申 江 路坤侖 李慧杰 丁 峰

(天津商業(yè)大學 天津市制冷技術重點實驗室 天津 300134)

近年來，國內冷藏鏈技術發(fā)展迅速，人們對冷藏食品品質的要求也逐年提高。冷庫作為冷藏鏈系統(tǒng)中重要一環(huán)，不僅儲量需達到要求，更要使得儲藏食品的品質達標[1]。在冷庫的換熱器融霜過程中，庫內溫度會發(fā)生劇烈波動，這不僅不利于食品的存儲，有可能使其產生霉變、腐爛或變質，造成巨大的浪費，還可能會在冷庫恢復初始溫度的過程中消耗更多的能量[2-4]。

在冷庫的制冷系統(tǒng)中，結霜是一種普遍現象[5]。在制冷過程中，濕空氣流經等于或低于0 ℃的換熱器時，換熱器表面就會出現結霜現象。研究發(fā)現，少量的結霜會增強換熱器的傳熱效果，隨著霜層厚度的不斷增加，霜層的熱阻增大，換熱器導熱性能降低[6-7]；如不及時清除，霜層熱阻使傳熱性能迅速下降，霜層又使空氣留到變窄，流動阻力快速增大，甚至堵塞空氣通道，使冷庫制冷裝置的總體性能下降[8]。因此需要對換熱器適時的除霜，從而保證制冷系統(tǒng)的正常運行。

1 保溫融霜裝置

對冷庫內蒸發(fā)器的融霜方法有很多種：人工除霜，自然除霜，電熱融霜，淋水融霜，熱氣融霜等[9]。每種融霜方式雖然各有優(yōu)缺點，但不管哪種融霜方式，在融霜過程中都會對冷庫內的溫度場造成很大影響。調查發(fā)現，冷庫中冷風機采用較多的是電熱融霜和熱氣融霜，這兩種融霜過程是都是在風機停止運轉后進行的。此時，制冷系統(tǒng)停止工作，融霜系統(tǒng)開啟進行融霜，電熱融霜和熱氣融霜產生的熱量并不會完全被霜層吸收，其中有大量熱量會擴散到冷庫中，導致庫溫升高[10]。為了減少融霜產生的熱量對庫內溫度的影響，本文設計出一種應用于冷庫內冷風機的保溫融霜裝置。

這種保溫融霜裝置的結構是在冷風機進出口增設可旋轉百葉窗式閥門，冷風機外面用鋼板包圍，外層包裹保溫材料。圖1為保溫融霜裝置原理圖，冷風機表面為1.0 mm厚鋼板，陰影部分為夾心50 mm擠塑板，進出風口均有保溫材料密封。風機為離心式風機，蒸發(fā)器是蛇形的翅片管式，融霜方式為熱氣融霜。圖2為百葉窗式閥門正視圖。圖中的兩片扇葉由電動執(zhí)行器的控制，實現自由旋轉，調節(jié)風的大小和方向。當葉片關閉時，可以近似認為空氣無法通過風閥。

圖1 保溫融霜裝置原理圖

圖2 百葉窗式閥門正視圖

附加保溫融霜裝置的冷風機工作過程：蒸發(fā)器需要融霜時，制冷系統(tǒng)停止工作，風機停止運轉，電動執(zhí)行器控制風閥關閉，融霜系統(tǒng)開啟，融霜熱氣進入蒸發(fā)器進行融霜；融霜結束后，融霜系統(tǒng)關閉，重新開啟制冷系統(tǒng)，蒸發(fā)器及風箱內溫度下降，直到冷風機箱內溫度等于或低于庫溫時，打開風閥，風機開啟，向庫內輸送冷風。

2 實驗研究

本實驗通過保溫和非保溫(常規(guī))融霜冷庫在融霜過程中的對比，觀察冷庫內溫度場變化情況。實驗采用T型熱電偶進行溫度測量，測量精度±0.5 ℃，接入數據采集儀MX100記錄和保存數據；采用KANOMAX多點風速巡檢儀測量冷風機進出口風速；采用PT100濕度傳感器測量庫內濕度，精度≤±2%Rh；使用加濕器來保證庫內所需濕度；使用ACS-30A電子計重秤測量融霜水質量，精度±0.1 g。

為了更準確測量冷庫內的溫度場的分布情況，選取垂直高度0.0 m，1.0 m，2.0 m，3.0 m，4.0 m的5個平面布置溫度測點，每個平面均勻的設置12個測點。另外在冷風機內壁及蒸發(fā)器管外表面布置溫度測點，在風箱的進出風口布置風速測點，用以測量結霜過程中的風速變化。

圖3 霜層厚度與冷風機送風、回風速度關系曲線

在實驗中，為了保證非保溫融霜和保溫融霜實驗條件的一致性，根據多次測量，繪制出冷風機送風和回風的速度與霜層的關系曲線圖(圖3)。經反復實驗并總結分析實驗數據得出以下結論：融霜水質量與霜層厚度保持一致，冷風機內溫度達到4 ℃時可判定為融霜過程結束[11]。因此采用風速判定霜層厚度，以融霜水質量及冷風機內溫度兩個指標判定融霜是否結束。

