对某型船用冷库低温冷风机严重结霜问题的研究

吴 松，陈 雷，王艳华

（1.海军92196部队52分队，青岛266011；2.海军潜艇学院动力操纵系，青岛266042）

对某型船用冷库低温冷风机严重结霜问题的研究

吴 松1，陈 雷1，王艳华2

（1.海军92196部队52分队，青岛266011；2.海军潜艇学院动力操纵系，青岛266042）

阐述了某型船用冷藏系统对保障船员执行远洋运输任务的重要性和其自动工作控制关系，总结了蒸发器严重结霜对系统的不良影响及相应融霜措施的不足，研究了更为适用的解决蒸发器严重结霜问题的方法。

冷藏系统；蒸发器；严重结霜；融霜措施

新时期，随着我国对外经济的不断发展，远洋运输任务越来越多，船员远航任务重。作为保障船员生活的系统，冷藏系统在船舶上用来贮藏肉类、菜类等食品，保证船员长期海上生活所需和改善伙食条件，其作用尤为重要：一旦冷藏系统故障或效率大幅降低，便会极大地影响船员远洋运输任务的顺利完成。而低温库蒸发器结霜 （冰）太厚就是严重影响冷藏系统正常工作的一个重要原因，也是长期困扰船员的一个重要问题。

1 冷藏系统的自动工作控制

某船冷藏系统的组成及工作原理如图1所示。

冷藏系统设置高温库 （图1中上部右侧为高温库蒸发器，又称高温冷风机，保持库温在0～4℃）和低温库 （图1中上部左侧为低温库蒸发器，又称低温冷风机，保持库温在-10～-14℃），并可分别或同时对其实施降温。

冷藏系统通常是在两库自动温控工况下工作：

图1 冷藏系统原理图

将转换开关放在 “自动”位置上，当库温达到启动值时 （菜库4℃或肉库-10℃），温度继电器 （菜库或肉库）控制延时继电器得电，水泵立即启动，延时30秒后制冷压缩机、冷风机 （高温、低温）自动启动，同时供液电磁阀打开，开始制冷工作。当某一库温度达到停止值时 （菜库0℃或肉库-14℃），其供液电磁阀关闭，冷风机（高温或低温）停止工作。当两库温度都达到停止值时，制冷压缩机、水泵、冷风机 （高温、低温）停止工作，电磁阀全部关闭。只有当制冷压缩机、水泵停机后，冷风机 （高温、低温）才能由延时继电器控制延时停车 （可延时0～60秒）。

2 蒸发器结霜 （冰）问题及其影响

2.1 蒸发器结霜（冰）问题

长时间海上航行时，为贮存食品，冷藏系统工作时间较长。由于低温库要求的工作温度低，而库内湿度又大，因此会导致蒸发器表面结霜，随着冷藏系统工作时间的不断延长，蒸发器的结霜情况越来越严重，霜层厚度不断增加，甚至结厚厚的一层冰。

2.2 蒸发器表面严重结霜 （冰）对蒸发器工作性能的影响

霜的热导率为0.116～0.139W/（m·℃），其热阻比盘管材料（铜或铝）的热阻大94～443倍，冰的热阻也比盘管材料的热阻大了近两百倍［1］。因此，蒸发器结霜太厚，甚至结冰，会严重影响蒸发器热交换性能［2～5］：

（1）会直接增加蒸发器的传热热阻、降低蒸发器的换热系数，使蒸发器的传热性能大幅下降；

（2）随着霜层厚度的增加，会逐渐堵塞蒸发器的外部空间，使通过蒸发器的空气流量越来越小，严重地破坏库内空气与制冷剂之间的换热，使蒸发器的换热量大大减少。

这样，当库内温度升高后，机组重新启动对冷库降温，工作时间长但库温难以下降。

2.3 现有融霜措施及效果

2.3.1 低温冷风机融霜措施

目前，该型冷藏系统低温库的蒸发器主要是采用电加热的方法进行融霜：在蒸发器的承水盘和泄水管处分别设有一个电加热器，当霜 （冰）层厚度对蒸发器换热效果影响较大时，可接通电加热器对蒸发器进行融霜 （实际上，通常是在制冷机组停止工作后进行）。

