陳肖依　劉金平，2　許雄文

(1 華南理工大學(xué)電力學(xué)院　廣州　510640；2 廣東省能源高效清潔利用重點實驗室 華南理工大學(xué)　廣州　510640)

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急速冷凍箱制冷性能實驗研究

陳肖依1劉金平1，2許雄文1

(1 華南理工大學(xué)電力學(xué)院廣州510640；2 廣東省能源高效清潔利用重點實驗室 華南理工大學(xué)廣州510640)

針對食品急速冷凍箱的制冷系統(tǒng)進(jìn)行實驗，研究其降溫曲線及制冷性能。實驗結(jié)果表明，目前的食品急速冷凍箱制冷系統(tǒng)在開始降溫后，蒸發(fā)溫度立刻降至接近最低蒸發(fā)溫度，蒸發(fā)器進(jìn)口溫度和被冷凍水溫度溫差約為25 ℃，蒸發(fā)溫度過低導(dǎo)致進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑流量偏小，壓縮機(jī)的實際功率只占額定功率的60%左右，系統(tǒng)的損主要發(fā)生在蒸發(fā)器內(nèi)(約占41%)，因此使蒸發(fā)溫度與箱溫匹配是提高急速冷凍箱降溫速度的重要手段。

急速冷凍箱； 制冷性能；蒸發(fā)溫度；實驗研究

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，生活節(jié)奏不斷加快，人們對新鮮食品的需求量越來越大。為了滿足新鮮食品的供應(yīng)，將單級低溫制冷系統(tǒng)應(yīng)用于冷柜，利于食品保存[1]。20世紀(jì)60年代以后，冷柜生產(chǎn)開始向高度集中化、專業(yè)化、合作化、現(xiàn)代化發(fā)展。中國冷柜業(yè)起步于1956年，鼎盛于80年代。冷柜生產(chǎn)線是由機(jī)電一體化程度高、穩(wěn)定性、可靠性要求嚴(yán)格的專業(yè)設(shè)備與流水線組成。冷柜制冷業(yè)是機(jī)械、電工、化工、冶金、材料等工業(yè)廣泛協(xié)作的綜合體。相關(guān)的新材料、新工藝、新技術(shù)往往很快應(yīng)用在冷柜工業(yè)上，使冷柜生產(chǎn)技術(shù)得到不斷提高。

為了滿足市場需求，使冷柜的外形設(shè)計更合理，趙韓等[2-3]將家用冰箱和低溫箱箱體進(jìn)行對比，從箱體設(shè)計尺寸和絕熱層設(shè)計兩個方面對冷凍箱箱體進(jìn)行改進(jìn)。 Mastrullo R等[4]建立冷柜瞬態(tài)模型，模擬箱體內(nèi)溫度和能量損失隨時間的變化狀態(tài)，為箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了參考。

在滿足冷柜市場的條件下，追求經(jīng)濟(jì)需求，解決目前應(yīng)用于冷柜的制冷劑環(huán)保問題[5]，王玄坤等[6-7]通過循環(huán)性能程序，對應(yīng)用于冷柜的碳、氫化合物制冷劑進(jìn)行研究，結(jié)果表明在同等條件下，R290及其二元混合工質(zhì)完全可以達(dá)到R404A的制冷效果。 Mastrullo R等[8]通過對比實驗分析，指出利用丙烷代替R404A可以大大減少冷柜的能量損耗。張樂平等[9- 10]利用R448A替換冷柜內(nèi)廣泛使用的制冷劑R404A，通過對比實驗發(fā)現(xiàn)兩者制冷能力相差不大，但GWP減小70%。Bortolini M等[11]通過實驗發(fā)現(xiàn)，在冷柜冷藏溫度為-5 ℃～10 ℃時，R410A的COP和制冷量較大；在冷柜冷凍溫度為-25 ℃～-15 ℃時，R407A的COP和制冷量較大。

