（天津商業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，天津市制冷技術(shù)重點試驗室，天津 300134）

0 引言

冷庫作為一種應(yīng)用廣泛的低溫冷凍冷藏設(shè)備，其良好的運行性能是冷藏食品品質(zhì)的保障［1］，制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器表面溫度低于0 ℃時，翅片和銅管表面就會析出霜層［2］，作為冷庫運行中存在的一種普遍現(xiàn)象，結(jié)霜嚴重時，不僅會增加冷庫運行能耗，還會影響食品的儲藏品質(zhì)。所以除霜技術(shù)在冷庫系統(tǒng)中尤為關(guān)鍵。

針對于此，國內(nèi)外研究人員對除霜技術(shù)做了許多方面的研究。Mohammed等［3-7］總結(jié)了適用于制冷和熱泵行業(yè)的除霜技術(shù)，包括熱氣融霜，連續(xù)融霜和液體冷媒融霜等技術(shù)。Machielsen等［8］對霜在蒸發(fā)器表面形成的機理進行了研究，并分析了結(jié)霜帶來的危害以及如何確定除霜的起始點。為了解決傳統(tǒng)電熱融霜（EHD）方法存在的問題，Yin等［8］提出了一種新型的帶空氣旁路循環(huán)和電加熱器的除霜方法。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的EHD方法相比，該方法的除霜時間縮短了62.1%，除霜能耗降低了61.0%。劉訓(xùn)海等［11］對低溫冷庫電熱融霜與熱氣融霜進行了對比試驗，試驗研究發(fā)現(xiàn)，熱氣融霜要比電熱融霜節(jié)能90%。趙育川［12］對熱氣融霜系統(tǒng)進行了試驗研究，通過試驗研究發(fā)現(xiàn)：雖然熱氣融霜比電熱融霜節(jié)能，但是在融霜后期，融霜熱會通過銅管輻射的方式將熱量傳遞到冷庫中，從而引起庫溫較大的波動。申江等［11］提出了一種在冷庫冷風(fēng)機中增設(shè)保溫融霜裝置的方法，試驗結(jié)果表明，保溫融霜裝置在融霜過程中能夠起到減小庫溫的波動和縮短融霜時間的作用。

現(xiàn)階段所應(yīng)用的除霜方式，都會造成除霜熱進入到冷庫環(huán)境，造成庫溫的波動，目前對融霜熱造成庫溫波動較大的研究和解決方案相對較少，基于上述狀況，本文在連續(xù)融霜的基礎(chǔ)上，研究通過在庫頂安裝蓄冷板的方式減小融霜熱對冷庫溫度場的影響。

1 連續(xù)融霜制冷系統(tǒng)介紹

連續(xù)融霜系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，系統(tǒng)由2個并聯(lián)的冷風(fēng)機、壓縮機、冷卻系統(tǒng)、1對膨脹閥、8個電磁閥、1個能量調(diào)節(jié)閥以及儲液器等輔助設(shè)備組成。

圖1 測試系統(tǒng)原理

制冷過程：電磁閥①③⑥⑧及能量調(diào)節(jié)閥開啟，其余電磁閥關(guān)閉，單向閥關(guān)閉，制冷系統(tǒng)中2個并聯(lián)的冷風(fēng)機同時開啟，達到2個冷風(fēng)機同時制冷的效果。

融霜過程：1#冷風(fēng)機進行融霜時，此時需要打開電磁閥②④⑥⑧，打開單向閥，關(guān)閉電磁閥①③⑤⑦，并將能量調(diào)節(jié)閥回轉(zhuǎn)一定的角度，此時能量調(diào)節(jié)閥需要對融霜和制冷的制冷劑流量進行分配，在融霜過程中，來自壓縮機出口高溫高壓的制冷劑一部分經(jīng)截止閥④進入1#冷風(fēng)機進行融霜，冷卻降溫后經(jīng)電磁閥②進入儲液器，另一部分高溫高壓的制冷劑經(jīng)能量調(diào)節(jié)閥后繼續(xù)用于2#冷風(fēng)機的制冷，此時的1#冷風(fēng)機相當(dāng)于冷凝器，與2#冷風(fēng)機串聯(lián)。1#冷風(fēng)機融霜結(jié)束后，此時需要打開電磁閥①③⑤⑦，關(guān)閉電磁閥②④⑥⑧，對2#冷風(fēng)機進行除霜。此時1#冷風(fēng)機繼續(xù)制冷，2#冷風(fēng)機相當(dāng)于冷凝器。

