盧素珊，劉瓊瑜，劉軍,3，吳耀森,3，陳永春,,3，龔麗,3

（1.廣東省現(xiàn)代農業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630；2.廣東弘科農業(yè)機械研究開發(fā)有限公司，廣東 廣州 510555；3.農業(yè)農村部華南現(xiàn)代農業(yè)智能裝備重點實驗室，廣東 廣州 510630 ）

0 引言

隨著制冷行業(yè)的發(fā)展，市場對食品保鮮儲藏設備運行的穩(wěn)定性與節(jié)能性提出了更高的要求。2020年我國冷庫總量中冷凍庫占比大于70%[1]，制冷系統(tǒng)中蒸發(fā)器除霜能耗是主要節(jié)能難題之一，及時除霜對系統(tǒng)效率、能耗和食品品質十分重要[2]。現(xiàn)有的常用除霜方式包括自然除霜、水沖霜、電除霜以及熱氣除霜，但這些除霜方式在除霜過程中均引起庫溫回升，并且除霜后的制冷周期能耗增加。因此需要尋找一種更加節(jié)能與合理的除霜方法。

本文提出一種新型的二次冷凝除霜方法，該方法通過除霜制冷劑將霜層中的冷量取回重新用于制冷，提高了系統(tǒng)的制冷量，減少了除霜時庫溫的波動，并降低了下一周期的制冷能耗。

本文介紹了二次冷凝除霜制冷系統(tǒng)模型，通過建立制冷和除霜模型，探究適宜的二次冷凝除霜制冷劑旁通比，討論不同蒸發(fā)溫度下的單次除霜時長，理論論證了二次冷凝除霜時的制冷環(huán)境溫度波動小，能耗低。

1 二次冷凝除霜制冷系統(tǒng)模型

二次冷凝除霜制冷系統(tǒng)在常規(guī)制冷系統(tǒng)上增加了除霜制冷劑旁路，為了分析該系統(tǒng)的除霜性能，建立了蒸發(fā)器制冷模型與除霜模型。

1.1 除霜系統(tǒng)介紹

二次冷凝除霜制冷系統(tǒng)由制冷主路和除霜旁路2 部分組成，前者主要包括壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器和膨脹閥，后者主要包括二次冷凝除霜模塊（即旁通壓降管路以及一次蒸發(fā)換熱器）和除霜后制冷劑再制冷管路。圖1 為二次冷凝除霜制冷系統(tǒng)簡圖，圖2 為該制冷循環(huán)對應的壓焓圖。

圖1 二次冷凝除霜制冷系統(tǒng)簡圖

圖2 二次冷凝融霜循環(huán)壓焓圖

制冷模式時，制冷劑循環(huán)過程為：壓縮機中等熵壓縮至狀態(tài)點2、冷凝器中等壓放熱至狀態(tài)點3、膨脹閥中絕熱節(jié)流至狀態(tài)點4 和蒸發(fā)器中等壓吸熱至狀態(tài)點1，至此為一個制冷循環(huán)（如圖2 實線所示）。

制冷系統(tǒng)除霜時，冷凝器出口的液態(tài)制冷劑進入二次冷凝融霜模塊，模塊中存在一次蒸發(fā)換熱器，進入該換熱器前，液體制冷劑分為兩路，一路作為主路制冷劑，另一路在除霜旁通管路膨脹閥中絕熱節(jié)流至狀態(tài)點5,節(jié)流后進入該換熱器等壓吸熱至狀態(tài)點6，同時將主路制冷劑過冷至狀態(tài)點3b,主路制冷劑經膨脹閥中絕熱節(jié)流至狀態(tài)點4b，再在蒸發(fā)器中等壓吸熱至狀態(tài)點1。對主路制冷劑過冷后融霜管路制冷劑進入結霜蒸發(fā)器，凝結除霜至狀態(tài)點7，除霜后的制冷劑經膨脹閥絕熱節(jié)流至狀態(tài)點4b，后進入其他制冷蒸發(fā)器進行蒸發(fā)制冷至狀態(tài)點1，至此為一個除霜循環(huán)（如圖2虛線所示）。

二次冷凝除霜與制冷循環(huán)利用除霜制冷劑對主路制冷劑過冷后獲得熱量，接著又經過結霜蒸發(fā)器將熱量傳遞給霜層，除霜后的制冷劑重新回到主路再次進行蒸發(fā)制冷從而釋放從霜層中獲得的冷量，除霜過程實現(xiàn)了對制冷環(huán)境的凈吸熱，提高了制冷能效。