為了進(jìn)一步提高冷柜運行的經(jīng)濟(jì)性，研究人員對冷柜的制冷系統(tǒng)部件進(jìn)行改進(jìn)。Pisano A等[12]運用商業(yè)模擬工具，根據(jù)毛細(xì)管直徑和制冷量的聯(lián)合效應(yīng)，分析最佳毛細(xì)管直徑和制冷量。謝堃等[13- 14]在研制脈沖膨脹閥的基礎(chǔ)上，將3種節(jié)流機(jī)構(gòu)運用在冷柜制冷系統(tǒng)中進(jìn)行了實驗對比，得出脈沖膨脹閥使冷柜降溫速度快，冷柜穩(wěn)定性能提高。張?zhí)禊i等[15]采用滿液式蒸發(fā)技術(shù)，液態(tài)制冷劑從蒸發(fā)器的下部進(jìn)入，制冷劑的蒸發(fā)全部發(fā)生在蒸發(fā)器內(nèi)，有效提高冷柜制冷效率。魏華鋒等[16]在臥式冷柜上采用D型管，實現(xiàn)了7%的節(jié)能效果。

本文通過實驗測量急速冷凍箱的性能，研究急速冷凍箱降溫過程中箱體溫度與蒸發(fā)溫度的匹配，為進(jìn)一步提高急速冷凍箱制冷量、縮短降溫時間提供基礎(chǔ)。

1 實驗裝置

1.1 實驗急速冷凍箱

本文使用的實驗急速冷凍箱如圖1所示。箱體內(nèi)置5個尺寸為600 mm×400 mm的托盤，分層放置。箱體內(nèi)置一個溫度探測儀，用于測量箱體內(nèi)溫度；內(nèi)置一個熱電阻，用于測量食物溫度。制冷系統(tǒng)如圖2所示，該急速冷凍箱系統(tǒng)為單級制冷循環(huán)，熱力膨脹閥采用外平衡式，所采用制冷劑為R404A。急速冷凍箱各部件參數(shù)如表1所示。

圖1 急速冷凍箱實驗裝置Fig.1 Experimental device of quick freezer

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由一臺安捷倫34970A多功能數(shù)據(jù)采集儀和一臺計算機(jī)組成，采用labVIEW平臺編制的相關(guān)測試程序并通過串口通信對數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行控制。將數(shù)據(jù)采集儀輸出信號轉(zhuǎn)換成可直接讀取的數(shù)據(jù)。溫度信號、壓力信號、功率信號測量方法以及本實驗所測參數(shù)的測量方法及精度等級見表2。實驗測試系統(tǒng)程序界面如圖3所示。

圖2 急速冷凍箱原理圖Fig.2 Principle of quick freezer

名稱型號尺寸和材料壓縮機(jī)NTZ068額定功率1520W,轉(zhuǎn)速約2900r/min。冷凝器風(fēng)冷式長436mm,高433mm,寬120mm。銅管?12mm×0.6mm,翅厚0.2mm,翅間距4mm。蒸發(fā)器風(fēng)冷式長430mm,高754mm,寬60mm。銅管?9.52mm×0.4mm,翅厚0.2mm,翅間距6mm。儲液器高約23cm,直徑約12cm干燥器EK-083—熱力膨脹閥丹佛斯068Z3430—

表2 主要測量儀器參數(shù)

圖3 實驗程序數(shù)據(jù)采集界面Fig.3 The interface of data acquisition program

1.3 實驗方法

取12 kg溫度為22 ℃的自來水，平均放置在5個托盤中。在第二層和第四層的托盤中分別放置熱電偶，用于測量水溫度。急速冷凍箱中自帶測量箱體內(nèi)食物溫度的鉑電阻探針，放置在第四層托盤中。關(guān)好箱門，設(shè)定好箱體目標(biāo)溫度tr和水溫度ti，即可開機(jī)運行并自動獲取實驗數(shù)據(jù)。

表3急速冷凍箱數(shù)據(jù)采集點

注：T表示溫度，P表示壓力。測量點表示測量信號點，其中設(shè)置2個測量點是為了提高實驗精度，增加數(shù)據(jù)的可靠性。

1.4 實驗數(shù)據(jù)處理

1.4.1 急速冷凍箱的制冷量和COP的計算

1)蒸發(fā)器制冷量

φ0=qmq0

(1)

