真空冷却中能耗问题的分析研究

(上海理工大学能源与动力学院 上海 200093)

真空冷却具有降温速度快、温度分布均匀等优点，因此得到日益广泛的应用[1-3]。

真空冷却中的能耗是人们所关心的关键问题之一。上海海事学院的韩厚德通过实验得出压缩机、真空泵和其他设备功耗分别占总能耗的68%、18%和14%，并指出在闪发后约10分钟，若使压缩机卸载25%，总装置耗能可降低8%左右；真空装置选用多台小容量真空泵，在闪发前全部投入运行，加快抽真空速率，使压缩机缩短空载运行时间，节约压缩机总能耗，在闪发后减少投入工作的真空泵台数，降低真空泵的总能耗[4]。上海理工大学的周冰等将不同样品、不同工况下的真空冷却能耗进行对比，阐述真空冷却过程中的能耗分布情况，力图从预处理方式、操作规程、冷却效果等方面寻找真空冷却的相对最佳节能点[5]。

真空冷却的能耗与真空装置中的系统匹配有关，当装置匹配确定后，还与真空冷却中过程控制及被冷却物体的物量有关。选用不同质量的水，分别在不同温度下开启真空泵，通过测得的能耗值分析真空泵开启温度和被冷物质量对真空冷却系统能耗的影响。作为能耗的判断依据，提出折算能耗与当量能耗的概念，以减小不同实验条件对实验数据的影响。

1 真空装置系统匹配依据

真空冷却是利用低压使被冷却物品中水分在较低的温度下蒸发并带走汽化潜热，从而使被冷却物品温度降低，蒸发水汽一部分被捕水器凝结成液体经排水阀排出，一部分以蒸汽形式被真空泵抽出。蒸发水汽的量是确定真空装置系统真空泵与制冷系统匹配的基本依据，从而决定装置能耗。

根据能量守恒定律，被冷却物因温度下降所散发的热量应等于水分蒸发所吸收的热量，即:

式中:C —被冷却物冷却前的比热容，kJ/(kg.K) ；

G —被冷却物的质量，kg；

ΔT —被冷却物真空冷却前后的温降，K；

γ —水分单位质量的气化潜热，kJ/kg。

由此可得到被冷却物品的理论失水为:

在真空冷却过程中，由于液体会发生剧烈沸腾，导致水分飞溅出盛放液体的容器，造成大量失水，所以实际失水往往大于理论失水。

真空冷却过程可分为三个阶段。第一阶段，真空冷却室内压力从大气压降至被冷却物品初温所对应的饱和压力，此时真空室中压力尚未低到足以使被冷却物品中水分闪发的程度，制冷系统负荷极小；第二阶段，闪发开始，被冷却物品中的水分从物品本身吸收大量热量而迅速汽化，捕水器必须及时将大量水汽凝结成液体，制冷系统的负荷最大；第三阶段，水分蒸发明显减慢，制冷系统的负荷明显降低。系统的最大负荷出现在第二阶段，若以此阶段负荷设计系统，需要配置较大的制冷系统，现有装置多采用蓄冷的方式，使用时先开启制冷系统对载冷剂预冷，在捕水器温降至某一点时开启真空泵进入真空冷却阶段。

在真空冷却过程中，捕水器的捕水能力直接影响着真空冷却的效果。如果捕水器的导通能力好，比表面积大，管外表面与水汽碰撞几率高，其捕水能力就高，才能保证真空泵的正常运转，因此高效的捕水器能够减少进入真空泵的水蒸汽量，从而有效地保护真空泵、防止水分再蒸发，同时降低能耗[6]。

2 实验研究及数据处理

实验在自行研制的真空冷却装置上进行。测控系统的核心为SIEMENS S7-200PLC，采用8775A数字电参量测试仪进行功耗和能耗的在线检测。上位机为PC机，主要作用是对PLC进行监控。试验台用西门子公司的Step7语言编写PLC端的通信和控制程序, 在PC端用VB6.0实现串行通信的控制和监控界面的显示。在真空冷却过程中，需要对温度、压力、重量进行检测，对制冷机、真空泵和水泵进行控制并测试功率与能耗，以便比较分析。

2.1 能耗影响因素分析及数据处理依据

真空冷却装置主要耗能部件是制冷机、真空泵和水泵。

在真空冷却过程中，先开启水泵与制冷系统(图1中的A-B)，通过载冷剂将捕水器预冷至预定温度，此过程能耗称为前级能耗Pq。然后开启真空泵(图1中C-D)，使样品得到真空冷却，此过程的能耗称之为后级能耗Ph。

