急速冷冻箱制冷性能实验研究

陈肖依　刘金平，2　许雄文

(1 华南理工大学电力学院　广州　510640；2 广东省能源高效清洁利用重点实验室 华南理工大学　广州　510640)



急速冷冻箱制冷性能实验研究

陈肖依1刘金平1，2许雄文1

(1 华南理工大学电力学院广州510640；2 广东省能源高效清洁利用重点实验室 华南理工大学广州510640)

针对食品急速冷冻箱的制冷系统进行实验，研究其降温曲线及制冷性能。实验结果表明，目前的食品急速冷冻箱制冷系统在开始降温后，蒸发温度立刻降至接近最低蒸发温度，蒸发器进口温度和被冷冻水温度温差约为25 ℃，蒸发温度过低导致进入压缩机的制冷剂流量偏小，压缩机的实际功率只占额定功率的60%左右，系统的损主要发生在蒸发器内(约占41%)，因此使蒸发温度与箱温匹配是提高急速冷冻箱降温速度的重要手段。

急速冷冻箱； 制冷性能；蒸发温度；实验研究

随着我国经济的迅速发展，人民生活水平的不断提高，生活节奏不断加快，人们对新鲜食品的需求量越来越大。为了满足新鲜食品的供应，将单级低温制冷系统应用于冷柜，利于食品保存[1]。20世纪60年代以后，冷柜生产开始向高度集中化、专业化、合作化、现代化发展。中国冷柜业起步于1956年，鼎盛于80年代。冷柜生产线是由机电一体化程度高、稳定性、可靠性要求严格的专业设备与流水线组成。冷柜制冷业是机械、电工、化工、冶金、材料等工业广泛协作的综合体。相关的新材料、新工艺、新技术往往很快应用在冷柜工业上，使冷柜生产技术得到不断提高。

为了满足市场需求，使冷柜的外形设计更合理，赵韩等[2-3]将家用冰箱和低温箱箱体进行对比，从箱体设计尺寸和绝热层设计两个方面对冷冻箱箱体进行改进。 Mastrullo R等[4]建立冷柜瞬态模型，模拟箱体内温度和能量损失随时间的变化状态，为箱体结构设计提供了参考。

在满足冷柜市场的条件下，追求经济需求，解决目前应用于冷柜的制冷剂环保问题[5]，王玄坤等[6-7]通过循环性能程序，对应用于冷柜的碳、氢化合物制冷剂进行研究，结果表明在同等条件下，R290及其二元混合工质完全可以达到R404A的制冷效果。 Mastrullo R等[8]通过对比实验分析，指出利用丙烷代替R404A可以大大减少冷柜的能量损耗。张乐平等[9- 10]利用R448A替换冷柜内广泛使用的制冷剂R404A，通过对比实验发现两者制冷能力相差不大，但GWP减小70%。Bortolini M等[11]通过实验发现，在冷柜冷藏温度为-5 ℃～10 ℃时，R410A的COP和制冷量较大；在冷柜冷冻温度为-25 ℃～-15 ℃时，R407A的COP和制冷量较大。

为了进一步提高冷柜运行的经济性，研究人员对冷柜的制冷系统部件进行改进。Pisano A等[12]运用商业模拟工具，根据毛细管直径和制冷量的联合效应，分析最佳毛细管直径和制冷量。谢堃等[13- 14]在研制脉冲膨胀阀的基础上，将3种节流机构运用在冷柜制冷系统中进行了实验对比，得出脉冲膨胀阀使冷柜降温速度快，冷柜稳定性能提高。张天鹏等[15]采用满液式蒸发技术，液态制冷剂从蒸发器的下部进入，制冷剂的蒸发全部发生在蒸发器内，有效提高冷柜制冷效率。魏华锋等[16]在卧式冷柜上采用D型管，实现了7%的节能效果。

本文通过实验测量急速冷冻箱的性能，研究急速冷冻箱降温过程中箱体温度与蒸发温度的匹配，为进一步提高急速冷冻箱制冷量、缩短降温时间提供基础。

1 实验装置

1.1 实验急速冷冻箱

本文使用的实验急速冷冻箱如图1所示。箱体内置5个尺寸为600 mm×400 mm的托盘，分层放置。箱体内置一个温度探测仪，用于测量箱体内温度；内置一个热电阻，用于测量食物温度。制冷系统如图2所示，该急速冷冻箱系统为单级制冷循环，热力膨胀阀采用外平衡式，所采用制冷剂为R404A。急速冷冻箱各部件参数如表1所示。