式中:qm為壓縮機(jī)質(zhì)量流量，kg/s;q0為蒸發(fā)器單位質(zhì)量制冷量，kJ/kg。

2)COP

(2)

式中：Pe為壓縮機(jī)功率，kW。

3)壓縮機(jī)質(zhì)量流量

qm=ηvVh/ν1

(3)

式中：ηv為壓縮機(jī)容積效率；Vh為壓縮機(jī)理論排氣量，m3/ h；ν1為壓縮機(jī)吸氣比容，m3/kg。

其中，壓縮機(jī)理論排氣量為：

Vh=4.36 m3/ h

4)蒸發(fā)器單位質(zhì)量制冷量

q0=h2-h1

(4)

式中：h2為蒸發(fā)器出口焓值，kJ/kg;h1為蒸發(fā)器進(jìn)口焓值，kJ/kg。

5)制冷壓縮機(jī)的容積效率

(5)

式中：壓縮機(jī)出口壓力p2, kPa; 壓縮機(jī)進(jìn)口壓力p1， kPa。

Πcompressor=T0(S2-S1)

(6)

Πcooler=(h1-h2)-T0(S1-S2)

(7)

Πthrottle=T0(S2-S1)

(8)

Πevaporator=(h1-h2)-T0(S1-S2)-

(9)

式中：Si為i點的熵；T0為環(huán)境溫度，i=1，2，表示進(jìn)程狀態(tài)的設(shè)備點。

2 結(jié)果與分析

2.1 過熱度結(jié)果與分析

圖4所示為蒸發(fā)器進(jìn)口溫度、被冷凍水溫度隨時間變化曲線。開始降溫時，箱內(nèi)水溫較高，且降溫緩慢而蒸發(fā)器進(jìn)口溫度迅速下降至-10 ℃以下。此時制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度和水溫溫差較大，蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑與被冷凍水進(jìn)行換熱，使蒸發(fā)器出口制冷劑具有較大過熱度，壓縮機(jī)的吸氣密度較小，制冷劑流量較小，從而導(dǎo)致系統(tǒng)制冷量較小，降溫時間較長。蒸發(fā)器出口制冷劑過熱度計算如式(10)所示：

t=t2-tvap

(10)

式中：t2為蒸發(fā)器出口溫度，℃;tvap為蒸發(fā)器出口飽和溫度，℃。

圖4 水和蒸發(fā)器進(jìn)口溫度隨時間變化Fig.4 The temperature of water and evaporator inlet tube varies with time

圖5所示為蒸發(fā)器出口制冷劑過熱度隨被冷凍水溫度變化曲線。可以看出，在被冷凍水高溫階段存在20 ℃左右過熱度，在降溫過程中過熱度保持在10 ℃以上。剛開機(jī)時，蒸發(fā)器出口制冷劑過熱度大，熱力膨脹閥開度調(diào)至最大，蒸發(fā)壓力已達(dá)到最大值，過熱度仍有十幾攝氏度。此時，制冷劑流量不足，蒸發(fā)器有效利用面積小，制冷量較小。目前常規(guī)配置的熱力膨脹閥[17]調(diào)節(jié)范圍太小，對急速冷凍箱不適用。因此，若能采用合適的方案，要保證蒸發(fā)器出口制冷劑處于過熱狀態(tài)的前提下[18-19]降低其過熱度，系統(tǒng)的制冷量可大大提高。

圖5 蒸發(fā)器出口過熱度隨被冷凍水溫度變化Fig.5 The temperature of evaporator outlet superheat degree varies with chilled water′s temperature

2.2 制冷量和性能系數(shù)(COP)結(jié)果與分析

圖6所示為制冷量和功率隨被冷凍水溫度變化曲線。剛開機(jī)時制冷量較大，約為2 kW。隨著降溫進(jìn)行，制冷量減小。在水結(jié)冰的相變過程中，制冷量基本保持不變，約為0.5 kW。相變過程完成后，制冷量由0.5 kW減小到0.3 kW左右，直到溫度達(dá)到設(shè)定值。