本實驗環(huán)境參數為：室外日平均氣溫16 ℃，庫內平均溫度-20 ℃，庫內濕度85%～90%。

通過多次實驗發(fā)現無論是保溫還是非保溫融霜的冷庫，位于冷風機下方區(qū)域內的溫度波動較小，溫度波動主要集中在庫內上方區(qū)域。

對霜層厚度為2.4 mm時的融霜實驗數據進行分析。圖4為非保溫和保溫融霜過程中，庫內平均溫度變化曲線，可以看出在融霜開始的前60 s，兩者溫度變化情況相差不大，非保溫融霜庫內平均溫度略高保溫融霜庫內平均溫度；隨著融霜過程的進行，兩者溫差越來越大，保溫融霜裝置對抑制熱量的擴散起到了很好的效果；非保溫融霜庫內平均溫度的升高速度始終大于保溫融霜；非保溫融霜在180 s時，保溫融霜在300 s時，溫升均有所放緩，說明融霜初期融霜熱量對庫內平均溫度影響較大。這是由于庫內溫升帶來的空氣對流增強換熱效果?？梢钥闯龈郊颖厝谒b置可以降低融霜前期溫升速度，延緩空氣對流劇烈程度最高點的到來，并對庫內平均溫度波動影響有緩沖效果。在融霜快要結束時的第360 s，兩者波動溫差相差達3.2 ℃，說明保溫融霜裝置能夠穩(wěn)定融霜過程中庫內的溫度，減小融霜熱對庫內溫度的影響。

圖4 兩種融霜方式庫內平均溫度波動曲線

圖5 非保溫融霜不同高度平面溫度波動曲線

圖5和圖6為非保溫和保溫融霜過程中不同高度平面上的溫度變化曲線，可以看出融霜開始后的前60 s，保溫融霜的冷庫庫內0.0 m及1.0 m處溫度仍保持在-20 ℃；非保溫融霜60 s時0.0 m處溫度已經有所回升，1.0 m處溫升已達到0.6 ℃，保溫融霜的冷庫底層(0.0 m)在120 s時溫度才開始變化，說明增加保溫裝置可以延緩融霜熱量對庫內下方區(qū)域溫度的影響；庫內上下兩方區(qū)域在融霜快要結束時(360 s)的溫差，保溫融霜為2.1 ℃，非保溫融霜為1.8 ℃，保溫融霜比非保溫融霜溫差大。這是因為保溫融霜過程中，下方區(qū)域溫升較緩較小，上方區(qū)域溫升相對較大，而非保溫融霜過程，上下兩方區(qū)域溫度均升高較快，從而導致了保溫融霜上下兩方溫差大于非保溫融霜的溫差，進一步證明增設保溫融霜裝置對底層溫度的影響較小，有利于冷藏食品的保存。

圖6 保溫融霜不同高度平面溫度波動曲線

圖7 兩種融霜方式過程下冷風機內平均溫度曲線

分析霜層厚度為3.4 mm時的融霜時間，繪制出兩種融霜過程融霜時間與冷風機內平均溫度的關系圖,如圖7所示。兩種融霜過程冷庫內平均溫度變化趨勢大致相同，均為融霜初期風機內溫度上升緩慢，隨著融霜過程的進行，溫度上升速率增大，接近0 ℃時溫度大幅升高后變緩，一段時間后又迅速升高，產生這種現象的原因是在融霜過程中，附著在蒸發(fā)器管壁上的霜層內部先融化，熱量向外擴散的較少，對庫內溫度影響較小，隨著融霜的進行，霜層厚度減少，熱量擴散速率增大，冷庫內平均溫度升高加快；接近0 ℃時，薄薄的霜層起到了增強換熱的作用，融霜熱量迅速擴散到冷庫內，導致庫內溫度急劇升高，溫度達到0 ℃以上時的一段時間內，霜層完全融化變?yōu)樗?，這段過程需要吸收大量的相變熱，大量融霜熱被霜層吸收，擴散到冷庫內的變少，從而庫內溫升變緩；待相變熱吸收完全后，融霜熱擴散到庫內，溫度又急劇上升。

圖7還可以看出保溫融霜冷風機內溫度回升快，進一步證明保溫裝置可以很好的阻止熱量擴散到冷庫內。這些沒有擴散到冷庫內的熱量，被霜層外表面吸收，從而化霜速度加快，保溫融霜比非保溫融霜方式的融霜結束時間短了近300 s。

用同樣的實驗方法對不同霜層厚度的情況進行實驗，可以發(fā)現：冷風機增設保溫融霜裝置以后，融霜時間變短，可以節(jié)約融霜能耗；保溫融霜裝置能夠穩(wěn)定冷庫融霜的過程中庫內的溫度，有利于冷藏食品的存儲。

3 小結

1)設計了一種冷庫用冷風機保溫融霜裝置，并通過對比實驗驗證了該裝置在冷風機融霜過程中穩(wěn)定庫內溫度場及縮短融霜時間的作用。

2)實驗研究發(fā)現，冷風機增設保溫融霜裝置的融霜過程，庫溫回升較為緩慢；對于霜層厚度2.4 mm的情況，在360 s時溫升比非保溫融霜低3.2 ℃，對庫內底層溫度影響較小。

3)保溫融霜過程冷風機內溫度回升較快，有效的促進了霜層融化，縮短融霜時間；對于霜層厚度3.4 mm的情況，保溫融霜過程比非保溫融霜過程快將近300 s。

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