分布更均勻。采用蓄冷板蓄冷方式提高太陽能利用率，同時大幅減少蓄電池數量，降低蓄電池維護成本。

1 技術方案

1.1 總體方案

預冷裝備通過太陽能光伏供電及控制系統將各個部件進行集成以實現裝備各項功能。雙熱交換器預冷裝備結構如圖1所示。

預冷裝備采用分布式光伏發電能源供應模式，具有綠色環保和可規?；膬烖c［3］，根據裝備使用環境以及負載情況，太陽能光伏板可布置于預冷裝備庫頂，其支架延展后能增加太陽能光伏板輸出功率，太陽能光伏板也可布置于預冷裝備周邊空地或建筑物屋頂；雙熱交換器預冷裝備庫體置于車架上，車架四腳安裝有車輪，便于雙熱交換器預冷裝備移動；制冷裝置、蓄電池、控制器及逆變器置于庫體外一端的車架上；翅片式蒸發器及冷風機和蓄冷板置于庫體內。

1.2 雙熱交換器制冷技術

在冷庫運行的不同階段，各點的溫度變化幅度比較大，產生的溫度波動會帶來的一系列問題，如微生物易滋生、果實袋內結露、果實衰老腐敗加劇、蒸發器的制冷效率降低、耗電量增加等。為降低冷庫溫度波動和提升庫內溫度的均勻性［45］，實現冷庫小溫差精準控制，國內研究者從多方面優化創新：雙制冷機組交替除霜/制冷和制冷機組與均溫風機無縫銜接交替工作［6］；風機、風道的合理布置，冷風機布置在長度方向時，氣流組織能夠均勻分布于冷庫內，死角區域相對較少［7］，有利于提高庫內溫度分布的均勻性［8］；在冷庫頂部安裝蓄冷板可以有效地減小融霜過程中庫溫的波動［9］。

本文研制預冷裝備采用翅片式蒸發器和蓄冷板兩種熱交換器：翅片式蒸發器的熱交換是通過冷風機吹風實現預冷庫內空氣強制對流，讓預冷庫內溫度快速下降；蓄冷板的熱交換是利用蓄冷板與空氣換熱面積大和其熱傳遞均勻性好的特點，實現預冷庫內小溫差熱傳遞。當果蔬初入庫進行預冷時，翅片式蒸發器和蓄冷板可同時進行熱傳遞，快速吸收果蔬田間熱量，減緩果蔬代謝。雙熱交換器制冷系統原理如圖2所示，蒸發器與蓄冷板并聯，通過前、后端的電磁閥通斷控制蒸發器和蓄冷板內的冷量。

1.3 蓄冷技術

蓄冷技術是先將獲得的冷量儲存起來，在需要使用時再釋放出來，是制冷技術的調節和補充［10］。本設計方案蓄冷板由冷媒換熱套管、相變蓄冷材料、絕熱層板和相變蓄冷材料板構成。蓄冷板結構如圖3所示，冷媒換熱套管內側作為制冷劑流動通道，冷媒換熱套管外側周圍設置相變蓄冷材料以實現冷量存儲；絕熱層板作為蓄冷板頂板；相變蓄冷材料板作為蓄冷板底板，以提高蓄冷板的換熱效率。在預冷裝備的冷風機、蓄冷板等區域設置多路溫度傳感器，控制系統根據采集的溫度數值，控制蒸發器和蓄冷板的進口、出口電磁閥通斷，實現制冷劑流量調節。其中，蓄冷板冷媒換熱套管中制冷劑的流量影響蓄冷板的換熱量，即可通過對蓄冷板中制冷劑流量的控制實現對預冷庫內溫度的小幅度調整。

