顶置蓄冷板减少融霜热对冷库温度场的试验研究

（天津商业大学 机械工程学院，天津市制冷技术重点试验室，天津 300134）

0 引言

冷库作为一种应用广泛的低温冷冻冷藏设备，其良好的运行性能是冷藏食品品质的保障［1］，制冷系统蒸发器表面温度低于0 ℃时，翅片和铜管表面就会析出霜层［2］，作为冷库运行中存在的一种普遍现象，结霜严重时，不仅会增加冷库运行能耗，还会影响食品的储藏品质。所以除霜技术在冷库系统中尤为关键。

针对于此，国内外研究人员对除霜技术做了许多方面的研究。Mohammed等［3-7］总结了适用于制冷和热泵行业的除霜技术，包括热气融霜，连续融霜和液体冷媒融霜等技术。Machielsen等［8］对霜在蒸发器表面形成的机理进行了研究，并分析了结霜带来的危害以及如何确定除霜的起始点。为了解决传统电热融霜（EHD）方法存在的问题，Yin等［8］提出了一种新型的带空气旁路循环和电加热器的除霜方法。结果表明，与传统的EHD方法相比，该方法的除霜时间缩短了62.1%，除霜能耗降低了61.0%。刘训海等［11］对低温冷库电热融霜与热气融霜进行了对比试验，试验研究发现，热气融霜要比电热融霜节能90%。赵育川［12］对热气融霜系统进行了试验研究，通过试验研究发现：虽然热气融霜比电热融霜节能，但是在融霜后期，融霜热会通过铜管辐射的方式将热量传递到冷库中，从而引起库温较大的波动。申江等［11］提出了一种在冷库冷风机中增设保温融霜装置的方法，试验结果表明，保温融霜装置在融霜过程中能够起到减小库温的波动和缩短融霜时间的作用。

现阶段所应用的除霜方式，都会造成除霜热进入到冷库环境，造成库温的波动，目前对融霜热造成库温波动较大的研究和解决方案相对较少，基于上述状况，本文在连续融霜的基础上，研究通过在库顶安装蓄冷板的方式减小融霜热对冷库温度场的影响。

1 连续融霜制冷系统介绍

连续融霜系统的工作原理如图1所示，系统由2个并联的冷风机、压缩机、冷却系统、1对膨胀阀、8个电磁阀、1个能量调节阀以及储液器等辅助设备组成。

图1 测试系统原理

制冷过程：电磁阀①③⑥⑧及能量调节阀开启，其余电磁阀关闭，单向阀关闭，制冷系统中2个并联的冷风机同时开启，达到2个冷风机同时制冷的效果。

融霜过程：1#冷风机进行融霜时，此时需要打开电磁阀②④⑥⑧，打开单向阀，关闭电磁阀①③⑤⑦，并将能量调节阀回转一定的角度，此时能量调节阀需要对融霜和制冷的制冷剂流量进行分配，在融霜过程中，来自压缩机出口高温高压的制冷剂一部分经截止阀④进入1#冷风机进行融霜，冷却降温后经电磁阀②进入储液器，另一部分高温高压的制冷剂经能量调节阀后继续用于2#冷风机的制冷，此时的1#冷风机相当于冷凝器，与2#冷风机串联。1#冷风机融霜结束后，此时需要打开电磁阀①③⑤⑦，关闭电磁阀②④⑥⑧，对2#冷风机进行除霜。此时1#冷风机继续制冷，2#冷风机相当于冷凝器。

表1 测量仪器及其精度

2 试验装置和过程

2.1 试验装置

试验是在外形尺寸为2.8 m×1.8 m×2 m，壁厚为0.1 m，中间隔热材料为聚氨酯泡沫塑料的小型冷库中进行的。制冷系统中，压缩机采用三洋C-L228F压缩机冷凝机组，额定功率为2.2 kW，制冷剂采用R22。采用2个蒸发面积都为7.5 m2的冷风，翅片厚度、管间距、管径分别为0.2，6.0，16.0 mm。试验中制冷量的测量采用热平衡法，采用功率为0.2 kW的调压器对型号为D20的暖风机控制实现。冷库内湿度控制采用加湿量为6 kg/h的YLC-6Z的超声波加湿器。试验中冷库温度的控制、制冷和融霜的切换通过控制柜实现。试验中所用的低温相变的蓄冷装置，经计算由45块尺寸为11.5 cm×3 cm×18 cm的蓄冷板盒组成。

