乙二醇蓄冷庫(kù)的設(shè)計(jì)和性能

孫 靜，陳 全，王希卓 ，楊 琴 ，龐中偉 ，程勤陽(yáng)

（1.農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100121；2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)后處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100121）

我國(guó)是水果蔬菜生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，每人每年消費(fèi)果蔬的量約為1 t[1]，為保障新鮮水果和蔬菜的穩(wěn)定供應(yīng)，果蔬保鮮必不可少[2]。保鮮冷庫(kù)是農(nóng)副產(chǎn)品保鮮的主體設(shè)施，但因能耗大，運(yùn)行成本高，增加了果蔬保鮮的成本，其推廣應(yīng)用受到影響。同時(shí)，我國(guó)正致力于發(fā)展節(jié)能型社會(huì)，傳統(tǒng)保鮮冷庫(kù)運(yùn)行時(shí)，會(huì)顯著加重用電高峰時(shí)的電網(wǎng)負(fù)荷，如何通過設(shè)計(jì)節(jié)能運(yùn)行成本，減少電網(wǎng)負(fù)荷，是貯藏保鮮設(shè)施研究的重要方向之一。

蓄冷技術(shù)是利用某些工程材料的顯熱、潛熱或化學(xué)反應(yīng)熱的特性，貯藏冷能并加以合理使用的一種實(shí)用貯能技術(shù)[3]。實(shí)際應(yīng)用中是在夜間電力負(fù)荷低谷時(shí)，運(yùn)行制冷設(shè)備并將其產(chǎn)生的冷量存儲(chǔ)在蓄冷介質(zhì)中，然后在白天電力負(fù)荷高峰時(shí)期釋放此冷量，滿足各種冷負(fù)荷需求[4-5]。上世紀(jì)70年代能源危機(jī)的出現(xiàn)，使蓄冷技術(shù)得到了快速發(fā)展，因其在節(jié)能、環(huán)保和降低制冷成本上的顯著優(yōu)勢(shì)[6]，蓄冷技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于暖通、食品、化工、醫(yī)療等許多領(lǐng)域[7-17]。

目前可以用于冷庫(kù)設(shè)計(jì)的蓄冷技術(shù)包括冷凝水蓄冷技術(shù)、高溫冷庫(kù)冰蓄冷技術(shù)、蓄冰技術(shù)、蓄冷板蓄冰技術(shù)和濕冷技術(shù)[18-20]。其中冷凝水蓄冷技術(shù)帶有蓄能型冰水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，應(yīng)用最多，但因載冷劑是無機(jī)鹽-水溫合物，腐蝕性強(qiáng)，推廣受到限制。乙二醇是一種常見的載冷劑，其腐蝕性弱于無機(jī)鹽-水溫合物，蓄冷能力強(qiáng)于無機(jī)鹽-水溫合物[21]，將其用于蓄冷制冷系統(tǒng)，運(yùn)行成本更低[22]。目前乙二醇已被廣泛應(yīng)用于冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)[23]，但在果蔬貯藏保鮮蓄冷制冷系統(tǒng)方面還鮮有研究。

本研究以乙二醇為載冷劑，研制適用于果蔬貯藏的乙二醇蓄冷庫(kù)，并對(duì)乙二醇蓄冷庫(kù)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱流量、冷風(fēng)機(jī)制冷量、溫度波動(dòng)性和耗電量等冷庫(kù)熱工性能進(jìn)行了分析，為探討此類冷庫(kù)應(yīng)用的可能性提供了科學(xué)基礎(chǔ)。

1 乙二醇蓄冷系統(tǒng)原理

乙二醇蓄冷庫(kù)制冷系統(tǒng)通過制冷循環(huán)系統(tǒng)、蓄冷劑循環(huán)系統(tǒng)和保鮮庫(kù)制冷系統(tǒng)3個(gè)循環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)用載冷劑蓄冷，為果蔬保鮮提供冷源（圖1）。壓縮機(jī)組通過制冷循環(huán)將蓄冷劑循環(huán)系統(tǒng)中的蓄冷劑進(jìn)行降溫，并將冷能貯藏在蓄冷劑中，當(dāng)蓄冷劑降到指定溫度時(shí)，壓縮機(jī)組停止工作。之后用蓄冷劑貯藏的冷能供應(yīng)保鮮庫(kù)制冷系統(tǒng)，直到蓄冷劑貯藏的冷能不再滿足保鮮庫(kù)的冷量需求，壓縮機(jī)再次啟動(dòng)。

2 乙二醇蓄冷庫(kù)試制

2.1 乙二醇蓄冷庫(kù)設(shè)計(jì)

