附加回风隔断装置的冷风机融霜试验

董立桥谈向东厉建国,2万锦康

(1. 上海海洋大学食品学院，上海 201306；2. 农业部冷库及制冷设备质量监督检验测试中心，上海 201306；3. 农业部水产品贮藏保鲜质量安全风险评估实验室〔上海〕，上海 201306)

冷库作为冷藏链系统中至关重要的一个环节，在食品的储藏过程中，不仅需要在储量上达到要求，更为关键的是在储藏要求上达标。而在冷库内的换热器进行融霜时，库内温度可能受到融霜产生热量的影响，发生较大的温度波动，这种情况的发生不仅不利于库内食品的存储，影响食物的品质，还会在冷库运行过程中消耗更多的能量[1-2]。

结霜在冷库制冷系统中是常见现象，Sommers等[3]研究发现：在结霜的前期，形成的柱状或是针状的霜层会通过增加空气的扰动达到强化传热的效果。但是随着霜层的增长，霜层会呈现出无规则的加厚，加大冷风机与空气的传热热阻，增加气流流通阻力，冷风机传热性能下降，制冷效率也会降低。因此，适时的除霜显得尤为重要。冷库中用于冷风机的除霜方式很多，常见的有电加热除霜、热气除霜、淋水法、中止制冷循环法、热气-水融霜法[4]，除此之外，谭海辉等[5]研究发现超声除霜也是一种应用在翅管式换热器的高效、低能耗除霜方式。无论哪种融霜方式，融霜时所产生的热量极易流入库内的冷环境中，破坏库内的温度场，损失了用于融霜的热量，增加了下一轮制冷周期的冷负荷[6-8]，除霜后再次降温过程缓慢、能耗较大、影响库内物品的贮藏质量。

鉴于以上研究，为了减少融霜产生的热量对库内温度场的影响，王栋等[6]设计了一套电动隔断装置阻止融霜时热量对周围冷环境的影响，申江等[7]设计了一套冷风机外围包裹保温材料的保温融霜装置。借鉴以上2种装置的优点，本试验针对上海海洋大学已建的-35 ℃双级低温冷库中的一台冷风机设计一套可拆卸的回风罩加出风口盖板的保温隔断装置。通过对比不同工况下有无回风隔断装置库内冷风机融霜结束后内外温度场分布、融霜开始至恢复初始设定温度库内温度场的波动以及电热融霜结束后的能耗情况，验证回风隔断装置在以上方面的优越性。

1 试验装置与方案

1.1 试验装置介绍

图1为试验用冷风机外型实图，冷风机结构参数：翅片厚度0.35 mm、翅片间距6.35 mm、翅片总数163片、外表面传热面积34.1 m2、制冷机管15.88 mm×1 mm、管排数5排、分路数6路、总管数60根、风机有2个、风叶直径400 mm、电机电压380 V、单台功率520 W。冷风机所配的电热融霜管规格和位置可见图3，除霜时电热管融霜功率为6.3 kW。在排水管道内设有电加热带，用于融霜水的排出。从图2中看出，冷风机附加的回风隔断装置分为两部分：一部分是在冷风机进口增设可拆卸特殊结构的回风罩装置，冷风机外面用钢板包围，回风罩与冷风机外壁接触处采用保温材料；另一部分是在冷风机出口处增设带有出风盖板的保温装置，融霜时风机停止运行，此时盖板封闭，可以近似认为空气无法通过出风口，起到冷热气流的隔断作用。当制冷时，盖板在风机的作用下再次打开。

1.2 温度测点布置

本试验采用T型铜-康铜热电偶进行测量，精度为±0.5 ℃，温度记录仪型号为安捷伦 34972A，扫描频率为10 s/次，购置于是德科技(中国)有限公司，采集的数据可保存在Excel表格中，用于后期的数据处理。

图1 试验用冷风机外型实图

1. 冷风机出风口盖板 2. 冷风机出风口 3. 风机 4. 蒸发器 5. 回风罩 6. 单个出风口局部放大图

图2 试验回风隔断装置原理简图

Figure 2 Return air cover and partition device adopted in the experiment principle diagram

对于冷库库内温度场，由于其在水平和垂直方向上都存在着不均匀的特点，所以在库内的垂直方向会出现温度梯度。由于本试验冷库内部尺寸为4.85 m×3.85 m×3.55 m(长×宽×高)，对于-28 ℃以下且库房净高在3.5～4.0 m的冷库，竖直方向的平均温度值可以定义为库体中央标高1.5 m 处的温度值[9]，故把测量库体平均温度的点布置在此处。

图3和表1是热电偶即温度测点在冷风机内外的布置情况，温度测点2、3、4、5、6点在冷风机内部，这些测点都在出风盖板的内侧按一定的间距排列，保证了在融霜时，可以精确地测量出风盖板封闭后冷风机内部的温度分布情况；在冷风机出风口设置了网罩，方便出风口温度测点7的布置，同时在进风口回风装置的外侧布置了温度测点1和出风口出风盖板的外侧即冷库中央布置了温度测点8，这2个温度测点主要用于记录冷风机外部的温度情况。为了数据的完整性和准确性，对于除了温度测点8之外的所有测点，按照冷风机左右对称的位置分布，并且标记为1、2、3、4、5、6、7和1′、2′、3′、4′、5′、6′、7′，最后可以取对称点的均值为试验数据。从图3中可以看出，各对称测点高度距离冷风机底部为32 cm，而表1中的热电偶位置都是相对于图3中冷风机中轴线的相对位置，以便将融霜结束后的温度场分布情况直观地表现在图4中。温度测点8由于位于库体中央，可以记录库内平均温度在整个过程中的变化情况。制冷剂出冷风机盘管和冷风机盘管内平均温度≥0 ℃可以作为各工况下融霜结束的依据，因此，温度测点9布置在冷风机盘管底部最易结霜的回路上来判定是否融霜结束[10-11]。