图1 急速冷冻箱实验装置Fig.1 Experimental device of quick freezer

1.2 数据采集系统

数据采集系统由一台安捷伦34970A多功能数据采集仪和一台计算机组成，采用labVIEW平台编制的相关测试程序并通过串口通信对数据采集仪进行控制。将数据采集仪输出信号转换成可直接读取的数据。温度信号、压力信号、功率信号测量方法以及本实验所测参数的测量方法及精度等级见表2。实验测试系统程序界面如图3所示。

图2 急速冷冻箱原理图Fig.2 Principle of quick freezer

名称型号尺寸和材料压缩机NTZ068额定功率1520W,转速约2900r/min。冷凝器风冷式长436mm,高433mm,宽120mm。铜管ϕ12mm×0.6mm,翅厚0.2mm,翅间距4mm。蒸发器风冷式长430mm,高754mm,宽60mm。铜管ϕ9.52mm×0.4mm,翅厚0.2mm,翅间距6mm。储液器高约23cm,直径约12cm干燥器EK-083—热力膨胀阀丹佛斯068Z3430—

表2 主要测量仪器参数

图3 实验程序数据采集界面Fig.3 The interface of data acquisition program

1.3 实验方法

取12 kg温度为22 ℃的自来水，平均放置在5个托盘中。在第二层和第四层的托盘中分别放置热电偶，用于测量水温度。急速冷冻箱中自带测量箱体内食物温度的铂电阻探针，放置在第四层托盘中。关好箱门，设定好箱体目标温度tr和水温度ti，即可开机运行并自动获取实验数据。

表3急速冷冻箱数据采集点

注：T表示温度，P表示压力。测量点表示测量信号点，其中设置2个测量点是为了提高实验精度，增加数据的可靠性。

1.4 实验数据处理

1.4.1 急速冷冻箱的制冷量和COP的计算

1)蒸发器制冷量

φ0=qmq0

(1)

式中:qm为压缩机质量流量，kg/s;q0为蒸发器单位质量制冷量，kJ/kg。

2)COP

(2)

式中：Pe为压缩机功率，kW。

3)压缩机质量流量

qm=ηvVh/ν1

(3)

式中：ηv为压缩机容积效率；Vh为压缩机理论排气量，m3/ h；ν1为压缩机吸气比容，m3/kg。

其中，压缩机理论排气量为：

Vh=4.36 m3/ h

4)蒸发器单位质量制冷量

q0=h2-h1

(4)

式中：h2为蒸发器出口焓值，kJ/kg;h1为蒸发器进口焓值，kJ/kg。

5)制冷压缩机的容积效率

(5)

式中：压缩机出口压力p2, kPa; 压缩机进口压力p1， kPa。

Πcompressor=T0(S2-S1)

(6)

Πcooler=(h1-h2)-T0(S1-S2)

(7)

Πthrottle=T0(S2-S1)

(8)

Πevaporator=(h1-h2)-T0(S1-S2)-

(9)

式中：Si为i点的熵；T0为环境温度，i=1，2，表示进程状态的设备点。

2 结果与分析

2.1 过热度结果与分析

图4所示为蒸发器进口温度、被冷冻水温度随时间变化曲线。开始降温时，箱内水温较高，且降温缓慢而蒸发器进口温度迅速下降至-10 ℃以下。此时制冷系统的蒸发温度和水温温差较大，蒸发器内制冷剂与被冷冻水进行换热，使蒸发器出口制冷剂具有较大过热度，压缩机的吸气密度较小，制冷剂流量较小，从而导致系统制冷量较小，降温时间较长。蒸发器出口制冷剂过热度计算如式(10)所示：

t=t2-tvap

(10)

式中：t2为蒸发器出口温度，℃;tvap为蒸发器出口饱和温度，℃。

图4 水和蒸发器进口温度随时间变化Fig.4 The temperature of water and evaporator inlet tube varies with time

图5所示为蒸发器出口制冷剂过热度随被冷冻水温度变化曲线。可以看出，在被冷冻水高温阶段存在20 ℃左右过热度，在降温过程中过热度保持在10 ℃以上。刚开机时，蒸发器出口制冷剂过热度大，热力膨胀阀开度调至最大，蒸发压力已达到最大值，过热度仍有十几摄氏度。此时，制冷剂流量不足，蒸发器有效利用面积小，制冷量较小。目前常规配置的热力膨胀阀[17]调节范围太小，对急速冷冻箱不适用。因此，若能采用合适的方案，要保证蒸发器出口制冷剂处于过热状态的前提下[18-19]降低其过热度，系统的制冷量可大大提高。