2.3.2 电加热融霜的效果及缺陷

电加热融霜方法可在霜层 （冰层）不太厚的情况下将霜层 （冰层）融解，恢复蒸发器的换热性能，但当霜层 （冰层）厚度太大时，电加热融霜的效果就会不理想，并且由于电加热融霜方法本身存在的缺点，会对整个系统的工作和机组的使用寿命带来不利的影响：

（1）造成电能浪费；

（2）电加热器加热时放出的热量使冷库温度升高较快，冷热交替频繁，不利于食品的贮存；

（3）结霜严重甚至结厚冰时，融霜时间太长，会导致冷库温度上升较大，融霜后延长了冷藏机组的工作时间，而随着工作时间的延长，蒸发器又会重新结霜，使系统陷入 “结霜→融霜→冷库升温快→机组工作→结霜”的死循环；

（4）随着机组工作时间的延长，机组工作的振动等因素会降低机组的使用寿命。

因此，非常有必要采取其它有效措施来解决蒸发器严重结霜问题。

3 解决蒸发器严重结霜 （冰）问题的方法

3.1 控制库内的相对湿度在合理的范围内

研究表明［6］：库内相对湿度越大，蒸发器的结霜速度越快；同时，库内相对湿度越大，蒸发器换热量下降的速度越快。经过实际测量，冷藏系统运行30～45分钟后，库内相对湿度为80%的情况下，蒸发器的换热量下降到未结霜时的84%，库内相对湿度为70%时，蒸发器的换热量下降为原来的87%，而库内相对湿度为60%时，蒸发器的换热量下降为原来的92%。因此，要使蒸发器保持较高的换热效率，应尽量把库内相对湿度控制在较低的水平。为此，可采取以下措施：

（1）低温库内尽量装载已冻结的食品，以免未冻结食品将大量水分带入库内，导致库内相对湿度增大。

（2）尽量控制冷藏系统所在舱室内的相对湿度在较低的水平，特别是在炎热潮湿的夏季，可适时开启舱室空调对舱室进行降温除湿，以降低库内空气的含湿量。

3.2 机组停车后，延长低温冷风机工作时间

根据冷藏系统的工作原理和过程可知：在压缩冷凝机组停止工作后，强制低温冷风机继续工作，加强库内空气流通，蒸发器表面所结的霜 （冰）会缓慢融化 （或升华），这样，既可解决蒸发器结霜 （冰）的问题，又达到了辅助降温的效果。因此，为取得较好的融霜效果，可适当延长低温冷风机的工作时间。

但是，若低温冷风机一直工作，会浪费电能并全时散发热量，导致冷库温度上升速度加快，造成冷藏机组启动次数增多。为此，必须将冷风机的延长工作时间控制在合理的范围内。因此，对冷藏系统进行反复试验，并将实验结果绘制成库温与冷风机工作时间关系图，如图2所示。

图2 库温与冷风机工作时间关系图

试验结果表明：在压缩冷凝机组停止工作后，低温冷风机继续对冷库进行通风约35～45分钟，其融霜和冷库降温效果最佳。

根据前述冷藏系统的自动工作控制过程可知，低温冷风机的延时工作是由延时继电器2KT来控制的，其延时范围为0～60秒。为达到使低温冷风机在压缩冷凝机组停车后继续工作约35～45分钟的目的，可以采取以下措施：

将控制低温冷风机的延时继电器2KT更换为延时范围为0～60分钟的继电器，并将其延时工作时间调整为35～45分钟。

3.3 改善空气流通路径，增强换热效果

3.3.1 增设低温冷风机的吸气风道，提高库内空气流通效率

如图3和图4所示，蒸发器及其冷风机 （图3中粗线条部分所示）安装在冷库的顶部舱壁上，其后部弧形所示为船舶固壳。

图3 低温冷风机安装及库内空气循环示意图

图4 低温冷风机实际安装情况

工作时，冷风机主要从后部吸气：空气经过蒸发器时，被蒸发器内的制冷剂冷却后，从前方圆形排气口排出，如图3中箭头所示。这样，库内空气主要围绕冷库上部冷风机周围的空间循环，流动范围小，冷库中部空间与底部空间空气循环流通效果差，冷库降温缓慢，造成冷藏机组工作时间长，容易结霜 （冰）。

