平板速冻机三种供液方式的实验比较

曹晓程 万金庆 宋立尧 厉建国 王国强

(上海海洋大学食品学院 上海 201306)

平板速冻机三种供液方式的实验比较

曹晓程 万金庆 宋立尧 厉建国 王国强

(上海海洋大学食品学院 上海 201306)

本文提出了一种射流泵节流供液制冷系统(方式III)，并与传统的热力膨胀阀供液(方式I)和液泵供液(方式II)进行了实验对比，研究了三种供液方式对模拟食品的冻结时间、冻品温差和冻结装置总能耗的影响。结果表明，在本文的实验条件下，方式II和方式III比方式I的冻结时间缩短了约14%，模拟食品的温度下降更为均匀，有利于冻品质量的提高。在能耗方面，方式III比方式I节省了6.3%，比方式II节省了9.6%，表明射流泵节流供液优势明显。

供液方式；射流泵；冻结时间；冻品温差；能耗

近年来，随着海洋捕捞业和水产养殖业的迅速发展，水产品在贮存、加工、运输等各个环节的冷冻保藏显得尤为重要。平板速冻机是船用制冷装置中的重要装备之一，因其冻结速度快、产品干耗低、外观整齐以及在常温下就能操作等优点，已越来越受到人们的喜爱。目前国内平板速冻机供液方式主要有：热力膨胀阀供液、重力供液以及液泵供液[1]。这些方式除液泵属于强制循环外，其余均采用自然流动方式，由于它们属于低沸腾传热，平板传热系数低、冻结时间较长。采用液泵供液时，虽然缩短了冻结时间，但由于增设了液泵将增加能耗。

Chunnanond K等[2]在相关研究中指出：Maurice Leblanc首次提出将射流泵用于喷射式制冷系统中，利用低位热源驱动制冷系统，对于具有废热的场所是一个很好的能源回收方式。目前国内外对这方面的研究趋于成熟[3-9]，但射流泵在蒸气压缩式制冷系统中的应用研究是从20世纪80年代才开始：Lorentzen G[10]用射流泵代替节流阀，驱动蒸发器的制冷剂液体再循环，以提高蒸发器的性能。Kornhauser A A[11]提出一种压缩/喷射混合蒸气压缩制冷循环，回收膨胀节流损失，使制冷系统的制冷效率得到提高。Dopazo J A等[12-13]在NH3/CO2复叠式实验平板中，分别用了2个射流泵，使蒸发温度升高，液体再循环倍率可以达到3以上。Minetto S等[14]将射流泵的倍量供液用于空调系统中，研究了蒸发器的温度分布，结果表明，射流泵能够适应变工况。

本研究小组发明专利[15]“一种射流泵节流供液制冷系统”通过回收射流泵节流过程中的膨胀功，提高了压缩机的回气压力；同时系统实现了蒸发器的倍量供液，无需使用循环液泵。为了研究射流泵节流供液制冷系统的冻结特性，采用热力膨胀阀、液泵和射流泵三种不同的供液方式进行实验研究，测试并分析了三种供液方式对冻品品质以及冻结装置能耗的影响。

1 实验系统

1.1 新系统的提出

基于射流泵能够减少节流损失及引射低压流体的特点，文献[15]中的专利中提出了一种新型的射流泵节流供液制冷系统，如图1所示。气液分离供液桶能够让来自射流泵内制冷剂两相流中的气体，经压缩机中间吸气口返回压缩机，而液体部分则直接进入蒸发器。

该专利具有以下优点：1)能够及时将来自射流泵内制冷剂两相流中的气体返回压缩机，避免浪费制冷剂气体所获得的膨胀功；2)实现蒸发器的纯液体供液，降低了两相制冷剂在蒸发器中的流动阻力，提高了换热效率；3)能够实现无电泵条件下蒸发器的超倍供液，减少了电能消耗；4)结构简单，易于推广应用，可以用于各种形式的空调、制冷和低温系统，达到节能目的。

图1 射流泵节流供液制冷系统原理图Fig.1 Schematic diagram of ejector system

由于带有中间吸气口的压缩机制造工艺比较复杂，实验选取图2所示的系统。与图1不同的是：该系统中压缩机没有中间吸气口，来自气液分离供液桶的R22制冷剂蒸气经阀门降压，与来自气液分离循环桶的制冷剂混合后，由压缩机吸入。虽然采用图2所示系统时，没有利用气体得到的膨胀功，但是对压缩机的要求不高，成本降低。