圖6 制冷量和功率隨水溫變化Fig.6 Refrigeration capacity and power vary with chilled water′s temperature

圖7所示為性能系數(shù)(COP)隨被冷凍水溫度變化曲線。在被冷凍水高溫階段，COP隨被冷凍水溫度降低而減小。在被冷凍水高溫階段，COP從3.0減小到0.5左右；在水結(jié)冰的相變過程，COP基本保持不變，約為0.5；相變過程完成后，水繼續(xù)降溫，COP由0.5減小到0.3左右。由于蒸發(fā)器出口制冷劑過熱度大，蒸發(fā)器出口比容也較大，系統(tǒng)制冷劑流量較小，從而導(dǎo)致急速冷凍箱制冷量較小，食物降溫時間較長。然而壓縮機(jī)負(fù)荷較低，實際功率只占額定功率的60%左右，因此可以通過提高蒸發(fā)溫度、增加制冷劑流量，從而增大制冷量。

圖7 COP隨被冷凍水溫度變化Fig.7 COP varies with chilled water′s temperature

圖8 制冷系統(tǒng)各部件損失比例Fig.8 The exergy loss ratio of refrigeration system′s components

3 結(jié)論

在25 ℃的室溫條件下，對22 ℃下的12 kg蒸餾水進(jìn)行速凍實驗，測量急速冷凍箱的降溫時間、蒸發(fā)器進(jìn)出口溫度和壓縮機(jī)功率，并由實驗數(shù)據(jù)計算出制冷量和COP，得到以下結(jié)論：

1)在被冷凍水高溫階段，蒸發(fā)器進(jìn)口溫度和水溫度差約為25 ℃，存在20 ℃左右的過熱度，蒸發(fā)溫度低，蒸發(fā)壓力低，造成壓縮機(jī)吸氣口比容大，壓縮機(jī)排氣量不變，導(dǎo)致流量減小，使系統(tǒng)的制冷量和COP較小，制冷速度降低。

2)壓縮機(jī)負(fù)荷較低，實際功率只占額定功率的60%左右，因此可以通過提高蒸發(fā)溫度、增加制冷劑流量，從而增大制冷量。

本文受廣東省能源高效清潔利用重點實驗室(華南理工大學(xué))(2013A061401005)項目資助。(The project was supported by South China University of Technology and Guangdong Province Key Laboratory of Efficient and Clean Energy Utilization(No.2013A061401005).)

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About the corresponding author

Xu Xiongwen, male, professor, South China University of Technology，+86 13570324915, E-mail:epxwxu@scut.edu.cn. Research fields: refrigeration and heat transfer.

Experimental Research on Refrigeration Performance of Quick Freezer

Chen Xiaoyi1Liu Jinping1，2Xu Xiongwen1

(1．School of Electric Power，South China University of Technology，Guangzhou, 510640，China；2．State Key Lab of Subtropical Building Science, South China University of Technology，Guangzhou, 510640，China)

The experiment of quick freezer′s refrigeration system is carried out to study it′s cooling curve and refrigeration performance. The experimental results show that: when the refrigeration system of the quick freezer begins to cool down, the evaporation temperature is dropped immediately to be close to the lowest evaporation temperature and the evaporator′s inlet temperature has a difference with water′s temperature about 25 ℃; the lower evaporating temperature leads to the smaller mass flow rate of refrigerant entering the compressor, and compressor′s power accounts for only about 60% of the rated power; the exergy loss is about 41% in the evaporator, thus to make the evaporation temperature match with the indoor temperature of quick freezer is an important means to increase the freezer′s cooling speed sharply.

quick freezer; refrigeration performance; evaporating temperature；experimental research

0253- 4339(2016) 04- 0027- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.04.027

國家自然科學(xué)基金(51506057)資助項目。(The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(No.51506057).)

2016年1月14日

TB61+1； TB657

A

簡介

許雄文，男,講師，華南理工大學(xué)電力學(xué)院，13570324915，E-mail:epxwxu@scut.edu.cn。研究方向：制冷與傳熱。