1.2 蒸發(fā)器換熱模型的建立

本次模擬計算使用翅片管式換熱器，將制冷劑經過蒸發(fā)器時的換熱模型分為制冷劑側換熱、空氣側換熱、霜層側換熱3個控制體。制冷劑經過蒸發(fā)器的實際換熱過程計算較復雜且很難得到精準結果，因此本文對該換熱過程進行簡化，建立一維穩(wěn)態(tài)模型，模擬計算基于以下假設：①空氣來流垂直于換熱管長方向；②空氣來流截面速度處處相等；③處于穩(wěn)定狀態(tài)，制冷劑在管內均勻一維流動；④不考慮潤滑油的熱阻；⑤結霜時霜層在翅片上分布均勻；⑥換熱過程忽略熱輻射。

1.2.1 建立制冷模型

制冷模式時制冷量為

式中：

qeva——制冷模式時制冷量；kW；

mc——經過蒸發(fā)器的制冷劑流量，kg/s；

h——制冷劑比焓，kJ/kg。

制冷劑經過蒸發(fā)器換熱管將掠過的空氣降溫，并將空氣中的部分水分凝固結霜，由熱量守恒得

式中：

υair——經過蒸發(fā)器的風量，m3/s；

ρair——蒸發(fā)器進口空氣密度，kg/m3；

Δhair——蒸發(fā)器進出口空氣焓差，kJ/kg；

mice——制冷時結霜質量，kg；

hice——結霜潛熱，取335 kJ/kg；

τc——制冷時長，s。

制冷時結霜質量為

式中：

Δd——蒸發(fā)器進出口空氣含濕量差，g/kg 干空氣；

da——蒸發(fā)器進口空氣含濕量，g/kg 干空氣。

壓縮機工耗為

式中：

ηe——壓縮機軸效率，由壓縮比查表可得[3]。

制冷模式能效比為[4]

1.2.2 建立除霜模型

定義除霜旁通比為

式中：

md——經過待除霜蒸發(fā)器的制冷劑流量，kg/s。

除霜模式制冷量為

主路制冷劑與融霜制冷劑在一次蒸發(fā)器中的換熱過程由熱量守恒得

除霜所需總熱量包括霜層降溫至0 ℃的吸熱量、霜層的融化熱以及其他散熱量（例如由于霜層對流散失到到空氣中的顯熱、盤管上的水蒸氣蒸發(fā)潛熱和翅片和盤管升溫的加熱量）。除霜所需總熱量與融霜制冷劑的換熱過程由熱量守恒得

式中：

cp,ice——霜比熱容，取2.1 kJ/(kg·℃)；

Δtice——霜的溫度變化值，℃，?。ㄕ舭l(fā)溫度絕對值-1）℃；

hice——霜的液化熱，取335 kJ/kg；

τd——除霜時間，s；

α——除霜過程中，霜層融化所需熱量在制冷劑總放熱量中的占比，取0.437[5]。

壓縮機功耗同制冷模式，除霜模式能效比

2 二次冷凝除霜旁通比的匹配

當制冷系統(tǒng)進行二次冷凝除霜時，冷凝器出口的液態(tài)制冷劑進入二次冷凝融霜模塊后分為兩路，此時除霜旁路制冷劑的流量占比將影響除霜效果。若除霜旁通比過小，霜層除不凈，需增加除霜時長；若除霜旁通比過大，則霜層除凈仍有除霜制冷劑在蒸發(fā)器中放熱，即除霜過度，且主路制冷劑流量小，總制冷量小。因此，需要選擇使除霜能效較優(yōu)的除霜制冷劑旁通比。

以設定冷庫庫溫為-18℃為例，制冷蒸發(fā)溫度為-25℃，冷凝溫度為36℃，選用R507A 制冷劑，制冷時蒸發(fā)器進出口空氣的狀態(tài)分別為-13℃、75%和-20 ℃、95%，每制冷30 min 除霜1 次，由GB/T7725—2004《房間空氣調節(jié)器》要求除霜所需總時間不超過試驗總時間的20%，故設定除霜時間為5 min[6]。熱氣除霜操作時壓力一般控制在6 bar左右[7]，由于二次冷凝除霜過程存在對主路制冷劑的過冷，以及為適當縮短除霜時長，本次模擬除霜壓力取7 bar。以上述條件進行模擬計算，除霜時能效比與除霜旁通比的關系如圖3。