相變蓄冷材料是冷板蓄能的核心，蓄冷劑用于果蔬采后預冷具有較大發展前景［1112］，賈蒲悅等［13］研制的新型0℃相變蓄冷材料可以使蘋果在-1℃～7℃區間保溫20h以上，表明相變蓄冷材料應用于果蔬的預冷、保鮮裝備中是可行的。蓄冷板不同的布置位影響庫內的溫度波動以及溫度均勻性，由于頂置蓄冷板具有能有效降低融霜時庫溫波動［14］、能使預冷庫空間利用率最大化和使用維護方便等優點，本設計方案預冷裝備采用頂置蓄冷板的安裝方式。

2 裝備集成及控制邏輯

預冷庫自控水平的提高將有利于改善預冷庫冷藏保鮮效果以及降低能源消耗，其中溫度控制、節能控制及監控是很重要的控制目標［15］。本設計方案通過太陽能光伏供電及其控制系統將太陽能光伏板、控制器及逆變器、溫度傳感器、蓄電池、直流負載和交流負載等進行集成，以實現雙熱交換器預冷裝備各種功能。胡韓瑩等［16］研究利用太陽能光伏電池供電的直流制冷裝置，其供電方式可自由切換，實現連續運行。邵超等［17］研究太陽能直接驅動蓄冷冷庫系統并取消太陽能蓄電池。分析以上兩種方式，本設計方案采用以蓄冷板為主和蓄電池為輔的能量存貯方式，保留一定容量的蓄電池以保證裝備控制系統電量供給，并采用控制器和逆變器為直流負載、交流負載供電。

太陽能光伏供電及控制系統如圖4所示，主要由太陽能光伏板、控制器及逆變器、蓄電池構成，太陽能光伏板能通過太陽輻射產生直流電流，經過控制器及逆變器的直流電流轉化模塊、逆變器模塊和電流控制模塊，分別為直流負載、交流負載和蓄電池進行供電。控制器依據光伏供電組件供電的實時功率和溫度傳感器檢測到的預冷庫和蓄冷板的實時溫度，進行一系列邏輯判斷，控制供電系統的供電切換、直流負載和交流負載的供電、蓄電池的充放電。在此過程中，控制器擇一控制預冷庫制冷或蓄冷板蓄冷，多余的太陽能存儲至蓄冷板和蓄電池中備用，其中蓄電池的容量需要保證裝備控制系統電量供給，可根據裝備應用場景增加蓄電池容量。

控制邏輯流程如圖5所示，具體控制邏輯如下。

S0：通過控制器設置預冷庫運行時的負載需求功率P1、預冷庫的最低溫度t1、預冷庫的最高溫度t2、蓄冷板的最低溫度t3、蓄電池的最低電量占蓄電池的額定電量的百分比值c1、蓄電池的充電電量閾值占蓄電池的額定電量的百分比值c2、蓄電池的最高電量占蓄電池的額定電量的百分比值c3。

S1：由光伏供電裝置將太陽能轉換為電能，獲得光伏供電裝置的實時發電功率P0，再判斷是否P0≥P1，如是，則進行步驟S2，如否，則進行步驟S5。

S2：獲得預冷庫的實時溫度T0，并判斷是否T0≥t2，如是，則進行步驟S2-1，如否，則進行步驟S3；S2-1：當前供電形式為光伏供電裝置供電，并控制制冷裝置啟動、制冷裝置與蓄冷板斷開，為預冷庫制冷，并繼續進行步驟S2-2；S2-2：獲得預冷庫的實時溫度T0，并判斷是否T0≤t1，如是，制冷裝置停止制冷，進入步驟S2，如否，則進入步驟S2-1。

S3：獲取蓄冷板的實時溫度T1，并判斷是否T1≥t3，如是，則進入步驟S3-1，如否，則進入步驟S4；S3-1：當前供電形式為光伏供電裝置供電，并控制制冷裝置啟動、制冷裝置與蓄冷板連通，為蓄冷板蓄冷，進入步驟S3-2；S3-2：獲取蓄冷板的實時溫度T1，并判斷是否T1＜t3，如是，制冷裝置停止為蓄冷板蓄冷，進入步驟S3，如否，則進入步驟S3-1。