图2 射流泵节流供液制冷系统原理图(压缩机无中间吸气口)Fig.2 Schematic diagram of ejector system (compressor without center suction mouth)

1.2 实验装置

基于上述专利，搭建了平板速冻机综合实验台，分别包括并联的三种供液方式，即热力膨胀阀供液(方式I)、液泵供液(方式II)和射流泵节流供液(方式III)，其系统原理图如图3所示。

1电磁阀2手动膨胀阀3止回阀4压差控制器5液泵 6过滤器7射流泵8冷凝器 9压缩机10气液分离供液桶 11回油加热器12气液分离循环桶13压力传感器 14旁通阀15速冻平板16热力膨胀阀图3 三种不同供液方式系统原理图Fig.3 Schematic diagram of three fluid supply systems

速冻平板的型号为PA/PF，冻结能力500 kg/次，有效蒸发面积25 m2；双级活塞式压缩机的型号为S6F-30.2-40P，低压级吸气量为101.4 m3/h；风冷式冷凝器的型号为FNH-1.2/4；热力膨胀阀的型号为TX2-068Z3209，蒸发温度范围为-60～50 ℃；液泵型号为PB40-25-160A。

射流泵由喷嘴、吸入室、混合室和扩散室组成[16-17]，设计工况为蒸发温度-35 ℃，冷凝温度35 ℃，引射比0.5～2，其中实验用射流泵的主要几何尺寸如表1所示。

表1 射流泵主要几何尺寸Tab.1 The main geometry of ejector

在实验装置的测量系统中，采用T型热电偶对温度进行测量，测量精度为±0.5 ℃；系统电功率采用DZFC-1型的电能综合分析测试仪进行测量，功率测量精度为1.0级；测温记录仪表采用安捷伦34980A，每10 s记录一次数据。

1.3 实验台的运行

本实验在冬季上海某地相邻三天进行，室外温度情况几乎相同，实验期间的气温变化为8～12 ℃。冻品采用吸满水的海绵(长方体)来进行模拟，其厚度略大于托盘的厚度，以使平板下压时，海绵的上表面能与板面良好接触，从而能够反映实际的传热状况。每层平板放置6个托盘，每个托盘中含水海绵重约12.5 kg，共7层42个托盘，总计水量约500 kg，三次实验冻品的总量和初始温度基本一致。同时，分别在每层平板的中心区域选取1块海绵中心布置测温点，从最上层开始，每层一块，共计7层，以便测量冻品中心温度。各供液系统运行原理如下：

1)采用方式I供液系统，该系统主要包括压缩机、冷凝器、速冻平板和热力膨胀阀组成。首先关闭图3中的阀门V2、V3、V4、V5、V6，打开阀门V1 (其他未做说明的阀门均是打开状态)，启动电源，使得机器正常运转。热力膨胀阀将来自冷凝器中的制冷剂液体节流后，进入平板蒸发器吸热汽化。制冷剂蒸气直接被压缩机抽回，继续循环。当所有测温点的温度均降至-18 ℃时，关闭电源，实验结束。

2)采用方式II供液系统，该系统主要有压缩机、冷凝器、速冻平板、气液分离循环桶和液泵组成。首先关闭图3中的阀门V1、V3、V4、V6，打开阀门V2、V5 (其他未做说明的阀门均是打开状态)，启动电源，使得机器正常运转。冷凝器出来的液体经过手动节流阀节流后进入气液分离循环桶，桶内制冷剂由液泵输往平板蒸发器吸热蒸发，蒸发形成的气体和未蒸发的液体一并返回气液分离循环桶被再次分离，气体被压缩机吸走，液体由液泵再循环。当所有测温点的温度均降至-18 ℃时，关闭电源，实验结束。

3)采用方式III供液系统，该系统主要有压缩机、冷凝器、射流泵、速冻平板、气液分离循环桶和气液分离供液桶组成。首先关闭图3中的阀门V1、V2，打开阀门V3、V4、V5、V6 (其他未做说明的阀门均是打开状态)，启动压缩机，使机器正常运转。运行一段时间后，气液分离循环桶的液态制冷剂会被射流泵抽回，经过气液分离供液桶分离后，液态制冷剂继续循环供给蒸发器，而气态制冷剂则被压缩机抽回。当所有测点的温度均降到-18 ℃时，关闭电源，实验结束。

