軒福臣， 謝 晶,2,3，顧 眾

(1 上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海冷鏈裝備性能與節(jié)能評(píng)價(jià)專(zhuān)業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，上海 201306；2 上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心，上海 201306；3 食品科學(xué)與工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(上海海洋大學(xué))，上海 201306)

現(xiàn)代水產(chǎn)品加工裝備的研發(fā)始于20世紀(jì)初[1]。進(jìn)入21世紀(jì)，由于中國(guó)海洋漁業(yè)發(fā)展迅速，對(duì)水產(chǎn)品加工裝備的依賴(lài)程度不斷提高，使得水產(chǎn)品加工裝備向高效化、智能化、科技化快速發(fā)展[2-3]。水產(chǎn)品加工裝備以提升水產(chǎn)品的品質(zhì)、安全性、加工效率為工程技術(shù)目標(biāo)[4]。在水產(chǎn)品蒸煮加工過(guò)程中，蒸煮溫度達(dá)到100 ℃[5]，常用的水產(chǎn)品蒸煮加工裝備有燃煤鍋爐、燃?xì)忮仩t、燃油鍋爐、電加熱裝置、CO2熱泵裝置[6-7]。在用于水產(chǎn)品蒸煮加工的CO2熱泵中，CO2制冷劑在高壓側(cè)放熱過(guò)程中有較大的溫度變化(約80～100 ℃)，非常適合在水產(chǎn)品蒸煮加工中用于制取高溫?zé)崴甗8-9]，與其他水產(chǎn)品蒸煮加工裝備相比較，CO2熱泵具有制熱效率高、年耗費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)[10-12]，且CO2熱泵不會(huì)產(chǎn)生污染環(huán)境的氣體，可以高效連續(xù)制取高溫?zé)崴?，能夠滿足水產(chǎn)品蒸煮加工的要求[13-15]。蒸發(fā)器是CO2熱泵蒸煮設(shè)備中的重要部件之一，用于制冷劑與外界環(huán)境進(jìn)行熱量交換，蒸發(fā)器換熱效率的高低對(duì)蒸煮設(shè)備的效率有著很大影響[16-18]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)蒸發(fā)器性能進(jìn)行了大量的仿真與試驗(yàn)。孫帥等[19]研究了制冷劑側(cè)流速對(duì)蒸發(fā)器換熱特性的影響，結(jié)果表明流速增加，進(jìn)出口壓降變大，傳熱效果加強(qiáng)。Haruhiko等[20]對(duì)蒸發(fā)器換熱通道進(jìn)行了設(shè)計(jì)，解決了蒸發(fā)器換熱效率低的問(wèn)題。方雷等[21]對(duì)太陽(yáng)能-空氣復(fù)合熱泵進(jìn)行模型計(jì)算，得出了最佳的蒸發(fā)器翅片間距和翅片高度。陽(yáng)豪等[22]研究得出蒸發(fā)器面積增大一倍，蒸發(fā)器表面溫度提高2.4 ℃，結(jié)霜時(shí)間減少2.89%～13.38%。蒸發(fā)溫度的變化對(duì)熱泵蒸煮裝備的結(jié)霜性能、制熱量、熱泵系數(shù)、壓縮比也有很大的影響[23-26]。

Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是基于MATLAB框圖環(huán)境，進(jìn)行建模、仿真的軟件。借助Simulink動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)，在水產(chǎn)品蒸煮裝備中，以跨臨界CO2熱泵為研究對(duì)象，計(jì)算仿真熱泵蒸煮設(shè)備的結(jié)霜過(guò)程，并用蒸煮裝置進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，研究系統(tǒng)中蒸發(fā)溫度對(duì)結(jié)霜性能、熱泵運(yùn)行的影響。

