基于冰浆蓄冷的集中制冷冷藏陈列柜的实验研究

(中国科学院广州能源研究所 广州 510640)

陈列柜是耗电量大的一种用电设备，据统计每年美国超市消耗545亿kWh的电能，其中制冷(主要是陈列柜)和空调系统的能耗大约占其中的75%[1]。因此人们对冷藏陈列柜的柜温和能耗给予了更多的关注。现有的冷藏陈列柜的能耗降低措施主要从两个角度考虑:即从结构设计和系统方面考虑。从结构方面考虑有风幕的优化设计[2]、蒸发器的优化设计[3]、防露加热器的智能控制、夜间罩的使用[4]等等；系统方面考虑有并联机组[5]、液体制冷剂过冷[6]、合适的融霜方式及融霜控制[7]等等。通过这些节能措施对冷藏陈列柜自身结构和系统方面的改进，冷藏陈列柜能耗有了不同程度的降低。

对于冷藏陈列柜，主要用于冷饮、果蔬及冷藏肉类的保温，按制冷模式分为两种类型:一种是独立式，即制冷机组集成在陈列柜柜体内，冷凝器热量直接排放到室内；另一种是集中制冷式，即制冷机组与陈列柜柜体分开设置，一台制冷主机可同 向多台陈列柜供冷。集中制冷冷藏陈列柜的冷凝器放在室外通风良好的地方，冷凝热排放到室外，降低了超市空调的负荷，且具有噪声低等特点，因此特别适合大型超级市场使用。然而，以制冷剂作为冷媒的系统，因蒸发温度低于0℃，不可避免地产生蒸发器结霜现象，而融霜会造成柜体内部温度波动，从而影响到食品储藏品质。

这里在冷藏陈列柜的供冷模式上实现突破，利用冰水作为载冷介质，在蒸发器内吸收热量对柜内空气进行降温，有效克服了结霜/融霜问题。冰水可以通过动态冰蓄冷技术制取[8]，可充分利用低谷电力进一步降低运行成本。在自行搭建的实验系统上，改变冰水流量及风幕柜的出风速度，测量柜内温度变化情况，实现了将动态冰蓄冷技术用于食品冷藏链领域。

1 实验系统

1.1 系统原理

如图1冰蓄冷集中制冷冷藏陈列柜原理图所示:夜间电力低谷 ，开启冰浆制冷制冷系统，将纯水以絮状冰的形式存储与蓄冰桶内；白天电力高峰开始 ，抽取蓄冰桶底部0℃水至冷藏陈列柜换热器为冷藏陈列柜保温，高温回水经由蓄冰槽上部的喷洒口直接喷淋到冰层上，与冰浆直接换热。

图1 冰蓄冷集中制冷冷藏陈列柜原理图Fig.1 Schematic diagram for ice slurry vertical open cabinet with central refrigeration

1.2 实验系统

实验系统主要由四部分组成:冰浆生成系统、冷藏陈列柜、控制系统和测量系统。图2为冰浆集中制冷冷藏陈列柜实验系统。

图2 冰浆集中制冷冷藏陈列柜实验系统Fig.2 Test set for feasibility study

冰浆生成机组为广州鑫誉蓄能科技有限公司研发的动态冰浆生成系统展示样机，可以生成浆状冰存储于蓄冰槽内供实验使用，蓄冰槽材料为有机玻璃，体积为1200mm×860mm×1000mm。

冷藏陈列柜为广州市白云区金牛制冷设备厂，生产的型号为SCLG4-2000C立式冷藏陈列柜，体积为1600mm×850mm×1400mm；将该冷藏陈列柜经过改造，风机由原来定速改变为变速可调，由滑动电阻调速器实现。

控制变量为冷藏陈列柜的出风速度和蓄冰槽底部低温冷水的流量，其中风速控制由滑动电阻调速器实现，低温冷水的流量由变频器控制变频水泵实现。变频水泵为德国威乐生产的MHI404系列，额定功率为750W，最大排水量为8t/h；变频器为美国EDS公司生产的EDS800-2S0004，可以实现水泵在0～50Hz之间的转变。

系统各测量仪器的规格如表1所示:

表1 各计量仪器规格参数Tab.1 instruments list

1.3 热电偶布置

图3 热电偶布置示意图Fig.3 Lay out of thermocouples

热电偶布置如图3所示:冷藏陈列柜从上至下分为五层，依据与取货人的距离的远近分为内侧和外侧，以取货人面对冷藏陈列柜为基准，分为左侧、中侧和右侧。由此五层搁板内侧和外侧的左、中、右各布置一个热电偶，共30个测温点；风幕的出风口和回风口的左、中、右各布置一个热电偶共6个测温点，A、B换热器进出口处各布置一个热电偶共4个测温点，该实验系统共有的40个测温点。