S4：獲取蓄電池的實時電量并計算該實時電量占蓄電池的額定電量的百分比C0，并判斷是否C0＜c2，如是，則進入步驟S4-1，如否，則返回步驟S1；S4-1：當前供電形式為光伏供電裝置供電，并控制蓄電池開始充電，進入步驟S4-2；S4-2：獲取蓄電池的實時電量并計算該實時電量占蓄電池的額定電量的百分比C0，并判斷是否C0≥c3，如是，則控制蓄電池停止充電，返回步驟S4，如否，則返回步驟S4-1。

S5：獲取蓄電池的實時電量并計算蓄電池的實時電量占蓄電池的額定電量百分比C0，判斷是否C0≥c1，如是，進入步驟S5-1，如否，進行步驟S6；S5-1：控制預冷庫的當前供電形式為蓄電池和光伏供電裝置雙路供電，制冷裝置啟動、制冷裝置與蓄冷板斷開，為所述預冷庫制冷，進入步驟S5-2；S5-2：獲得預冷庫的實時溫度T0，判斷是否T0≤t2，如是，則控制制冷裝置停止制冷，返回步驟S1，如否則返回步驟S5-1。

S6：判斷市電電源接口是否連接市政電源，如是則進入步驟S6-1，如否，則控制報警器啟動，發出缺電停機警報，其后返回步驟S1；S6-1：控制預冷庫的當前供電形式為市政電源供電，制冷裝置啟動、制冷裝置與蓄冷板斷開，為預冷庫制冷，進入步驟S6-2；S6-2：獲得預冷庫的實時溫度T0，并判斷是否T0≤t2，如是，則控制制冷裝置（5）停止制冷，返回步驟S1，如否則返回步驟S6-1。

3 試驗與分析

為研究采用翅片式蒸發器和蓄冷板雙熱交換器方式對預冷裝備庫內溫度的影響，首先需要通過試驗確定預冷庫溫度和蓄冷板溫度合理的設定值，以避免翅片式蒸發器和蓄冷板同時進行熱傳遞而造成的果蔬冷害情況發生。在預冷庫溫度和蓄冷板溫度合理設定的基礎上，進行預冷庫內有（無）頂置蓄冷板對比試驗。

3.1 試驗材料

預冷裝備庫體采用裝配式聚氨酯庫板拼裝，預冷庫凈空尺寸（長×寬×高）為4.60m×2.10m×2.15m；制冷裝置機組（包括壓縮機、冷凝器）為ZK40，總電功率為3.5kW，制冷量為5050W，制冷工質為R22；空氣冷卻器（包括蒸發器、冷風機）為DD-3.9/22，換熱面積為22m2，冷風機總功率為3×92W，冷風機風量為3×1700m3/h，冷風機布置在長度方向；蓄冷板殼體采用鋁合金材料，蓄冷板冷媒管道最高壓力3.5MPa，相變蓄冷材料質量為300kg，本設計方案的蓄冷板采用頂置方式安裝，經計算由12根尺寸為3500mm×100mm×100mm的冷條通過冷媒管并聯組成，蓄冷板尺寸為3500mm×1860mm×100mm。

預冷庫內有（無）頂置蓄冷板對比試驗裝備只采用市政電源供電的方式?？刂葡到y的電氣元件自行組裝，設置兩路溫度控制輸入信號，一是在蓄冷板內設置溫度傳感器采集蓄冷板溫度，二是在冷風機側后下方設置溫度控制傳感器采集預冷庫內溫度，控制器根據兩路溫度控制輸入信號（蓄冷板溫度、預冷庫內溫度）擇一進行預冷庫制冷或蓄冷板蓄冷，其邏輯關系優先滿足預冷庫內溫度2.0℃±0.5℃的設定值。數據采集通過Pr03X-TH型無線溫度記錄儀，測量范圍：-40℃～80℃，測量不確定度：擴展不確定度U=0.3℃，包含因子k=2。