1 水產(chǎn)品蒸煮裝備與試驗(yàn)方法

1.1 水產(chǎn)品蒸煮裝備

根據(jù)GB21362—2008《商業(yè)或工業(yè)用及類(lèi)似用途的熱泵熱水機(jī)》[27]，搭建了水產(chǎn)品蒸煮用的跨臨界CO2熱泵試驗(yàn)臺(tái)，滿足水產(chǎn)品加工需求。水產(chǎn)品蒸煮裝備由壓縮機(jī)、氣冷器、蒸發(fā)器、膨脹閥等主要部件構(gòu)成(圖1)。壓縮機(jī)采用都凌的CO2活塞式壓縮機(jī)，規(guī)格型號(hào)CD750H，額定功率5.5 kW，排氣量4.74 m3/h，運(yùn)行頻率50 Hz，轉(zhuǎn)速1 450 r/min；氣冷器采用SWEP生產(chǎn)的板式換熱器，通道數(shù)為3個(gè)，翅片數(shù)量為49片；膨脹閥采用丹佛斯生產(chǎn)的CCMT4電子膨脹閥，最大開(kāi)啟壓差91.8 kg/m2；蒸發(fā)器采用SWEP生產(chǎn)的翅片式蒸發(fā)器，管道材質(zhì)為銅，管道排數(shù)為4排，孔數(shù)為60個(gè)，換熱面積為3.2 m2，翅片間距3 mm，管道直徑7 mm。

1.2 水產(chǎn)品蒸煮裝備的仿真模型

基于對(duì)水產(chǎn)品蒸煮裝備運(yùn)行特點(diǎn)的分析，引用相關(guān)文獻(xiàn)[28-29]，壓縮機(jī)、蒸發(fā)器結(jié)霜的數(shù)學(xué)模型見(jiàn)公式(1)～(4)。

霜密度變化引起的結(jié)霜量變化率：

(1)

式中：At為蒸發(fā)器的換熱面積，3.2 m2；R為水蒸氣的氣體常數(shù)，461.9 J/(kg.K)；Ts為霜層表面的溫度，K；fr為霜與冰的密度比值；λfr為霜的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·k)；DS為霜表面水蒸氣的擴(kuò)散系數(shù)，0.22 cm2/s；iSV為水蒸氣的升華潛熱，J/kg；Qt換熱器的換熱量，W；V為空氣進(jìn)出口換熱器的比體積差值，m3/kg。

霜厚度變化引起的結(jié)霜量(mδ)變化率：

mδ=mfr-mρ

(2)

式中：mfr為結(jié)霜變化率，g/s；mρ為霜密度變化引起的結(jié)霜量變化率，g/s。

(3)

式中：m為結(jié)霜量，g。

參考相關(guān)文獻(xiàn)[29]，得公式(4)。

(4)

式中：C為熱泵系數(shù)；P為壓縮機(jī)輸入功率，kW；W為制熱量，kW。

根據(jù)此水產(chǎn)品蒸煮裝備的工作原理，并依據(jù)跨臨界CO2熱泵壓縮機(jī)、蒸發(fā)器結(jié)霜的數(shù)學(xué)模型，建立了水產(chǎn)品蒸煮系統(tǒng)仿真流程圖(圖2)，該流程可對(duì)蒸煮加工裝備中的結(jié)霜變化率、結(jié)霜量、熱泵性能進(jìn)行仿真計(jì)算。

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)浙江地區(qū)氣象資料，在恒溫恒濕(溫度5 ℃，相對(duì)濕度65%)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行試驗(yàn)。在水產(chǎn)品蒸煮裝備中，通過(guò)調(diào)節(jié)電子膨脹閥開(kāi)度來(lái)改變蒸發(fā)溫度(-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃)，在壓縮機(jī)吸氣口和出氣口布置溫度測(cè)點(diǎn)和壓力測(cè)點(diǎn)，在蒸發(fā)器出口布置質(zhì)量流量測(cè)點(diǎn)，在蒸發(fā)器翅片表面布置溫度測(cè)點(diǎn)，另外，在壓縮機(jī)電路中安裝三相式多功能電表，通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)與采集。壓力傳感器選用壓阻式壓力傳感器，測(cè)量精度±0.5%FS(FS指全量程測(cè)量)；流量計(jì)選用玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)，測(cè)量精度±0.25%；溫度傳感器選用銅康銅T型熱電偶，測(cè)量精度±0.5 ℃；電能表選用三相電子式多功能電能表，測(cè)量精度±0.5%。