1.4 实验内容

按照国标GB/T21001.2-2007《冷藏陈列柜第2部分:分类、要求和试验条件》[9]，环境温度25℃，环境相对湿度60%，与柜体长度方向平行的风速为0.1～0.2m/s。

1)冷藏陈列柜在空载情况下，不同风幕出风速度和低温水流量下，柜内的温度分布；

2)在冷藏陈列柜内负载(摆满瓶装矿泉水)的情况下，柜内的温度是否能够达到冷藏温度。

2 实验结果与分析

2.1 冷藏陈列柜温度响应曲线

空载情况下，风幕柜的出风温度、第二层搁板外侧温度响应曲线如图4。

图4 温度响应曲线(风速1.2m/s)Fig.4 Temperature response versus time at air velocity 1.2m/s

冷藏陈列柜换热器进水温度保持在1.5℃左右，冷藏陈列柜出风温度从室温25.3℃下降6℃温度 间为15min，在以后温度略有下降，温度基本5.8℃上下波动；二层搁板外侧的温度变化趋势与出风温度趋势相同，温度比出风温度高1.5℃左右。冰浆陈列柜风幕出风温度不会低于2℃，因此风幕出风速度比独立式冷藏陈列柜的风幕出风速度要大，形成帘幕能够更有效的阻隔环境高温空气的侵袭；如果速度过大，会增加卷吸的环境高温空气质量，影响柜内温度。在风幕出风速度在0.6m/s～1.2m/s之间变化 ，实验得到了各风速下柜内温度的分布，实验结果表明冷藏陈列柜的风幕出风速度在1.0m/s～1.2m/s之间，柜体保温效果最佳。

2.2 冷藏陈列柜内各层空载时的温度分布

图5 冷藏陈列柜内温度场分布Fig.5 Temperature distribution inside cabinet at different shelf units

由图5各层温度分布图可知，陈列柜内的柜温沿风幕出风方向升高，在风幕出风速度高于1.0m/s ，柜内的保温效果明显比风幕出风速度在0.8m/s的情况下要好。在风幕出风速度高于1.0m/s ，一、二、三层的温度能够保证在冷藏温度8℃以下，由于风幕属于大空间的卷吸射流，不断地卷吸周围环境的热空气，质量不断地增加，风幕下层的温度较高，达到12℃，所以优化的风道设计应该加大底层搁板背部出风量，这样使底层能够达到冷藏温度；一般内侧的温度要较外侧的温度稳定，陈列柜的出风系统除了大部分从风幕口吹出形成空气幕之外，另外一部分则是通过冷藏陈列柜的背部出风系统吹出，由于背部绝热好，几乎不受外部空气的影响，所以内侧会比较恒定。

2.3 冷藏陈列柜中负载后的温度分布

以瓶装矿泉水为负荷进行负载测试，结果如图6所示。蓄冰槽底部冷水的质量流量为1.36t/h，风幕出风速度为1.2m/s。这种情况下风幕出风温度为5.5℃，柜内温度除第五层搁板外，都在冷藏温度8℃以下，因此在冷藏陈列柜内负载的情况下，柜内温度可以达到冷藏温度。

图6 负载温度分布Fig.6 Temperature distribution at full- fi lled load condition

3 结论

1)冰浆集中制冷冷藏陈列柜，无论是空载还是负载情况均可达到冷藏温度8℃以下，且温度平缓，波动很小，所以动态冰蓄冷技术完全可以应用于冷藏陈列柜。

2)将动态冰蓄冷技术应用于冷藏陈列柜是完全可行的，如果完善稳定取水温度，优化换热器和风道的设计，动态冰蓄冷的集中制冷冷藏陈列柜可以达到现有的独立式冷藏陈列柜的保温性能。

本文受广东省重大科技专项计划项目(2009A080305 002)、粤港关键领域重点突破项目(2009A011603005)和广东省中国科学院全面战略合作项目(2009A091100009)资助。The project was supported by Major Technologies Program of Guangdong Province (No.2009A 080305002),Key Areas Breakthroughs Project for Hong Kong/Guangdong Co-operative Tendering Program(No.2009A011603005) and Guangdong Province-Chinese Academy of Sciences strategic cooperative Program(No.2009A091100009).

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