表1 測量儀器及其精度

2 試驗裝置和過程

2.1 試驗裝置

試驗是在外形尺寸為2.8 m×1.8 m×2 m，壁厚為0.1 m，中間隔熱材料為聚氨酯泡沫塑料的小型冷庫中進行的。制冷系統(tǒng)中，壓縮機采用三洋C-L228F壓縮機冷凝機組，額定功率為2.2 kW，制冷劑采用R22。采用2個蒸發(fā)面積都為7.5 m2的冷風(fēng)，翅片厚度、管間距、管徑分別為0.2，6.0，16.0 mm。試驗中制冷量的測量采用熱平衡法，采用功率為0.2 kW的調(diào)壓器對型號為D20的暖風(fēng)機控制實現(xiàn)。冷庫內(nèi)濕度控制采用加濕量為6 kg/h的YLC-6Z的超聲波加濕器。試驗中冷庫溫度的控制、制冷和融霜的切換通過控制柜實現(xiàn)。試驗中所用的低溫相變的蓄冷裝置，經(jīng)計算由45塊尺寸為11.5 cm×3 cm×18 cm的蓄冷板盒組成。

2.2 試驗過程

試驗開始前，對冷庫進行漏冷試驗以及熱電偶溫度的標定。首先進行沒有安裝蓄冷板的空庫在-18 ℃下的試驗，對冷庫通入加濕器加濕，濕度控制在90±5%之內(nèi)，當(dāng)2個冷風(fēng)機達到除霜要求時，1臺風(fēng)機融霜，另1臺風(fēng)機繼續(xù)制冷。觀察記錄冷庫4個截面溫度的變化。接著在同種工況下對設(shè)有蓄冷板冷庫進行試驗，觀察記錄冷庫截面溫度的變化，然后對比冷庫在0，0.7，1.4，2.0 m截面溫度隨融霜時間的變化。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 1#風(fēng)機制冷且有霜，2#風(fēng)機制冷

圖3，4分別示出在-18±0.5 ℃庫溫下，空庫和帶蓄冷板冷庫截面溫度隨融霜時間的變化曲線。冷庫各截面溫度在空庫和帶蓄冷板2種工況下的變化趨勢基本一致。融霜初期（220 s之前），冷庫各截面溫度變化不大，且冷庫底部的截面溫度略低于冷庫上部的截面溫度，這是因為在初期融霜熱以導(dǎo)熱的方式從霜層內(nèi)部融化霜層，僅有少部分融霜熱由風(fēng)機經(jīng)庫頂上部擴散。進入到220～600 s時間段，冷庫各截面溫度上升明顯，此時部分霜層融化，較多的熱量釋放到冷庫中。融霜中期（600～750 s），冷庫各截面溫度上升速率平緩，這表明風(fēng)機表面的大部分霜層吸收大量的熱量發(fā)生相變?nèi)诨癁樗?，使得耗散到冷庫中的熱量再一次減少。融霜后期（800 s以后），冷庫各截面溫度大幅度增大，是因為暴露在空氣中的翅片和銅管面積隨融霜時間增大，所以大量的融霜熱經(jīng)熱輻射的方式釋放到冷庫中。

圖3 空庫截面溫度

圖4 帶蓄冷板的冷庫截面溫度

對比圖3，4可以發(fā)現(xiàn)，帶蓄冷板的冷庫各截面溫度在整個融霜過程中都要低于空庫各截面的溫度。在融霜結(jié)束之后，空庫在各截面（0，0.7，1.4，2.0 m）的平均溫度分別為 -13.31，-13.17，-12.67，-11.67 ℃；帶蓄冷板的冷庫各截面（0，0.7，1.4，2.0 m）的平均溫度分別為 -14.80，-14.85，-14.42，-16.68 ℃。帶蓄冷板的冷庫在2 m處的截面溫度最低，且變化緩慢，這是因為冷風(fēng)機融霜時，上升到庫頂?shù)娜谒獰岜恍罾浒逦?，使? m截面處的溫度變化最小。綜合上述情況說明在冷庫頂部設(shè)置蓄冷板能夠有效減小融霜熱向冷庫擴散，從而減小了融霜熱對冷庫溫度場的影響，保障冷凍食品的品質(zhì)。