3.2 試驗方法

低溫冷庫設定溫度為-18℃時加裝蓄冷板可以有效延緩庫溫的上升，同時降低庫內的溫度波動［18］。為滿足在果蔬預冷、冷藏保鮮工藝要求基礎，本試驗預冷庫溫度設定為2.0℃±0.5℃，以研究蓄冷板對高溫冷庫溫度的影響；現階段的除霜方式會造成庫溫的波動［1920］，故試驗溫度數據采集階段不涉及冷風機融霜過程即排除融霜對溫度波動造成的影響，采用空庫試驗以排除貨物熱量（包括貨物冷卻時的呼吸熱量）對溫度波動造成的影響，僅通過對比預冷庫內有（無）頂置蓄冷板以研究預冷庫在設定溫度為2.0℃±0.5℃時庫內溫度的變化情況。

一次性同步布置測試點32個，冷庫中均勻性測點27個，寬度和高度方向測點間距離0.5m，長度方向測點間距離1.0m，其中高度方向分為0.5m、1.0m、1.5m共三個平面，每個平面有9個溫度測點，冷風機出風口、回風口、冷庫出入口、溫度控制傳感器和環境溫度各布置1個溫度測點。

3.3 試驗結果及分析

3.3.1 無置頂蓄冷板

預冷庫溫度設定為2.0℃±0.5℃，制冷裝置與蓄冷板斷開，采用單一熱交換器即空氣冷卻器工作，待預冷庫溫度穩定后，溫度數據采集頻率為2min/次，共采集工作時間12h。

圖8為預冷庫溫度設定為2.0℃±0.5℃時，無頂置蓄冷板庫內平均溫度和冷風機出口溫度的變化曲線，庫內平均溫度維持在1.83℃～2.49℃，庫內平均工作溫度2.09℃，不同時刻庫內平均溫度的最大值及最小值與庫內工作溫度的差值，即庫內平均溫度波動值為0.40℃，0.26℃。由圖8可知，庫內平均溫度在12個小時內經歷了33個溫度上升、下降循環，平均一次循環耗時約22min。

表1為預冷庫溫度設定為2.0℃±0.5℃時，無頂置蓄冷板庫內溫度測試點的最低、最高和平均溫度值，其中溫度控制傳感器測點的平均溫度為1.76℃，與庫內均勻測點平均溫度2.09℃的偏差為0.33℃，表明溫度控制傳感器設置合理。

從表1中可以看出，0.5m、1.0m、1.5m三個平面內的最低溫度的測點均靠近冷風機近端，0.5m、1.0m、1.5m三個平面內的最高溫度的測點均為冷風機的遠端，冷風機出風口最低溫度為-1.88℃，冷風機回風口最低溫度為1.02℃，冷庫出入口的平均溫度為3.14℃。對采集的數據分析計算：12h測量時段內，不同時刻預冷庫溫度差值的最大值，即預冷庫不均勻性為1.278℃，不同時刻預冷庫溫度差值的平均值，即預冷庫溫度均勻度為0.707℃。

3.3.2 有置頂蓄冷板

預冷庫溫度設定為2.0℃±0.5℃，制冷裝置與蓄冷板連通，蓄冷板溫度設定為0℃±0.5℃。待預冷庫溫度穩定后，溫度數據采集頻率為2min/次，共采集工作時間12h。圖9為預冷庫溫度設定為2.0℃±0.5℃，蓄冷板溫度設定為0℃±0.5℃時，有頂置蓄冷板庫內平均溫度和冷風機出口溫度的變化曲線，庫內平均溫度維持在1.59℃～2.38℃，庫內平均工作溫度1.99℃，庫內平均溫度波動值為0.39℃，0.40℃。由圖9可知，庫內平均溫度在12個小時內經歷了23個溫度上升、下降循環，平均一次循環耗時約31min。

