蒸发器积霜对冷库热工状况的影响

姜道珠，鲁墨森，鲁 荣，王 丹

（1.山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东淄博 255049；2.山东省果树研究所，山东泰安271000；3.泰安市泰山区一新保鲜设备厂，山东泰安 271000）

蒸发器积霜对冷库热工状况的影响

姜道珠1，鲁墨森2，鲁 荣3，王 丹2

（1.山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东淄博 255049；2.山东省果树研究所，山东泰安271000；3.泰安市泰山区一新保鲜设备厂，山东泰安 271000）

为了探讨冷库蒸发器积霜对冷库热工状况的影响，为冷库及时化霜和无霜运行提供科学依据，试验选用10 t 3 HP的双温双控冷库为研究对象，动态监测了蒸发器积霜前和积霜后两段时间内库温、霜温、蒸发器进风口与出风口温差、冷库耗电量，绘制了蒸发器外表面的三维温度场。试验结果表明：蒸发器积霜前，库温周期变化较为稳定；积霜后，冷库运行周期由3个阶段变为风机运行和制冷2个阶段且库温最低温度逐渐升高，达不到设定下限，周期变化幅度减小，用时缩短。积霜后的霜温周期最低值达到霜温设定下限，冷库不能在正常设定的范围内运行，蒸发器的制冷效率明显下降。蒸发器积霜使进风口与出风口温差减小；冷库运行12 h的耗电量增加147.06%。积霜后蒸发器外表面三维温度场显著不同，各点温度都有所下降，偏离设计的最低温度。试验表明，冷库运行过程中不积霜运行是冷库节能安全运行的重要因素。

热工状况；冷库；蒸发器；积霜

蒸发器积霜现象广泛存在于制冷、低温系统中。在冷库内，当蒸发器表面温度低于0℃时，库内空气就会在蒸发器表面出现结霜现象。蒸发器表面积霜将会堵塞空气通道致使空气流动阻力增大、降低传热效果，使冷库制冷装置的总体性能下降。在冷库制冷过程消耗的能量中，由于霜层的存在而增加的能耗占相当大的比例。目前，国内外许多学者在积霜对蒸发器性能的影响这一领域进行了大量研究［1－6］。但这些研究都是把蒸发器作为一个独立设备，保持蒸发器进出口介质流动稳定或人为改变介质的流动状态来研究结霜对蒸发器性能的影响。而在冷库的实际制冷运行过程中，蒸发器只是其中的一个部件，蒸发器中介质的流动状态受到很多因素的影响，难以精确控制。因此，笔者把蒸发器连同冷库的制冷、自动控制等作为一个整体来考虑。

1 试验设备与方法

1.1 试验设备和仪器仪表

试验冷库是山东省果树研究所设计建造的高效无霜节能自动冷库。库内有冷风机和多元蒸发器，库外配置多效冷凝压缩制冷机组［7］、双温双控装置［8］，库容量为10 t，配置3 HP制冷压缩机，制冷剂为R22，冷库的控制程序如图1所示，库内的气温称作库温，蒸发器表面温度称作霜温。当库温升高达到库温仪表上限时，控制电路中发生连锁反应，冷风机启动，冷风机运转使蒸发器残余冷量排入冷库内，蒸发器温度逐渐升高，霜温传感器对蒸发器表面进行检测，当其达到霜温上限时，启动制冷机开始制冷，当库温下降至库温仪表下限，库温仪表控制电路断电，冷风机和制冷机停止运转。若库温达到上限时，冷风机运转，此时霜温未达上限，通过风机运转融去积霜。霜温达到上限时，制冷压缩机运行制冷，冷库开始降温。若库温未达下限，霜温已达下限，说明蒸发器结霜严重，此时冷风机启动使蒸发器融霜，可有效防止蒸发器严重积霜。

图1 冷库控制程序Fig.1 Cold storage control program

LU－R/C 2100液晶显示控制无纸记录仪（微伏级电压信号量程±1 m V，精度±2μV），由厦门安东电子有限公司生产，山东省果树研究所改制，能够进行多通道数据采集和存储。热镀锡膜铜－康铜热电偶，由山东省果树研究所贮藏加工室制作，其测温精度可达±0.1℃［9］。自记型热电偶通风干湿温度表［10］，山东省果树研究所贮藏加工室专利产品，用于测量和记录库内干球和湿球温度。BPS 3238数字压力变送器测量范围为4～20 m A，测量精度为0.25%（FS），由沈阳半岛电气表业有限公司生产。HB－33000I智能三相综合电参量监测仪及互感器，测量精度为0.5%（FS）。