仿真試驗(yàn)采用控制單一變量法，改變蒸發(fā)溫度(-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃)，試驗(yàn)步驟：1)運(yùn)行熱泵裝置；2)改變電子膨脹閥開(kāi)度，調(diào)節(jié)蒸發(fā)溫度；3)同一蒸發(fā)溫度下，從開(kāi)始運(yùn)行計(jì)時(shí)，每隔10 min從數(shù)據(jù)采集儀中記錄一組測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)(吸氣溫度、排氣壓力、質(zhì)量流量、翅片表面溫度)，共記錄7組；4)同一蒸發(fā)溫度下，把7組數(shù)據(jù)分別輸入Simulink仿真框圖，計(jì)算仿真系統(tǒng)中的制熱量、熱泵系數(shù)(COP)、壓縮比、結(jié)霜性能；5)改變蒸發(fā)溫度，重復(fù)上述步驟。

熱泵化霜處理：采用熱氣旁通化霜，化霜水用托盤(pán)盛接并稱(chēng)量，水的質(zhì)量可定義為結(jié)霜量(誤差±1 g)。在測(cè)量化霜水重量試驗(yàn)中，改變蒸發(fā)溫度(-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃)。1)在蒸發(fā)溫度-5 ℃時(shí)，從開(kāi)始運(yùn)行計(jì)時(shí)， 10 min后進(jìn)行化霜，記錄第一次化霜水質(zhì)量；2)從開(kāi)始運(yùn)行計(jì)時(shí)，運(yùn)行 20 min后進(jìn)行化霜，記錄第二次化霜水質(zhì)量；3)以此類(lèi)推，蒸發(fā)溫度-5 ℃下，共記錄7組不同結(jié)霜時(shí)間下的化霜質(zhì)量；4)改變蒸發(fā)溫度(-10 ℃、-15 ℃)，重復(fù)上述步驟，進(jìn)行化霜試驗(yàn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

此水產(chǎn)品蒸煮加工試驗(yàn)中，在同一蒸發(fā)溫度下，根據(jù)仿真的7組數(shù)據(jù)，結(jié)霜性能繪制成隨時(shí)間變化的圖表。其中，水產(chǎn)品蒸煮裝備的制熱量、熱泵系數(shù)(COP)、壓縮比選取7組數(shù)據(jù)的平均值，保留小數(shù)點(diǎn)后2位，并制作圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 霜密度引起的結(jié)霜量的變化

由圖3可知，不同蒸發(fā)溫度下，由霜密度變化引起的結(jié)霜量變化率隨時(shí)間的增加都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且蒸發(fā)溫度越低，由霜密度變化引起的結(jié)霜量變化率越小；結(jié)霜50 min以后，結(jié)霜量變化率緩慢上升，說(shuō)明由于蒸發(fā)器表面出現(xiàn)結(jié)霜，風(fēng)量的流通面積減少，單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)量也會(huì)隨之減少，蒸發(fā)器表面熱阻增加，影響傳熱效果，此時(shí)蒸煮裝備系統(tǒng)運(yùn)行效率會(huì)下降，壓縮機(jī)耗功增加，水產(chǎn)品加工系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，這與相關(guān)的研究類(lèi)似[28,30]；在結(jié)霜過(guò)程中，由于霜層表面的溫度及水蒸氣分壓力為動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，從而會(huì)改變熱邊界層和擴(kuò)散邊界層，水蒸氣在霜層表面凝結(jié)時(shí)，一方面增加了霜層厚度，使邊界層發(fā)生移動(dòng)，另一方面，水蒸氣擴(kuò)散進(jìn)入霜層內(nèi)部，增加了霜層密度[31]。

2.2 霜厚度引發(fā)結(jié)霜量的變化

由圖4可知，此水產(chǎn)品蒸煮裝備中，不同蒸發(fā)溫度下，由霜厚度變化引發(fā)的結(jié)霜量變化率隨時(shí)間增加呈遞減趨勢(shì)，20～50 min期間，下降率逐漸變小，50 min以后結(jié)霜量變化率下降變緩，表明隨著霜層積累，蒸發(fā)器的流通通道變窄，單位時(shí)間內(nèi)流通風(fēng)量也會(huì)隨之減少，當(dāng)霜層積累到50 min以后，由霜厚度變化引起的結(jié)霜量變化率緩慢降低，水產(chǎn)品蒸煮裝備的制熱效率下降，加工能耗逐漸增加，這與姚楊等[28,31]研究的結(jié)霜性能變化趨勢(shì)一致。由于霜層的存在，使得蒸發(fā)器翅片表面粗糙度增加，氣流組織與蒸發(fā)器表面的摩擦力變大，從而蒸發(fā)器進(jìn)出口壓差增大，壓差增大會(huì)對(duì)水產(chǎn)品蒸煮裝備的換熱效果產(chǎn)生不利影響[32]。