由冷藏系统的工作原理和热量传递的相关知识可知［7，8］：冷库内空气流动速度越快，其制冷效果越好，但同时也会导致蒸发器结霜速度加快。因此，应当寻找库内空气流动的最佳速度，既能达到提高空气循环效率的目的，又能尽可能降低蒸发器的结霜速度。研究表明［8，9］：当其它条件相同、库内风速为1.5～2.5m/s时，制冷系统的工作效率较高。因此，可采取措施尽量控制库内风速在该范围内。

又根据差压式冷却理论［7，10］，针对冷库内空气循环流通不良的情况，可以采取以下措施：

根据风机风量和控制风速的要求，可在冷风机下方和侧方加装部分吸气挡板 （约占用低温库0.15m3空间，所占空间比例约为2.5%，对库容影响不大），并使各挡板组成一个吸气风道，其进风口在底部，距冷库地面约为1.1m。吸气风道如图5中风机周边虚线位置所示。

图5 冷风机加装吸气挡板示意图

加装吸气风道后，冷风机从冷库底部吸气，迫使库内空气向吸气风道的进风口处聚集，加强冷库上下空气流通循环，提高冷库的工作效率。

3.3.2 加装低温冷风机排气导风板

在加装低温冷风机吸气通道的同时，在风机出口正对面的立面墙和顶面之间，加装一块倾斜角度为45°的平面导风板 （具体如图6中风机出口对面的虚线四边形所示）。

加装导风板后，冷风机排出的冷空气直接吹向导风板的倾斜平面，由于该平面与风机出口气流方向成约45°的角，由流体力学的相关知识可知［7］：除少量冷空气向左右分散改变流动方向外，绝大部分的冷空气将向下改变流动方向，带动了库内中部空间和下部空间空气的循环，消除了原来库内空气主要在冷库上部空间流动循环的现象，很好地改善了库内空气流通路线，提高了冷库的工作效率。

3.4 合理布置冻结食品，提高冷库的工作效率

进行冻结食品装载时，应对食品块的放置进行合理的布置：相邻食品块之间不能紧贴布置，应留有4～5cm的间隙，便于库内空气在食品块之间流动，以提高冷库的工作效率，从而减少冷藏系统的工作时间，降低蒸发器严重结霜的概率。

［1］刘训海，刘鹏，仇鑫明.基于双级和复迭式可切换的低温试验冷库的研制［J］.上海理工大学学报，2007，26（4）：386-390

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［7］尉迟斌，卢士勋，周祖毅.实用制冷与空调工程手册［M］.第二版.北京：机械工业出版社，2011

［8］吴金玉，陈江平.低温工况下蒸发器结霜特性的数值模拟及试验研究［J］.低温工程，2008，（1）：33-37

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Study on Cold Air Cooler w ith Severe Frost Problem of a Certain Type of Ship

WU Song1，CHEN Lei1，WANG Yanhua2
（1.Marine 92196 unit52，Qingdao 266011；2.Department of power control，PLA Navy Submarine Academy，Qingdao 266042）

This paper expounds the importance of a certain type ofmarine refrigeration system to protect the crew to perform the ocean transportation task and the relationship of its automatic operation control，summarizes the lack of serious adverse effects of evaporator frosting on the system and the correspondingmeasures of defrosting，study on themethod for solving the serious problems for the evaporator frosting.

Refrigeration system；Evaporator；Severe frost；Melt cream measure

TQ051.6+2［文献标示码］B

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.03.015

ISSN1005-9180（2015）03-079-05

2015-6-25

吴松 （1981-），男，四级军士长，从事机电管理专业。

王艳华，Email：wyh7622@163.com