圖5，6分別示出1#風(fēng)機和2#風(fēng)機中軸線處的溫度在不同時刻隨測點位置的變化趨勢。測點位于蓄冷板底部下約1 mm處。1#風(fēng)機為制冷風(fēng)機，2#風(fēng)機為融霜風(fēng)機。

圖5 1#中軸線位置蓄冷板底部溫度

圖6 2#中軸線位置蓄冷板底部溫度

由圖5可知在整個融霜過程中，測點溫度隨遠離風(fēng)機距離的增大依次升高。在融霜開始時，由于沒有融霜熱，制冷風(fēng)機處各測點的溫度保持一致均為-18 ℃；融霜到400 s時，溫度上升幅度很??；融霜至800 s時，測點的溫度有較大的提高，融霜進行到后期1 000～1 200 s時，測點溫度的變化急劇增大。在融霜結(jié)束時刻，靠近制冷風(fēng)機處測點的溫度為-17.98 ℃，這是因為冷風(fēng)機吹出的冷風(fēng)首先到達測點8處，所以測點8處的溫度一直接近于-18 ℃。

由圖6可知，在整個融霜過程中，靠近融霜風(fēng)機測點的溫度高，遠離融霜風(fēng)機測點的溫度低，測點16，17的溫度變化幅度較大，測點9～16的溫度變化比較平緩，這是因為融霜熱靠近融霜風(fēng)機的測點17，16先接觸到融霜風(fēng)機的熱量，隨著融霜熱與后面蓄冷板大面積換熱，導(dǎo)致后面測點的溫度不會發(fā)生較大的變化。融霜結(jié)束后，靠近融霜風(fēng)機測點17的溫度和遠離融霜風(fēng)機測點9的溫度相差2.56 ℃，1#風(fēng)機末端測點1到0和2#風(fēng)機末端測點10到9的溫差分別為0.04 和0.01 ℃。這表明頂置蓄冷板能夠有效地吸收融霜過程中的熱量，降低融霜熱對冷庫溫度場的影響。

3.2 2#風(fēng)機制冷且無霜，1#風(fēng)機制冷

2#風(fēng)機融霜結(jié)束后，需要開啟2#風(fēng)機，對滯留在2#冷風(fēng)機表面的水滴進行清理，防止結(jié)成冰層。然后冷庫重新制冷，蓄冷板重新凍結(jié)。

當(dāng)冷庫再次運行至溫度場穩(wěn)定，1#風(fēng)機微壓差示數(shù)達到70 Pa，2#微壓差計示數(shù)達到19 Pa，此時在制冷風(fēng)機無霜狀態(tài)下，融霜熱對空庫和帶蓄冷板溫度場影響進行試驗分析。結(jié)果如圖7，8所示。

圖7 空庫截面溫度

圖8 帶蓄冷板的冷庫截面溫度

由圖7，8分析知，空庫和帶蓄冷板的冷庫截面溫度在制冷風(fēng)機有無霜層時的變化趨勢基本相同。主要區(qū)別為，空庫制冷風(fēng)機在無霜狀態(tài)下的融霜時間比在有霜狀態(tài)下縮短165 s；帶蓄冷板的冷庫制冷風(fēng)機在無霜狀態(tài)下的融霜時間比在有霜狀態(tài)下縮短163 s。由于融霜時間縮短，在無霜狀態(tài)下，帶蓄冷板的冷庫各截面（0，0.70，1.04，0.12 m）融霜終了時刻的溫度相比于有霜狀態(tài)下分別提高1.00，0.92，1.04，0.12 ℃。造成這種情況的原因是，制冷風(fēng)機上的霜層相當(dāng)于一層熱阻，減小了制冷劑和流經(jīng)翅片空氣的換熱量，導(dǎo)致供給融霜風(fēng)機的制冷劑流量減少，延長了融霜時間。使得制冷風(fēng)機有霜時融霜結(jié)束后庫溫的波動要大一些。

與圖5，6的工作狀態(tài)不同，圖9和10表示的是1#風(fēng)機融霜2#風(fēng)機制冷，且2#制冷風(fēng)機翅片上近乎無霜狀態(tài)。整體溫度變化趨勢與圖5，6一致。