图5 蒸发器出口过热度随被冷冻水温度变化Fig.5 The temperature of evaporator outlet superheat degree varies with chilled water′s temperature

2.2 制冷量和性能系数(COP)结果与分析

图6所示为制冷量和功率随被冷冻水温度变化曲线。刚开机时制冷量较大，约为2 kW。随着降温进行，制冷量减小。在水结冰的相变过程中，制冷量基本保持不变，约为0.5 kW。相变过程完成后，制冷量由0.5 kW减小到0.3 kW左右，直到温度达到设定值。

图6 制冷量和功率随水温变化Fig.6 Refrigeration capacity and power vary with chilled water′s temperature

图7所示为性能系数(COP)随被冷冻水温度变化曲线。在被冷冻水高温阶段，COP随被冷冻水温度降低而减小。在被冷冻水高温阶段，COP从3.0减小到0.5左右；在水结冰的相变过程，COP基本保持不变，约为0.5；相变过程完成后，水继续降温，COP由0.5减小到0.3左右。由于蒸发器出口制冷剂过热度大，蒸发器出口比容也较大，系统制冷剂流量较小，从而导致急速冷冻箱制冷量较小，食物降温时间较长。然而压缩机负荷较低，实际功率只占额定功率的60%左右，因此可以通过提高蒸发温度、增加制冷剂流量，从而增大制冷量。

图7 COP随被冷冻水温度变化Fig.7 COP varies with chilled water′s temperature

图8 制冷系统各部件损失比例Fig.8 The exergy loss ratio of refrigeration system′s components

3 结论

在25 ℃的室温条件下，对22 ℃下的12 kg蒸馏水进行速冻实验，测量急速冷冻箱的降温时间、蒸发器进出口温度和压缩机功率，并由实验数据计算出制冷量和COP，得到以下结论：

1)在被冷冻水高温阶段，蒸发器进口温度和水温度差约为25 ℃，存在20 ℃左右的过热度，蒸发温度低，蒸发压力低，造成压缩机吸气口比容大，压缩机排气量不变，导致流量减小，使系统的制冷量和COP较小，制冷速度降低。

2)压缩机负荷较低，实际功率只占额定功率的60%左右，因此可以通过提高蒸发温度、增加制冷剂流量，从而增大制冷量。

本文受广东省能源高效清洁利用重点实验室(华南理工大学)(2013A061401005)项目资助。(The project was supported by South China University of Technology and Guangdong Province Key Laboratory of Efficient and Clean Energy Utilization(No.2013A061401005).)

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About the corresponding author

Xu Xiongwen, male, professor, South China University of Technology，+86 13570324915, E-mail:epxwxu@scut.edu.cn. Research fields: refrigeration and heat transfer.

Experimental Research on Refrigeration Performance of Quick Freezer

Chen Xiaoyi1Liu Jinping1，2Xu Xiongwen1

(1．School of Electric Power，South China University of Technology，Guangzhou, 510640，China；2．State Key Lab of Subtropical Building Science, South China University of Technology，Guangzhou, 510640，China)

The experiment of quick freezer′s refrigeration system is carried out to study it′s cooling curve and refrigeration performance. The experimental results show that: when the refrigeration system of the quick freezer begins to cool down, the evaporation temperature is dropped immediately to be close to the lowest evaporation temperature and the evaporator′s inlet temperature has a difference with water′s temperature about 25 ℃; the lower evaporating temperature leads to the smaller mass flow rate of refrigerant entering the compressor, and compressor′s power accounts for only about 60% of the rated power; the exergy loss is about 41% in the evaporator, thus to make the evaporation temperature match with the indoor temperature of quick freezer is an important means to increase the freezer′s cooling speed sharply.

quick freezer; refrigeration performance; evaporating temperature；experimental research

0253- 4339(2016) 04- 0027- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.04.027

国家自然科学基金(51506057)资助项目。(The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(No.51506057).)

2016年1月14日

TB61+1； TB657

A

简介

许雄文，男,讲师，华南理工大学电力学院，13570324915，E-mail:epxwxu@scut.edu.cn。研究方向：制冷与传热。