圖3 二次冷凝除霜能效隨旁通比的變化

由圖3 可知，在旁通比0～1 的范圍內，由于主路制冷劑與旁路制冷劑流量占比總和為1，故主路制冷能效與旁路制冷能效相互約束，陰影范圍為可實現(xiàn)的不同旁通比下的除霜COP，由圖可知當旁通比取0.15 時，可得到最大的除霜能效。此時對應COP 為2.0，相比普通制冷循環(huán)COP 為1.72增加了16%。

3 性能分析

選擇除霜旁通比μ為0.15，冷凝溫度為36℃，除霜制冷劑壓力為7 bar，單次制冷時長為30 min 時啟動除霜，計算二次冷凝除霜制冷循環(huán)理論COP 隨蒸發(fā)溫度不同的變化。在不同蒸發(fā)溫度下對應的蒸發(fā)器進出口空氣狀態(tài)參數(shù)如表1 所示。

表1 不同蒸發(fā)溫度下對應的蒸發(fā)器進出口空氣狀態(tài)參數(shù)

二次冷凝除霜制冷循環(huán)理論COP 在不同蒸發(fā)溫度下隨除霜時間的變化關系如圖4 所示，經計算得單次除霜時長取值范圍如圖4 陰影區(qū)域。由圖4 可知蒸發(fā)溫度降低，除霜時COP 曲線下移，且除霜時系統(tǒng)COP 隨除霜時長的增加逐漸減小。

圖4 系統(tǒng)二次冷凝除霜時COP 隨除霜時間的變化

為保證除霜完全，同時考慮較高的除霜能效，設定每制冷30 min，蒸發(fā)溫度為-35、-25、-15、-5 ℃時單次除霜時長分別取3.4、5.4、5.9、5.7 min。二次冷凝除霜周期COP 與制冷周期COP 關系如圖5 所示。不同蒸發(fā)溫度下二次冷凝除霜周期COP 相比制冷周期COP均有所增加，隨著蒸發(fā)溫度的升高，二次冷凝除霜能效越高。計算得相比制冷周期，二次冷凝除霜周期COP增加的百分比為13%～16%。

圖5 不同蒸發(fā)溫度下的二次冷凝除霜周期COP 與制冷周期COP

相比常用的除霜方式，二次冷凝除霜有效提高了制冷量，降低了能耗。自然除霜時利用自然風吹過霜層、水沖霜使用18～20℃的淋水沖過霜層[8]，均帶走大量冷量，使制冷環(huán)境溫度回升，增大下一周期制冷能耗；電除霜時耗電量約為制冷系統(tǒng)總耗電量的10%～20%，且通常導致庫溫升高5 ℃或以上[9-10]；熱氣除霜主要包括逆除霜法與熱氣旁通法，兩者均利用高溫氣態(tài)制冷劑加熱霜層至融化，同樣存在溫升與能耗問題，雖然熱氣旁通法除霜時制冷環(huán)境溫度波動較逆除霜小，但除霜時長較長，且熱氣旁通法除霜時，壓縮吸氣過熱度偏低，有損壞壓縮機的風險[11-12]。本文提出的二次冷凝除霜，避開了常用除霜方式的缺點，且通過理論計算證明該方法可以有效解決除霜時制冷環(huán)境溫度回升與能耗增大的問題，為下一步的二次冷凝除霜應用研究提供了理論基礎。

4 結論及展望

1）本文提出了一種二次冷凝除霜的新型除霜方式，該方式從冷凝器中取一定比例的液態(tài)制冷劑經降壓后與主路制冷劑進行熱交換，后除霜制冷劑進入結霜蒸發(fā)器除霜，充分利用了霜層冷量，達到了除霜過程凈吸熱的效果。除霜過程冷庫溫度波動小，一般無溫升。

2）對二次冷凝除霜與制冷循環(huán)建立模型，經計算取較優(yōu)的除霜旁通比為0.15，設定制冷周期為30 min，在蒸發(fā)溫度為-35、-25、-15、-5 ℃時取各自適宜的二次冷凝除霜時長，計算分析得二次冷凝除霜周期COP 相比制冷周期COP 提高13%～16%。

3）本文提出的二次冷凝除霜方式在食品冷藏中應用時能夠有效降低物料的損壞率，且低溫儲藏時制冷系統(tǒng)除霜能耗降低，但在不同的蒸發(fā)溫度下如何設定較優(yōu)的除霜時間仍需依靠更精準的除霜控制機制。