圖9 1#中軸線位置蓄冷板底部溫度

圖10 2#中軸線位置蓄冷板底部溫度

由圖9可知，在整個融霜過程中，靠近融霜風(fēng)機測點的溫度高，遠離融霜風(fēng)機測點溫度低。對比圖6有霜狀態(tài)時融霜風(fēng)機中軸線各測點溫度可得：圖9中各測點融霜終了時刻的溫度整體低于圖6各測點的溫度。由圖10可知，在整個融霜過程中，測點的溫度隨遠離風(fēng)機距離的增大依次升高。對比圖5有霜狀態(tài)時制冷風(fēng)機中軸線各測點溫度可得：圖10中各測點融霜終了時刻的溫度整體低于圖5各測點的溫度。造成此種現(xiàn)象的原因是，2#風(fēng)機融霜時，1#風(fēng)機有霜層，霜層減小了冷風(fēng)機與環(huán)境的換熱量，進入制冷風(fēng)機的制冷劑流量增大，進入融霜風(fēng)機的制冷劑流量減小，最終融霜時間的增加會導(dǎo)致庫溫的波動增加。

3.3 空庫溫度

圖11，12分別示出制冷風(fēng)機有霜和無霜條件下，帶蓄冷板的冷庫和空庫整體溫度隨融霜時間的變化趨勢。對比圖11，12可知：在融霜時制冷風(fēng)機有霜和無霜兩種條件下，庫內(nèi)溫度隨融霜時間的變化趨勢基本一致。在融霜的終了時刻，冷風(fēng)機有霜條件時，帶蓄冷板的冷庫要比空庫的庫溫波動減小2.49 ℃，冷風(fēng)機無霜條件時，帶蓄冷板的冷庫要比空庫的庫溫波動減小2.92 ℃。區(qū)別在于：制冷風(fēng)機在無霜條件下的融霜時間要比制冷風(fēng)機有霜條件下減少160 s。上述分析從整體說明了帶蓄冷板的冷庫可以減小融霜熱對庫溫波動的影響，并且制冷風(fēng)機無霜狀態(tài)下進行融霜可以進一步降低庫溫的波動。

圖11 冷庫整體溫度變化（制冷風(fēng)機無霜）

圖12 冷庫整體溫度變化（制冷風(fēng)機有霜）

3.3 融霜能耗對比分析

對比圖3，4，2#風(fēng)機融霜，1#風(fēng)機制冷且有霜狀態(tài)下有蓄冷板的融霜時間較長，空庫狀態(tài)下時間短一些，系統(tǒng)采用定頻融霜，所以相同融霜功率的條件下，融霜時間越長融霜能耗也就越大。對于空庫而言，制冷風(fēng)機有霜狀態(tài)融霜時間為1 085 s，對于庫頂安裝蓄冷板而言，制冷風(fēng)機有霜狀態(tài)融霜時間為1100 s，則融霜時間增加的比例為C=（1 100-1 085）/1 100=1.36%，安裝蓄冷板融霜能耗增加的比例僅有1.36%，蓄冷板對融霜能耗的影響可以忽略不計。

對比圖5和6，1#風(fēng)機融霜，2#風(fēng)機制冷且無霜狀態(tài)下，對于空庫而言，制冷風(fēng)機無霜狀態(tài)融霜時間為920 s，對于庫頂安裝蓄冷板而言，制冷風(fēng)機無霜狀態(tài)融霜時間為937 s，則融霜時間增加的比例可以計算為C=（937-920）/ 937=1.81%，安裝蓄冷板融霜能耗增加的比例僅有1.81%，同樣可以忽略不計安裝蓄冷板時對融霜能耗的影響。

4 結(jié)論

（1）在冷庫的除霜過程中，安裝蓄冷板的冷庫各截面溫度都要低于無蓄冷板時冷庫各截面處的溫度。所以冷庫頂置蓄冷板能夠有效降低融霜熱對庫溫波動的影響。

（2）制冷風(fēng)機在有霜狀態(tài)下，安裝蓄冷板冷庫的庫溫波動比無蓄冷板時減小2.49 ℃，融霜能耗增加1.36%；制冷風(fēng)機無霜狀態(tài)下，安裝蓄冷板冷庫的庫溫波動比無蓄冷板時減小2.92 ℃，融霜能耗增加1.81%，安裝蓄冷板后，雖然融霜能耗小幅增加，但庫溫波動的降低，滿足了冷凍冷藏行業(yè)對果蔬各類產(chǎn)品更好品質(zhì)的要求。