2.2 试验过程

试验开始前，对冷库进行漏冷试验以及热电偶温度的标定。首先进行没有安装蓄冷板的空库在-18 ℃下的试验，对冷库通入加湿器加湿，湿度控制在90±5%之内，当2个冷风机达到除霜要求时，1台风机融霜，另1台风机继续制冷。观察记录冷库4个截面温度的变化。接着在同种工况下对设有蓄冷板冷库进行试验，观察记录冷库截面温度的变化，然后对比冷库在0，0.7，1.4，2.0 m截面温度随融霜时间的变化。

3 试验结果与分析

3.1 1#风机制冷且有霜，2#风机制冷

图3，4分别示出在-18±0.5 ℃库温下，空库和带蓄冷板冷库截面温度随融霜时间的变化曲线。冷库各截面温度在空库和带蓄冷板2种工况下的变化趋势基本一致。融霜初期（220 s之前），冷库各截面温度变化不大，且冷库底部的截面温度略低于冷库上部的截面温度，这是因为在初期融霜热以导热的方式从霜层内部融化霜层，仅有少部分融霜热由风机经库顶上部扩散。进入到220～600 s时间段，冷库各截面温度上升明显，此时部分霜层融化，较多的热量释放到冷库中。融霜中期（600～750 s），冷库各截面温度上升速率平缓，这表明风机表面的大部分霜层吸收大量的热量发生相变融化为水，使得耗散到冷库中的热量再一次减少。融霜后期（800 s以后），冷库各截面温度大幅度增大，是因为暴露在空气中的翅片和铜管面积随融霜时间增大，所以大量的融霜热经热辐射的方式释放到冷库中。

图3 空库截面温度

图4 带蓄冷板的冷库截面温度

对比图3，4可以发现，带蓄冷板的冷库各截面温度在整个融霜过程中都要低于空库各截面的温度。在融霜结束之后，空库在各截面（0，0.7，1.4，2.0 m）的平均温度分别为 -13.31，-13.17，-12.67，-11.67 ℃；带蓄冷板的冷库各截面（0，0.7，1.4，2.0 m）的平均温度分别为 -14.80，-14.85，-14.42，-16.68 ℃。带蓄冷板的冷库在2 m处的截面温度最低，且变化缓慢，这是因为冷风机融霜时，上升到库顶的融霜热被蓄冷板吸收，使得2 m截面处的温度变化最小。综合上述情况说明在冷库顶部设置蓄冷板能够有效减小融霜热向冷库扩散，从而减小了融霜热对冷库温度场的影响，保障冷冻食品的品质。

图5，6分别示出1#风机和2#风机中轴线处的温度在不同时刻随测点位置的变化趋势。测点位于蓄冷板底部下约1 mm处。1#风机为制冷风机，2#风机为融霜风机。

图5 1#中轴线位置蓄冷板底部温度

图6 2#中轴线位置蓄冷板底部温度

由图5可知在整个融霜过程中，测点温度随远离风机距离的增大依次升高。在融霜开始时，由于没有融霜热，制冷风机处各测点的温度保持一致均为-18 ℃；融霜到400 s时，温度上升幅度很小；融霜至800 s时，测点的温度有较大的提高，融霜进行到后期1 000～1 200 s时，测点温度的变化急剧增大。在融霜结束时刻，靠近制冷风机处测点的温度为-17.98 ℃，这是因为冷风机吹出的冷风首先到达测点8处，所以测点8处的温度一直接近于-18 ℃。

由图6可知，在整个融霜过程中，靠近融霜风机测点的温度高，远离融霜风机测点的温度低，测点16，17的温度变化幅度较大，测点9～16的温度变化比较平缓，这是因为融霜热靠近融霜风机的测点17，16先接触到融霜风机的热量，随着融霜热与后面蓄冷板大面积换热，导致后面测点的温度不会发生较大的变化。融霜结束后，靠近融霜风机测点17的温度和远离融霜风机测点9的温度相差2.56 ℃，1#风机末端测点1到0和2#风机末端测点10到9的温差分别为0.04 和0.01 ℃。这表明顶置蓄冷板能够有效地吸收融霜过程中的热量，降低融霜热对冷库温度场的影响。

3.2 2#风机制冷且无霜，1#风机制冷

2#风机融霜结束后，需要开启2#风机，对滞留在2#冷风机表面的水滴进行清理，防止结成冰层。然后冷库重新制冷，蓄冷板重新冻结。

当冷库再次运行至温度场稳定，1#风机微压差示数达到70 Pa，2#微压差计示数达到19 Pa，此时在制冷风机无霜状态下，融霜热对空库和带蓄冷板温度场影响进行试验分析。结果如图7，8所示。