2 实验结果与分析

图4～图6分别给出了方式I、方式II和I方式II三种不同供液方式的冻品冻结的温度曲线。冻品起始温度均为8 ℃左右，以7个测点温度全部降至-18 ℃时，计算冻结时间。

图4 方式I供液冻结曲线Fig.4 The freezing curve of mode I

图5 方式II供液冻结曲线Fig.5 The freezing curve of mode II

图6 方式III供液冻结曲线Fig.6 The freezing curve of mode III

图7 三种不同供液方式蒸发温度曲线Fig.7 The evaporation temperature of three fluid supply system

通过对三种不同供液方式冻结曲线进行对比，分析冻结时间、制冷剂流量、循环倍率、总能耗、冻结完成时冻品间最大温差以及单位质量冻品耗电量，结果如表2所示。

在冻结时间方面，方式I时间最长，方式II和方式III基本一致。这是因为在方式II和方式III中，平板内制冷剂的供给量远大于蒸发量，改善了供液条件，使得平板内表面得到充分的润湿，增强了制冷剂侧的对流换热，提高了平板的换热效率，缩短了冻结时间。虽然采用方式II供液时，循环倍率高，但从图7可以看出，方式III供液时，制冷剂蒸发温度低，故其与冻品之间的换热温差大，有利于提高冻结速率，缩短冻结时间。同时，采用方式I供液时，制冷剂蒸发温度上下波动，而方式II和方式III呈均匀下降趋势，故图5和图6的冻结曲线相对于图4更为集中，冻品温度波动不大，冻品温度下降的更为均匀，缩短了冻品之间的温差，使得冻品品质更佳。

表2 三种供液方式冻结性能对比Tab.2 The freezing performance of three fluid supply system

另外，通过以上三组实验数据可以看到，方式III所需能耗最少，单位质量冻品耗电量最小。这是因为方式III所需时间最短，缩短了压缩机、冷凝器风机等设备的工作时间，减少了能耗；同时，射流泵能够回收部分膨胀功，提高了蒸发器的制冷量。相比于方式II，虽然两者之间冻结时间基本一致，但液泵工作时需消耗电能，所以其总能耗最大。

3 结论

本文对热力膨胀阀、液泵、射流泵三种不同供液方式进行了实验研究，以R22为制冷剂工质，分析了在室外温度为10 ℃时，三种供液方式在平板速冻装置上的冻结特性，得出了以下结论：

1)在相同的工况条件下，方式II和方式III平板中制冷剂流量大、流速高，促使制冷剂液体与管内壁有更充分的接触，强化了平板内腔的传热强度，冻结时间相对于方式I缩短了约14%。

2)射流泵能近似等熵节流，相对于热力膨胀阀的等焓节流，射流泵能够回收部分膨胀功，提高了平板的制冷量。同时方式III减少了压缩机、冷凝器等设备的工作时间，能耗相较于方式I节省了约6.3%，相较于方式II节省了约9.6%。

3)方式II和方式III能够避免蒸发器的两相供液，降低制冷剂蒸气在蒸发器中的流动阻力，使蒸发器的换热面积得到充分利用，让冻品温度下降更均匀，缩短了冻品间最大温差10 ℃，改善了冻品质量。

4)射流泵具有结构简单，无运动部件，成本低廉，运行可靠，安装维护方便等优点，适用于包括两相流在内的任何流型，而且将其应用于制冷循环，既能提高系统性能，又不会增加系统的复杂程度。

实验结果表明，射流泵供液系统用于平板速冻制冷系统是可行的。今后只要在系统设计、辅机配套、射流泵控制自动化等方面再做改进和提高，其应用是大有前途的。

[1] 陈依水. 引射泵在平板速冻机制冷系统中的应用[J]. 渔业现代化, 1990, 17(87): 19-21. (Chen Yishui. Ejectors: applications in the plate freezer[J]. Fishery Modernization, 1990, 17(87): 19-21.)

[2] Chunnanond K, Aphornratana S. Ejectors: applications in refrigeration technology[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2004, 8(2): 129-155.

[3] Sun Dawen. Refrigeration cycle operating with various refrigerants[J]. Energy Conversion & Management, 1999, 40(8): 873- 884.

[4] Chunnanoud K, Aphornratana S. An experimental investigation of a steam ejector refrigerator: the analysis of the pressure profile along the ejector[J]. Applied Thermal Engineering, 2004, 24(2/3): 311-322.