1.2 试验方法

试验冷库库温设定在0～3℃，霜温设定在－10～0℃，冷库正常运行1个周期分为3个阶段：制冷压缩机和冷风机都处于停机状态记为停机阶段；制冷压缩机停机、冷风机运行记为风机运行阶段；制冷压缩机和冷风机都处于运行状态记为制冷阶段。冷库正常运行一般不积霜，为了造成积霜情况，试验中，一定时间内关闭双温双控自动化霜系统，使蒸发器结霜。选取结霜前5 h和结霜后26 h，在这31 h内记录库温与霜温的变化过程。选取蒸发器结霜前12 h和结霜后的12 h，在2段时间内分别记录蒸发器进风口与出风口的温差和冷库耗电量。蒸发器积霜最厚2 cm。

1.2.1 温度测量

试验采用热镀锡膜铜－康铜热电偶与LU－R/C 2100液晶显示控制无纸记录仪测量和记录微伏级电压信号，在计算机上根据热电偶并联和固定温度法标定出的二次回归数学模型y＝0.030 4x2＋37.194x，其中y为热电偶电势值（m V），x为温度值［11］，通过Excel的单变量求解转换为温度值。LU－R/C 2100液晶显示控制无纸记录仪采样时间间隔为1 s。布置1组热电偶于冷库中央，冷库顶部下垂1 m，将测量的冷库内温度记为库温；用1组热电偶布置在蒸发器中心位置，微型测头紧贴翅片管管壁，用来测量蒸发器上的霜温，记为霜温；用2组热电偶分别布置在蒸发器的进风口和出风口的中心位置，用来测定两者温度，然后用进风口温度减去出风口温度，记为温差；在蒸发器片管间选择有代表性的18个测温点，将18组热电偶布置其上，根据18组测量值，绘制蒸发器外表面的三维温度场。

1.2.2 耗电量测量

采用HB－33000I智能三相综合电参量监测仪及互感器监测冷库用电量。采用RS 485传输标准与计算机通信，配置1台计算机数据采集系统，由MCGS全中文组态软件支持，以实时记录存储试验数据。

2 试验结果与分析

2.1 库温和霜温变化分析

库温变化如图2a）所示，积霜前库温在0～3℃呈周期性变化，周期变化基本稳定。在A1—B1停机阶段，库温由0℃上升至3.0℃；B1—C1的风机运行阶段，库温由3.0℃下降至1.7℃；C1—D1的制冷阶段，库温由1.7℃下降至0℃，周期用时26 min，且在0～5 h的时段内，周期用时逐渐延长。结霜后，不及时融霜造成了积霜，以致库温达不到设定下限0℃，冷库不能正常按3个阶段进行，即不会出现停机阶段。积霜后的B2—C2的风机运行阶段是由于霜温到达下限，制冷压缩机停止制冷，冷风机运转开始融霜，库温由0.2℃上升至1.6℃；库温未达下限，但霜温达到了上限，又出现C2—D2的制冷阶段，库温由1.6℃下降至0.3℃，周期用时16 min。积霜后，融霜不彻底造成库温达不到下限，表现为库温最低温度逐渐升高，31 h偏离下限1.5℃，且周期用时越来越短，表明了制冷压缩机开关机逐渐频繁，制冷工况逐渐恶化。

霜温变化如图2b）所示，积霜前，在A1—B1的停机阶段，霜温先由－8.8℃快速上升至－3.0℃，然后又缓慢升温至－2.0℃；B1—C1风机运行阶段，霜温由－2.0℃升高至0℃，这是由于风机启动，将蒸发器内残余冷量排入冷库内，致使蒸发器温度有所上升；C1—D1制冷阶段，霜温由0℃快速下降至－8.8℃。0～5 h内霜温周期最低温度由－8.2℃逐渐下降至－9.8℃。积霜后，霜温维持在－10～0℃，周期最低温度达到霜温设定下限，冷库以风机运行和制冷2个阶段运行，没有停机阶段。B2—C2风机运行阶段，霜温由－13.0℃上升至0℃；C2—D2制冷阶段，霜温由0℃又下降至－13.0℃。对比积霜前后的霜温变化可知，积霜后的霜温最低温度比积霜前的最低温度有所下降，达到霜温设定下限，表明蒸发器的制冷效率逐渐下降。

2.2 蒸发器进风口与出风口温差分析

蒸发器进风口与出风口温差在一定程度上反映出蒸发器与库内气体的换热状况。如图3所示，积霜前蒸发器进风口与出风口温差记为温差1，积霜后记为温差2。温差1呈周期性变化，A1—B1制冷阶段，温差1快速升高，最大值为3.5℃。A2—B2制冷阶段，温差2最大值为1.3℃。对比温差1和温差2可得，温差1的周期最大值比温差2的周期最大值高2.2℃，表明在制冷阶段，蒸发器积霜后与库内空气的换热效果明显减弱。