图1 真空过程功率-能耗图Fig.1 Power and energy consumption during vacuum cooling

前级能耗是将载冷剂的温度从T0初(捕水器表面的初始温度)降到T0启(开启真空泵时捕水器表面温度)系统消耗的能耗。由于每次装置启动时T0初不同，前级能耗Pq会因此产生差异，对数据分析产生影响。为此特定一个初始温度T0*，从T0初至T0*所消耗的能耗称为附加能耗。若T0初＞T0*，则在前级能耗的测试值中，减去制冷系统从T0初到T0*所产生的附加能耗，得到折算能耗P*；反之若T0初＜T0*，则在前级能耗的测试值中，加上制冷系统从T到T*0初0所产生的附加能耗。所有实验通过上述方法对实验数据进行处理。附加能耗可在空载时制冷系统能耗的实验结果中查得，如实验曲线图2所示。该图为装置空载时，将捕水器表面从25℃降至15℃的功耗。

图2 捕水器表面温降与能耗的关系Fig.2 Relationship between temperature drop of the capture of water and energy consumption

后级能耗Ph是从开启真空泵至将被冷却物品降至某一特定终温所消耗的电能。后级能耗主要与T0启、被冷却物品的量以及初温有关。在其它参数确定情况下，研究其中一个参数对能耗的影响。

总能耗为折算能耗P*与后级能耗Ph之和。

2.2 真空泵开启温度T0启与装置能耗的关系

将盛有2.5kg、初温为23℃水的放入真空室，将热电偶固定在容器内测温，盖上真空室玻璃盖板，开启制冷系统和水泵，分别在捕水器表面降温至-5℃、0℃、5℃、10℃、15℃时开启真空泵，当水温降至8℃时结束试验。实验过程中由电脑进行功耗的数据采集，实验结束后对实验数据进行处理。取T0

*为20℃，若T0初＞20℃,附加能耗为负，即需减去捕水器表面由T0初至20℃系统能耗；若T0初＜20℃,附加能耗为正，即需加上捕水器表面由20℃至T0初系统能耗。

数据结果处理如图3所示。

图3 开启真空泵温度与总能耗的关系Fig.3 Relationship between temperature the vacuum pump turned on and energy consumption

再分别选取2.0kg、1.5kg，初温为23℃的水按上述方法进行实验，可得出同样结论，因此得出结论:对实验装置，在10℃时开启真空泵系统总能耗最小。

预冷应使捕水器表面温度低于水汽对应的露点温度，同时要满足真空冷却过程中捕水器凝结的水量。若捕水器表面温度太高，则会降低凝结水量，增加了真空系统的负荷，甚至达不到降温的目的；而温度太低，又会过多消耗制冷系统能量，甚至在捕水器表面结冰，增加了热阻而使凝结性能降低。因此，真空泵开启时刻取决于捕水器表面温度，合理控制捕水器表面温度将是一种有效的节能途径。

2.3 被冷物质量与装置能耗的关系

进行能耗的实验研究，需要对不同的实验条件进行比较，这不仅包括以上所述的不同的真空泵开启温度T0启，还包括不同的样品质量G以及不同的降温幅度ΔT。为便于比较，提出当量能耗的概念，即:

当量能耗P当量就是将不同的G与ΔT的实验结果换算成单位质量、单位温降的能耗。

分别选取质量1.5kg、2.0 kg、2.5kg、3kg的水为实验样品，样品初温统一为23℃，实验方法同上。开启制冷系统和水泵，当捕水器表面降温至10℃时开启真空泵，当水温降至8℃时结束试验。

同样取T0*为20℃，同样方法对实验数据进行处理。结果如表1所示。

表1 被冷物质量与能耗的关系Tab.1 Relationship between mass and energy

由表1可以明显看出，随着被冷物质量增加，被冷却物品发生相同温降需要散发的热量增大，对应的蒸发水量增大，根据能量守恒定律，总能耗必然增加。对当量能耗来说，被冷物的量过小，“闪发”水汽较少，捕水器的捕水能力大于水汽的蒸发量，制冷系统处于部分“空载”状态，造成被冷物品当量能耗增大；当被冷物质量过大时，“闪发”水汽较多，捕水器的捕水能力小于水汽的蒸发量，制冷系统处于 “超载”状态，捕水器不能及时将蒸发水汽凝结成液体，造成真空系统工作时间延长，总能耗增加，同时被冷物品当量能耗增大。就装置而言，最佳负载在2.5kg，应尽量使装置在该负载附近运行。

3 结论

蒸发水量是确定真空装置系统匹配的基本因素，是装置的能耗的一个关键因素。当装置匹配确定后，采用折算能耗与当量能耗便于进行能耗的分析与比较研究，得出合适的真空泵开启温度与被冷物质量是节能的有效方法。

(本文受上海市重点学科建设项目(S30503) 资助。The project was supported by Shanghai Leading Academic Discipline Project (S30503).)

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