2.3 結(jié)霜量的變化

從圖5可知，此水產(chǎn)品蒸煮裝備中，不同蒸發(fā)溫度下，結(jié)霜量隨結(jié)霜時(shí)間的增加而增加，在結(jié)霜0～50 min期間，結(jié)霜量隨結(jié)霜時(shí)間迅速增加，50 min以后，結(jié)霜量緩慢增加，表明隨著霜層的積累，霜層的密度、厚度、熱阻都會(huì)增加，蒸發(fā)器換熱量減少，結(jié)霜量增長(zhǎng)率會(huì)逐漸變小，結(jié)霜量變緩；蒸發(fā)溫度越低，相同時(shí)間下結(jié)霜量越多，蒸發(fā)器換熱效果下降越明顯，能耗更大；蒸發(fā)溫度-15 ℃，運(yùn)行50 min時(shí)，仿真和試驗(yàn)出現(xiàn)最大誤差為15 g，誤差率為9.10%，在允許誤差以?xún)?nèi)，仿真結(jié)霜量和試驗(yàn)結(jié)霜量隨時(shí)間變化的趨勢(shì)有較好的吻合性。因此，建立的Simulink仿真模型能較好仿真蒸發(fā)器的結(jié)霜狀態(tài)。

2.4 仿真與試驗(yàn)對(duì)比

由表1可知，此水產(chǎn)品蒸煮裝備中，蒸發(fā)溫度從-5 ℃變化到-15 ℃，仿真中的制熱量從5.69 kW增加到6.42 kW，這說(shuō)明蒸發(fā)溫度越低，制冷劑與外界環(huán)境的換熱溫差加大，換熱加劇，設(shè)備換熱量增大。此外，熱泵系數(shù)從3.23降低到2.94，壓縮比從4.79增加到5.29，這表明蒸發(fā)溫度越低，蒸發(fā)溫度與冷凝溫度之間溫差變大，壓縮機(jī)耗功增加，設(shè)備運(yùn)行效率降低。其中，蒸發(fā)溫度越低，壓縮比越大，說(shuō)明壓縮機(jī)運(yùn)行工況惡劣，設(shè)備不穩(wěn)定性增加，這與仿真的結(jié)霜性能變化一致，制熱量、熱泵系數(shù)、壓縮比的誤差率分別控制在7.71%～8.17%、9.49%～11.79%、10.21%～11.09%。依據(jù)文獻(xiàn)，仿真和試驗(yàn)的誤差率控制在15%以?xún)?nèi)，說(shuō)明仿真度較高[33-34]，所以本水產(chǎn)品蒸煮裝備模型的建立在水產(chǎn)品加工中具有一定的工程應(yīng)用意義。

表1 不同蒸發(fā)溫度下熱泵性能對(duì)比

3 結(jié)論

采用控制變量法，經(jīng)計(jì)算仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，可得到如下結(jié)論。在蒸發(fā)溫度-5 ℃時(shí)，熱泵系數(shù)最大，壓縮比最小，水產(chǎn)品蒸煮裝備系統(tǒng)運(yùn)行狀況最優(yōu)；水產(chǎn)品蒸煮裝備在加熱水至100 ℃過(guò)程中，蒸發(fā)溫度越低，雖然此加工裝備的制熱量越大，但水產(chǎn)品加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性最低，壓縮機(jī)能耗會(huì)增加，在滿足水產(chǎn)品蒸煮需求的前提下，為提高水產(chǎn)品加工效率，減少加工過(guò)程中的蒸發(fā)器結(jié)霜量，要降低蒸發(fā)溫度；計(jì)算仿真與試驗(yàn)結(jié)果最大誤差率為11.79%，建立的水產(chǎn)品蒸煮裝備Simulink仿真圖可較好反映水產(chǎn)品加工設(shè)備的性能；利用建立的水產(chǎn)品蒸煮用CO2熱泵仿真平臺(tái)，并依據(jù)蒸發(fā)溫度對(duì)水產(chǎn)品蒸煮裝備性能影響的研究，對(duì)于提升水產(chǎn)品蒸煮裝備性能及降低加工能耗具有重要意義。

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