表2為預冷庫溫度設定為2.0℃±0.5℃，蓄冷板溫度設定為0℃±0.5℃時，有頂置蓄冷板庫內溫度測試點的最低、最高和平均溫度值，其中溫度控制傳感器測點的平均溫度為1.84℃，與庫內均勻測點平均溫度1.99℃的偏差為0.15℃，表明溫度控制傳感器設置合理。

從表2中可以看出，0.5m、1.0m、1.5m三個平面內的最低溫度的測點均靠近冷風機近端，0.5m、1.0m、1.5m三個平面內的最高溫度的測點均為冷風機的遠端，冷風機出風口最低溫度為-1.41℃，冷風機回風口最低溫度為0.94℃，冷庫出入口的平均溫度為3.08℃，對采集的數據分析計算：12h測量時段內，預冷庫不均勻性為1.067℃，預冷庫溫度均勻度為0.695℃。以上數據均表明蓄冷板溫度設定為0℃±0.5℃是合理的。

3.3.3 結果分析

本試驗通過對比預冷庫內有（無）頂置蓄冷板以研究預冷裝備冷庫在設定溫度為2.0℃±0.5℃時庫內溫度的變化情況，經分析對比試驗結果：有（無）頂置蓄冷板試驗數據共同表明，冷風機出風口、冷風機回風口的溫度較低，且冷風機近端的溫度測點的溫度波動較大，冷庫出入口位置的溫度偏高，因此冷風機附近和冷庫出入口位置盡量不要放置貨物；無頂置蓄冷板時庫內平均溫度變化曲線比較規律，庫內平均溫度維持在1.83℃～2.49℃，加裝頂置蓄冷板后，庫內平均溫度維持在1.59℃～2.38℃，符合2.0℃±0.5℃工作要求，說明預冷庫溫度在2.0℃±0.5℃時，蓄冷板溫度設定為0℃±0.5℃是合理的；有頂置蓄冷板時，庫內平均工作溫度1.99℃相較無頂置蓄冷板時降低了0.10℃，而冷風機出風口、回風口平均溫度分別提高了0.12℃和0.22℃，預冷裝備庫內溫度不均勻性和溫度均勻度數值降低，表明冷藏條件下有頂置蓄冷板可以讓庫內溫度分布更均勻；無頂置蓄冷板時平均溫度上升、下降循環一次耗時約22min，有頂置蓄冷板時平均溫度上升、下降循環一次耗時約31min，相較于無頂置蓄冷板時延長了9min，表明冷藏條件下頂置蓄冷板可以有效地延緩庫溫的上升時間。

4 結論

1） 設計研制一種基于光伏供電的雙熱交換器預冷裝備，通過采用太陽能發電、蓄電池和市電電源三種電能供給方式，增加以蓄冷板為主和蓄電池為輔的能量存貯方式，可滿足不同的應用場景且經濟性較好。

2） 通過預冷庫內有（無）頂置蓄冷板對比試驗驗證了在2.0℃±0.5℃冷藏條件下有頂置蓄冷板可以讓庫內溫度分布更均勻，有頂置蓄冷板時庫內平均工作溫度1.99℃、溫度不均勻性為1.067℃、溫度均勻度為0.695℃，無頂置蓄冷板時庫內平均工作溫度2.09℃、溫度不均勻性為1.278℃、溫度均勻度為0.707℃。有頂置蓄冷板可以有效延緩庫溫上升時間，有頂置蓄冷板時平均溫度上升、下降循環一次耗時約31min，相較于無頂置蓄冷板時延長了9min。即表明加裝蓄冷板不但能應用于低溫冷庫以減少冷庫融霜時對庫溫波動的影響，也能應用于冷藏保鮮、預冷裝備以提升農產品貯藏、預冷品質。

3） 通過雙熱交換器預冷裝備研制以及溫度試驗驗證，以期為農產品產地預冷提供技術裝備支撐，下一步工作將會研究交流變頻技術和按需熱氟融霜技術，進一步實現溫度精準預冷和降低預冷裝備能耗。

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