冷库冷风机传热性能的实验研究

姜传胜 剧成成

(1 烟台市政府投资工程建设中心 烟台 264002；2 冰轮环境技术股份有限公司 烟台 264002)

全球冷链物流行业发展迅速，市场规模在2018年已达到1 600亿美元，并有望在2026年之前增长至5 850亿美元，年增长率预计高达17.9%[1]。这在很大程度上得益于中国冷链物流行业的快速发展。自2013年起，中国冷链物流的市场规模每年增长15%，预计至2024年将产生800亿美元的收入[2]。有40%的食物需要在交付时进行冷藏，冷库设备的能耗占总功率的53%[3]。低温冷藏食品的单位产品最小能耗为 0.17 kW·h/(td)，最大能耗为0.92 kW·h/(td)，最大能耗约为最小能耗的5倍[4]。因此，冷库具备极大的节能空间[5-7]。冷风机性能的高低对整个冷库设备的性能起着决定性的作用。虽然目前国内的冷风机厂商很多，但整机设计与测试水平还不足以满足市场规模高速增长带来的多变需求[8-9]。

为提高冷风机传热性能，研究者们针对冷风机结构及其参数进行了较多研究。臧润清等[10-11]对比了重力供液制冷系统与直接膨胀供液制冷系统的性能，认为重力供液制冷系统在低温下运行更具有优势。金磊等[12]对冷风机的流程分布进行模拟计算和优化设计，研究表明单排管双流程布管方式能够使冷风机的性能最优。Wang Chichuan等[13]通过风洞实验研究了干工况下平面、半凹痕涡流发生器和百叶窗翅片结构冷风机的传热性能。发现在18种情况下，百叶窗型翅片在1.6 mm和2.0 mm翅片间距时，空气侧传热效果最优。S.Wongwises等[14]实验研究了翅片间距与管排数对冷风机性能的影响，结果表明翅片间距对空气侧传热的影响可忽略不计，只有当Re>2 500时，由于摩擦的影响增加，从而影响了空气侧的传热。

冷风机的运行条件对冷风机的性能同样具有重要影响。黄东等[15]建立了风速非均匀分布分析模型，与均匀风速相比，非均匀风速下风速较大的管路传热量大，风速较小的管路传热量小，且后者减小的幅度显著。周翔等[16]研究了风量和制冷剂流量对翅片管冷风机性能的影响，结果表明：风量对冷风机的出口过热度影响很大，对冷风机而言存在一个最佳风量，超过该值风量的变化对制冷量的影响较小。申江等[17-18]结合数值模拟与实验研究了冷风机的传热性能，结果表明循环倍率约为3时冷风机性能最佳。

可靠的实验数据对于冷风机的优化设计是非常必要的。本文建立了冷风机实验平台，通过实验得到冷风机稳定运行时的传热性能数据，并分析了不同工况对冷库冷风机的影响。

1 实验设备

1.1 实验系统

本实验系统主要由螺杆制冷压缩机、冷凝器、高压储液桶、低压循环桶、供液泵/膨胀供液调节站、电磁阀、冷风机、气液分离器、回热过热器构成，如图1所示。实验室主要由实验室夹层、校准箱、冷风机、电加热器等装置构成。通过测量输入到校准箱中的热量来确定冷风机的制冷量。校准箱的设计及测点布置均依照ASHRAE标准[19-20]。同时，校准箱安装在温度能维持在一个恒定值的实验室夹层中，并在夹层中保持较低的温度。校准箱及其内部的主要结构有保温层、加热器。校准箱的保温结构由厚聚氨酯保温板、保温门构成。本实验制冷剂选用R717。

1压缩机；2冷凝器；3高压储液筒；4低压循环桶；5供液泵；6电磁阀；7冷风机；8气液分离器；9回气过热器；10体积流量计；11质量流量计。图1 冷风机性能实验系统Fig.1 Air cooler performance test system

在冷风机进风口分别安装8个温度传感器，安装位置如图2所示，利用EJA型压力表测量制冷剂进出冷风机的压力。质量流量由流量计测得。实验中所采用的主要测量仪器及精度如表1所示。

图2 进风口温度传感器安装位置Fig.2 Installation location of the air inlet temperature sensor

表1 主要测量仪器及精度Tab.1 Main test instruments and accuracy

1.2 冷风机

冷风机主要由风机、翅片管传热器、接水盘、外壳、引风板组成，具体结构如图3所示。实验使用的冷风机结构参数如表2所示。

图3 被测试冷风机样机Fig.3 The tested air cooler prototype

表2 冷风机的结构参数Tab.2 Geometry parameters of air cooler

1.3 测试工况

通过改变库温、传热温差、循环倍率来考察冷风机在不同工况下的性能。以传热温差表示校准箱内温度与制冷剂蒸发温度的差值，以2 ℃为一个步长；循环倍率表征制冷剂进入冷风机的流量与蒸发量的比值。当冷风机进口的制冷剂过冷或刚好处于饱和状态附近时，进口干度为0，故循环倍率可以用干度的倒数来表示。冷风机的测试工况为：库温10～34 ℃；传热温差6～10 ℃；循环倍率1.5、2、3、4、5。

2 数据处理

为准确测量冷风机的实际制冷量，参考相关标准[19,21]，利用空气侧热平衡法和制冷剂侧焓差法两种方法测试冷风机的制冷量。

2.1 空气侧热平衡法

空气侧热平衡法制冷量：

Qa=Kl(T2-T1)+Qe+Qf

(1)

式中：Qa为空气侧热平衡法计算出的制冷量，kW；Kl为校准箱的漏热系数；T2为校准箱内的干球温度，℃；T1为实验室内的干球温度/℃；Qe为电加热功率，kW；Qf为校准箱内其他辅助设备的功率，kW。本实验中，标定的漏热系数Kl=77 W/℃。