图3 温度测点及电加热管分布示意图

Figure 3 The diagram of temperature measuring point and electric heating tube distribution

表1 冷风机内外热电偶的分布

2 试验结果及分析

2.1 温度场对比

图4显示了在库内温度为-18，-20，-25，-30，-35 ℃ 5种工况下，电热融霜结束后有无回风隔断装置冷风机周围温度场的分布情况。很明显地看出，有无此装置冷风机内外温度场的分布差别很大：从刚进入冷风机的入口区(-62.30～-6.50 cm)有回风隔断装置的温度上升趋势明显比无回风隔断装置的趋势陡，这是因为有回风隔断的系统从冷风机内部逸出的热量大部分被回风隔断装置保留在了内部，对回风罩外部入口处的温度场影响较小，又由于冷风机盘管入口的边缘安装了电加热管，有无回风隔断装置在此位置温度相近，所以有回风隔断装置的系统明显比无回风隔断装置的系统在入口处温度爬升的斜率大。在冷风机盘管区(-6.50～6.50 cm)，因为在冷风机盘管的边缘两侧都安装了电加热管，所以此区域的温度明显高于其他区域的。又同一工况温度下，电热管功率恒定，加热量基本一致，但无回风隔断装置系统融霜热量散失到库内冷环境的较多，导致融霜时间延长。有回风隔断装置的系统，因为底部的部分热量释放到盘管区的上半部分，在回风隔断装置的作用下，热量得以保留，所以融霜结束后有回风隔断装置的盘管区温度出现了峰值较高但是分布平缓的情况，同时这部分热量用于融霜，所以融霜时间上得以缩短[12-13]。2种系统在风机区(6.50～39.75 cm)和冷库内部(39.75～172.70 cm)温度分布基本相同，但从位置172.70 cm的测点可以看出，电热融霜结束后，有回风隔断装置的库内平均温度要比无回风隔断装置的低了2 ℃，说明增加回风隔断装置后减小了融霜过程对冷库库温的影响。

图4 电热融霜结束后各测点温度分布图

Figure 4 The temperature distribution of measuring points when the end of the defrosting

图5反映了各工况下融霜开始至恢复初始设定温度过程中冷库内平均温度的波动情况。可以看出，有回风隔断装置的系统比无回风隔断装置的系统在工况为-18，-20，-25，-30，-35 ℃的温度波动峰值分别降低了2.67，2.71，3.50，3.47，3.78 ℃，融霜时间上也平均缩短了近6 min，说明有回风隔断装置的冷风机对冷库内的温度场影响减小，并且在融霜能耗上有一定的节能作用。通过以上分析可知：电热融霜结束的时间虽短，但是融霜结束后加热管仍会继续加热一段时间，从冷风机内部溢出的热量对库内的温度场产生了强烈的影响，故回风隔断装置在减少冷库内温度场的波动上起到了一定的作用。

2.2 融霜耗能对比

为了验证回风隔断装置在融霜能耗上的节能效果，利用DZFC-1型电能综合分析测试仪与冷库电控设备的连接，可以得到各试验工况下电热融霜过程中所需能耗，见图6。

由图6可知，电热融霜能耗随着库温的下降呈现出递增的趋势，这是因为随库温的降低，排管翅片表面霜层加厚，向周围散热的温差加大，从而融霜能量增加。增加回风隔断装置后，在相同的工况下融霜能耗显著低于未增加隔断装置的。从图6中可知，在工况-18，-20，-25，-30，-35 ℃温度下，增加回风隔断装置后，电热融霜能耗分别缩减了7.48%，12.87%，9.11%，9.85%，8.37%，其原因为在各试验工况下，电加热功率基本相同，融霜时间缩短，电加热能耗降低。又加之实际运行的冷库系统不断地进行融霜到再降温制冷的循环，无回风装置系统溢出的热量成为了下一制冷周期的冷负荷，导致有隔断装置系统的压缩机功率偏小[14]。因此，有回风隔断装置的系统在电热融霜能耗方面有突出优势。

图5 各工况下有无回风隔断装置融霜过程中库内平均温度波动曲线

Figure 5 The conditions for return air cover and partition device in the process of the rolls average temperature fluctuation curve

图6 各工况温度下有无隔断装置的电热融霜能耗对比图

Figure 6 The chart of defrosting energy consumption comparison with Insulation device or not at different working condition

3 结论

对一台低温库库内冷风机结霜特性进行了试验研究，通过比较有无回风隔断装置在库内工况分别为-18，-20，-25，-30，-35 ℃ 5种条件下，电热融霜结束时冷风机内外温度场的分布、融霜开始至恢复初始设定温度库内温度场的波动以及电热融霜结束后系统的能耗情况，得出以下结论：增加回风隔断装置后，冷风机盘管内部测点的温度明显提高且分布均匀，提高了电加热的热量利用率，缩短了融霜时间；降低了对冷风机外部温度场的破坏，将冷库内温度场的波动降低了近3.2 ℃；在融霜开始至恢复初始设定温度值时间上缩短了近360 s，电热融霜的能耗和压缩机功率降低，系统运行的总能耗降低了近9.54%，与申江等[7]设计的附加保温装置得出的试验结论基本相同，并在缩短融霜时间上又提高了60 s，说明本试验设计的回风隔断装置在系统融霜过程中同样具有降低库内温度波动以及减少融霜时间的作用，但相较于后者，回风隔断装置具有易安装、易拆卸、成本低等优点。

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