图7 空库截面温度

图8 带蓄冷板的冷库截面温度

由图7，8分析知，空库和带蓄冷板的冷库截面温度在制冷风机有无霜层时的变化趋势基本相同。主要区别为，空库制冷风机在无霜状态下的融霜时间比在有霜状态下缩短165 s；带蓄冷板的冷库制冷风机在无霜状态下的融霜时间比在有霜状态下缩短163 s。由于融霜时间缩短，在无霜状态下，带蓄冷板的冷库各截面（0，0.70，1.04，0.12 m）融霜终了时刻的温度相比于有霜状态下分别提高1.00，0.92，1.04，0.12 ℃。造成这种情况的原因是，制冷风机上的霜层相当于一层热阻，减小了制冷剂和流经翅片空气的换热量，导致供给融霜风机的制冷剂流量减少，延长了融霜时间。使得制冷风机有霜时融霜结束后库温的波动要大一些。

与图5，6的工作状态不同，图9和10表示的是1#风机融霜2#风机制冷，且2#制冷风机翅片上近乎无霜状态。整体温度变化趋势与图5，6一致。

图9 1#中轴线位置蓄冷板底部温度

图10 2#中轴线位置蓄冷板底部温度

由图9可知，在整个融霜过程中，靠近融霜风机测点的温度高，远离融霜风机测点温度低。对比图6有霜状态时融霜风机中轴线各测点温度可得：图9中各测点融霜终了时刻的温度整体低于图6各测点的温度。由图10可知，在整个融霜过程中，测点的温度随远离风机距离的增大依次升高。对比图5有霜状态时制冷风机中轴线各测点温度可得：图10中各测点融霜终了时刻的温度整体低于图5各测点的温度。造成此种现象的原因是，2#风机融霜时，1#风机有霜层，霜层减小了冷风机与环境的换热量，进入制冷风机的制冷剂流量增大，进入融霜风机的制冷剂流量减小，最终融霜时间的增加会导致库温的波动增加。

3.3 空库温度

图11，12分别示出制冷风机有霜和无霜条件下，带蓄冷板的冷库和空库整体温度随融霜时间的变化趋势。对比图11，12可知：在融霜时制冷风机有霜和无霜两种条件下，库内温度随融霜时间的变化趋势基本一致。在融霜的终了时刻，冷风机有霜条件时，带蓄冷板的冷库要比空库的库温波动减小2.49 ℃，冷风机无霜条件时，带蓄冷板的冷库要比空库的库温波动减小2.92 ℃。区别在于：制冷风机在无霜条件下的融霜时间要比制冷风机有霜条件下减少160 s。上述分析从整体说明了带蓄冷板的冷库可以减小融霜热对库温波动的影响，并且制冷风机无霜状态下进行融霜可以进一步降低库温的波动。

图11 冷库整体温度变化（制冷风机无霜）

图12 冷库整体温度变化（制冷风机有霜）

3.3 融霜能耗对比分析

对比图3，4，2#风机融霜，1#风机制冷且有霜状态下有蓄冷板的融霜时间较长，空库状态下时间短一些，系统采用定频融霜，所以相同融霜功率的条件下，融霜时间越长融霜能耗也就越大。对于空库而言，制冷风机有霜状态融霜时间为1 085 s，对于库顶安装蓄冷板而言，制冷风机有霜状态融霜时间为1100 s，则融霜时间增加的比例为C=（1 100-1 085）/1 100=1.36%，安装蓄冷板融霜能耗增加的比例仅有1.36%，蓄冷板对融霜能耗的影响可以忽略不计。

对比图5和6，1#风机融霜，2#风机制冷且无霜状态下，对于空库而言，制冷风机无霜状态融霜时间为920 s，对于库顶安装蓄冷板而言，制冷风机无霜状态融霜时间为937 s，则融霜时间增加的比例可以计算为C=（937-920）/ 937=1.81%，安装蓄冷板融霜能耗增加的比例仅有1.81%，同样可以忽略不计安装蓄冷板时对融霜能耗的影响。

4 结论

（1）在冷库的除霜过程中，安装蓄冷板的冷库各截面温度都要低于无蓄冷板时冷库各截面处的温度。所以冷库顶置蓄冷板能够有效降低融霜热对库温波动的影响。

（2）制冷风机在有霜状态下，安装蓄冷板冷库的库温波动比无蓄冷板时减小2.49 ℃，融霜能耗增加1.36%；制冷风机无霜状态下，安装蓄冷板冷库的库温波动比无蓄冷板时减小2.92 ℃，融霜能耗增加1.81%，安装蓄冷板后，虽然融霜能耗小幅增加，但库温波动的降低，满足了冷冻冷藏行业对果蔬各类产品更好品质的要求。