2.2 制冷剂侧焓差法

通过测量进出冷风机的制冷剂温度和压力值，确定制冷剂进出冷风机的焓差值，乘以测定的系统制冷剂质量流量，最终得到制冷剂侧的制冷量。

制冷剂焓差法制冷量：

Qr=mr(h2-h1)

(2)

式中：Qr为制冷剂侧焓差法计算所得的制冷量，kW；mr为制冷剂质量流量，kg/s；h2和h1分别为进入、离开冷风机制冷剂的焓值，kJ/kg。

利用上述两种方法测得的制冷量差值应在所测得的较小制冷量的5%以内，所以冷风机的实际制冷量可以按照上述两种方法的平均值求得：

Q=(Qa+Qr)/2

(3)

冷风机的传热系数：

K=Q/(AΔT)

(4)

式中：ΔT为冷风机蒸发温度和校准箱内空气的对数传热温差，℃；A为冷风机的面积，m2。

3 结果分析与讨论

3.1 库温的影响

为了研究冷风机性能对库温的敏感性，将冷风机置于-34～10 ℃库温条件下，传热温差为10 ℃，供液泵的流量几乎不变，循环倍率为3，测试冷库温度对冷风机的传热及制冷量的影响。

通过计算得到不同库温条件下冷风机的传热系数如图4所示。冷风机的传热系数随着库温的升高而不断增大。由于传热温差不变，制冷量与传热系数随库温的变化趋势应是相近的。当库温从-34 ℃升至10 ℃时，传热系数由16 W/(m2·℃)增至18.8 W/(m2·℃)，增幅达17.5%。传热温差相同时，随着库温的升高，制冷剂蒸发温度升高，一方面加快了制冷剂不凝结气相的逸出速度，另一方面由气泡动力学相关关系[22-23]可知：

图4 不同库温下的传热系数Fig.4 Heat transfer coefficient under different storage temperatures

R泡=2σ/ΔP泡

(5)

式中：R泡为沸腾气泡的平衡态半径，m；σ为气泡表面张力，N/m；ΔP泡为气泡内外压力差，N/m2，与传热温差成正相关。

制冷剂的表面张力减小，沸腾气泡的平衡态半径减小，有利于产生更多的气泡核心，从而强化了制冷剂侧的沸腾传热；同时，空气的导热系数增大，空气侧的对流传热也得到了增强。可见随着库温升高，冷风机传热系数呈上升趋势。

3.2 传热温差的影响

为了研究冷风机在不同传热温差下的传热性能，分别选取库温为-25 ℃与-10 ℃，循环倍率为3，测试不同传热温差下的传热系数，测试结果如图5所示。

图5 不同传热温差下的传热系数Fig.5 Heat transfer coefficient under driving temperature difference

由图5可知，库温为-10 ℃时的传热系数高于库温为-25 ℃时的传热系数，这与库温对冷风机性能的影响一致。同一库温下，传热温差对传热系数的影响不显著，不同传热温差下的传热系数变化幅度较小。库温为-10 ℃，传热温差为8 ℃时传热系数为18.42 W/(m2·℃)，与传热温差6 ℃时传热系数18.1 W/(m2·℃)相比，增幅仅为1.8%；库温为-25 ℃，传热温差为8 ℃时传热系数为17.63 W/(m2·℃)，与传热温差6 ℃时传热系数16.8 W/(m2·℃)相比，增幅仅为4.9%。由于实验设备存在一定误差，数据出现小幅度波动，属于正常现象。

3.3 循环倍率的影响

取库温为-20 ℃与-15 ℃，传热温差为10 ℃，测试不同循环倍率下的冷风机的传热性能，测试结果如图6所示。

图6 不同循环倍率下的传热系数Fig.6 Heat transfer coefficient under different ratio cycle

由图6可知，传热系数在循环倍率1.5～5时逐渐增大，当库温为-20 ℃时，传热系数由11.9 W/(m2·℃)增至14.5 W/(m2·℃)，库温为-15 ℃时，传热系数由13.7 W/(m2·℃)增至16.9 W/(m2·℃)。随着循环倍率的升高，供液泵向冷风机内泵入更多的制冷剂，制冷剂流速增大，且管内制冷剂液位上升，制冷剂与管壁的接触面积增大，最终传热系数升高。本实验工况下，在1.5～5循环倍率内，虽然提高循环倍率能够提高传热系数，但也会增加供液泵的功耗。因此，对任一冷风机而言，在特定工况下存在一个最佳的供液倍率范围，选择合适的供液倍率对冷风机系统的节能有重要作用。

4 结论

冷风机性能对冷库的能效有直接影响，为了测试平直翅片冷风机在稳态运行条件下的传热性能，本文进行了实验研究，得到如下结论：

1)传热温差为10 ℃，循环倍率为3，库温在-34～10 ℃范围内变化时，冷风机空气侧与制冷剂侧传热均随库温的升高而增强，冷风机总体传热系数增大。传热温差为10 ℃，循环倍率为3工况下，当库温从-34 ℃升至10 ℃时，传热系数由16 W/(m2·℃)增至18.8 W/(m2·℃)。

2)循环倍率为3，传热温差由6 ℃增至8 ℃时，冷风机传热系数变化幅度较小。虽然库温为-10 ℃和-25 ℃工况均在传热温差为8 ℃时取得较大的传热系数值，但与传热温差6 ℃时相比，增幅仅为1.4%与4.9%。

3)循环倍率的高低主要影响管内质量流速及出口干度，传热温差为10 ℃，循环倍率由1.5增至5时，得益于制冷剂流速和制冷剂与翅片管管壁接触面积的同时增大，冷风机传热系数不断增大。