图3 进风口与出风口温差Fig.3 Temperature difference of air inlet and outlet

2.3 耗电量对比分析

冷库运行12 h，积霜前的耗电量（耗电量1）为4.08 kW·h，积霜后的耗电量（耗电量2）为10.08 kW·h，比耗电量1增加147.06%，主要是因为蒸发器积霜后，制冷效率下降，冷库的运行周期时间缩短，冷库启动较积霜前频繁，导致耗电量明显增加。由此可知，冷库内蒸发器积霜会大大增加冷库的耗电量，应及时进行化霜操作，减少耗能。

2.4 蒸发器温度场分析

利用Matlab软件绘图得到蒸发器在制冷阶段瞬态的外表面三维温度场，如图4所示。图4a）为蒸发器积霜前的三维温度场，平面1的温度主要集中在－6～－2℃；平面2温度为－11～－9℃且温度分布较为均匀；平面3大部分区域温度为－8～－4℃。蒸发器积霜后三维温度场如图4b）所示，平面1左下角部位温度为－5～0℃，其余大部分区域面积温度在－15～－10℃；平面2温度为－15～－13℃；平面3温度主要集中在－12～－10℃。对比积霜前后蒸发器外表面三维温度场可得，积霜后，平面1温度下降4～13℃，平面2温度下降2～6℃，平面3温度下降2～8℃。蒸发器表面温度的下降将减弱制冷剂在蒸发器内的热交换，使制冷剂蒸发不完全，甚至会出现制冷压缩机液击现象。

图4 制冷阶段蒸发器外表面三维温度场Fig.4 Three－dimensional temperature field of the outer surface of the evaporator in the cooling stage

3 结 语

1）蒸发器积霜前，库温周期变化较为稳定；积霜后，冷库运行周期由3个阶段变为风机运行和制冷2个阶段且库温最低温度逐渐升高，达不到设定下限，周期变化幅度减小，用时缩短，表明制冷压缩机开关机频繁，制冷工况逐渐恶化。积霜后的霜温周期最低值达不到霜温设定下限，冷库无法在正常设定温度范围内运行，蒸发器的制冷效率明显下降。

2）蒸发器积霜使进风口与出风口温差减小，蒸发器与库内空气的换热效果明显减弱；冷库运行12 h的耗电量增加147.06%，积霜后蒸发器外表面三维温度场显著不同，各点温度都有所下降，偏离设计的最低温度。

3）应该根据结霜过程中库温和霜温变化的特点，及时确定蒸发器结霜状况，以便进行化霜操作，保证冷库安全高效运行。

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Effect of evaporator frost on thermal condition of cold storage

JIANG Dao－zhu1，LU Mo－sen2，LU Rong3，WANG Dan2
（1.Institute of Agricultural Engineering and Food Science，Shandong University of Technology，Zibo Shandong 255049，China；2.Shandong Institute of Pomology，Tai＇an Shandong 271000，China；3.Taishan District Yixin Preservation Equipment Factory of Tai＇an City，Tai＇an Shandong 271000，China）

In order to explore the influence of evaporator frost on the thermal conditions of cold storage，this paper provides the scientific basis for the cold storage in a timely manner of frost and frost－free operation.The ten tons and three HP and dual temperature controlled cold storage is studied，dynamically monitoring cold storage temperature，frost temperature，the temperature difference of evaporator air inlet and outlet and power consumption，and three－dimensional temperature field of the outer surface of the evaporator is drawn.The results show that before evaporator frosted，the cycle change of cold storage temperature is more stable.Cold storage operation cycle consisting of three phases turns into two stages of fan running and cooling，and the lowest cold storage temperature is gradually increased so that it can not reach the setted lower limit.The changing range of cycle is reduced and time is shortened.After evaporator frosted，frost temperature cycle minimum value reaches setted lower limits and cold storage could not operate within the scope，then the cooling efficiency of the evaporator is decreased.The temperature difference of the air inlet and outlet is reduced because evaporator frost and cold storage power consumption increased by 147.06%to run 12 hours.Three－dimensional temperature field in the outer surface of the evaporator is significantly different and every point temperature has dropped so that it deviates from the designed minimum temperature.The tests show that evaporator with no frost is an important factor to keep cold storage energy saving and operating safe.

thermal condition；cold storage；evaporator；frost

TQ051.5

A

1008－1534（2012）04－224－04

2012－04－05

冯 民

山东省科学技术发展计划资助项目（2008CG10009038）；山东省农业科学院创新基金资助项目（2007YCX025）

姜道珠（1985－），男，江苏徐州人，硕士研究生，主要从事制冷设备测控与分析方面的研究。

鲁墨森研究员。E－mail：lumosen＠163.com