[5] Selvaraju A, Mani A. Analysis of a vapor ejector refrigeration system with environment friendly refrigerants[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2004, 43(9): 915-921.

[6] Sarkar J. Geometric parameter optimization of ejector-expansion refrigeration cycle with natural refrigerants[J]. International Journal of Energy Research, 2010, 34 (1): 84-94.

[7] Disawas S, Wongwises S. Experimental investigation on the performance of the refrigeration cycle using a two-phase ejector as an expansion device[J]. International Journal of Refrigeration, 2004, 27(6): 587-594.

[8] Elbel S. Historical and present developments of ejector refrigeration systems with emphasis on transcritical carbon dioxide air-conditioning applications[J]. International Journal of Refrigeration, 2011, 34(7): 1545-1561.

[9] Yan J, Cai W J, Li Y Z. Geometry parameters effect for air-cooled ejector cooling systems with R134a refrigerant[J]. Renewable Energy, 2012, 46: 155-163.

[10] Lorentzen G. Throttling, the internal haemorrhage of the refrigeration process[C]// The Plenary Session of the 16th IIR Congress. Paris: Proceedings of the Institute of Refrigeration, 1983: 39-47.

[11] Kornhauser A A. The use of an ejector as refrigerant expander[C]//R-Purdue of 1990 US-NCPII R-Purdue Refrigeration Conference and ASHRAE-Purdue CFC Conference. West Lafayette: Energy and Refrigeration, 1990: 10-19.

[12] Dopazo J A, Seara J F. Experimental evaluation of an ejector as liquid recirculator in an overfeed NH3system with plate evaporator[J]. International Journal Refrigeration, 2011, 34(7): 1676-1683.

[13] Dopazo J A, Seara J F. Experimental evaluation of freezing processes in horizontal plate freezers using CO2as refrigerant[J]. International Journal of Refrigeration, 2012, 35(8): 2093-2101.

[14] Minetto S, Brignoli R, Zilio C, et al. Experimental analysis of a new method for overfeeding multiple evaporators in refrigeration systems[J]. International Journal of Refrigeration, 2014, 38: 1-9.

[15] 万金庆，宋立尧，卞华，等. 一种射流泵节流供液制冷系统: 中国, CN102878715A[P]. 2013-01-16.

[16] 索科洛夫, H M 津格尔. 喷射器[M]. 黄秋云, 译. 北京: 科学出版社, 1977.

[17] 曹晓程, 万金庆. 射流泵在制冷系统中的应用研究进展[J]. 低温与超导, 2014, 42(10): 63-67.(Cao Xiaocheng, Wan Jinqing. Research status of ejector applied in the refrigeration system[J]. Cryogenics and Superconductivity, 2014, 42(10): 63-67.)

About the corresponding author

Wan Jinqing, male, professor, Ph.D., College of Food Science and Technology, Shanghai Ocean University, +86 21-61900392, E-mail: jqwan@shou.edu.cn. Research fields: energy-saving technology of refrigeration systems and food preservation technology.

Experimental Comparison of Three Liquid Supply System on Plate Freezer

Cao Xiaocheng Wan Jinqing Song Liyao Li Jianguo Wang Guoqiang

(College of Food Science and Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai, 201306, China)

This paper proposes a type of ejector throttling refrigeration system (Mode III), and compares it with traditional thermal expansion valve (Mode I) and liquid pump for liquid (Mode II) through experiments. The effects of these three liquid supply modes on freezing time of food, freezing temperature difference and total energy consumption of freezer are studied experimentally. The results show that under the experimental conditions, the freezing time of Mode II & III is shorter by about 14% than Mode I, the falling of food’s temperature is more evenly, and it is good for enhancing the quality of food freezed. On the aspect of energy consumption, Mode III saves 6.3% than Mode I, and saves 9.6% than Mode II. Therefore, the advantages of liquid supply with ejector throttling are obvious.

liquid supply; ejector; freezing time; freezing temperature difference; energy consumption

国家高技术研究发展计划(863计划，2012AA092301)资助项目。(The project was supported by the National High-Tech R&D Progran of China(863 Program, No.2012AA092301).)

2015年3月31日

0253- 4339(2015) 06- 0078- 05

10.3969/j.issn.0253- 4339.2015.06.078

TB657;TS254.4

A

万金庆，男，教授，博士，上海海洋大学食品学院，(021)61900392，E-mail: jqwan@shou.edu.cn。研究方向：制冷系统的节能技术与食品保鲜技术。