2.1.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度

蓄冷庫(kù)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要是指蓄冷庫(kù)選用的保溫材料。研究中的蓄冷庫(kù)為裝配式冷庫(kù)，北京地區(qū)常用的裝配式冷藏庫(kù)保溫材料是聚氨酯泡沫塑料夾心板。按設(shè)計(jì)溫度是0～5℃，參考李明忠[24]的方法，計(jì)算蓄冷庫(kù)隔熱材料厚度應(yīng)大于94 mm。

2.1.2 冷藏間制冷負(fù)荷

根據(jù)郭孝禮[21]的方法，蓄冷庫(kù)冷藏間的設(shè)備負(fù)荷由圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量、貨物熱量、通風(fēng)換氣熱量、電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)熱量、操作熱量組成公式（1），各類熱量的計(jì)算公式見公式（2）~（7）。

式中：Qq表示冷藏間設(shè)備負(fù)荷，W；Q1表示圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量，W；Q2表示貨物熱量，W；Q3表示通風(fēng)換氣熱量，W；Q4表示電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)熱量，W；Q5表示操作熱量，W；P表示負(fù)荷系數(shù)。

式中：Q1表示圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量，W；k表示護(hù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；A表示圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱面積，m2；α表示圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)溫差修正系數(shù)；tW表示圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)的計(jì)算溫度，℃；tN表示圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)的計(jì)算溫度，℃。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)是k為0.33 W/(m2·℃)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱面積47 m2，圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)溫差修正系數(shù)α=1.10，tW采用夏季空氣調(diào)節(jié)日平均溫度，北京地區(qū)為29℃，tN為0℃。根據(jù)公式（2），圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量Q1=0.33×47×1.1×（29-0）≈495 W。

式中：Q2a表示貨物熱量，W；Q2b表示包裝材料和運(yùn)輸工具熱量，W；Q2c表示貨物冷卻時(shí)的呼吸熱量，W；Q2d表示貨物冷藏時(shí)的呼吸熱量，W；G’表示冷藏間每天進(jìn)貨量，kg；h1表示貨物進(jìn)入冷藏間初始溫度時(shí)的含熱量，kJ/kg；h2表示貨物在冷藏間內(nèi)終止溫度時(shí)的含熱量，kJ/kg；T表示貨物冷卻時(shí)間，h；B表示貨物包裝材料或運(yùn)載工具重量系數(shù)；Cb表示包裝材料或運(yùn)載工具的比熱容，kJ/(kg·℃)；t1表示包裝材料或運(yùn)載工具進(jìn)入冷藏間的溫度，℃；t2表示包裝材料或運(yùn)載工具在冷藏間內(nèi)終止降溫時(shí)的溫度，℃；q1表示貨物冷卻初始溫度時(shí)的呼吸熱量，W/kg；q2表示貨物冷卻終止溫度時(shí)的呼吸熱量，W/kg；Gn表示冷卻物冷藏間的冷藏量，kg。

按貯藏果品為蘋果計(jì)算，Gn為10 000 kg，G’為貯藏量的10%，為1 000 kg；進(jìn)貨溫度為25℃，對(duì)應(yīng)的h1、t1和q1分別是 366.2 kJ/kg、25 ℃和 0.149 W/kg[21]；終止溫度為0℃，對(duì)應(yīng)的h2、t2和q2分別是271.9kJ/kg、0℃和0.010 7 W/kg；貨物為鮮食水果時(shí)，B為0.25；冷卻時(shí)間T為24 h；包裝材料為瓦楞紙箱，Cb為1.47 kJ/(kg·℃)。因此，Q2=1/3.6×[1 000×（366.2-271.9）/24+1 000 ×0.25×（25-0）×1.47/24]+1 000 ×（0.149+0.010 7）/2+（10 000-1 000）×0.010 7≈1 374 W。

式中：Q3表示通風(fēng)換氣熱量，W；Q3a表示冷間換氣熱量，W；Q3b表示操作人員需要的新鮮空氣熱量，W；hW表示室外空氣的含熱量，kJ/kg；hN表示室內(nèi)空氣的含熱量，kJ/kg；n表示每天換氣次數(shù)；V表示冷藏間內(nèi)凈容積，m3；ρn表示冷藏間內(nèi)空氣密度，kg/m3。

設(shè)計(jì)的乙二醇蓄冷庫(kù)用于存放新鮮果蔬，操作人員停留時(shí)間短，所以Q3＝Q3a。計(jì)算時(shí)，hW按北京夏季通風(fēng)室外溫度和通風(fēng)室外相對(duì)濕度取值71.162 kJ/kg；hN按冷藏間設(shè)計(jì)溫度和相對(duì)濕度取值8.456 kJ/kg；每天換氣次數(shù)2次，冷藏間凈容積為5 m×3.5 m×2.8 m=49 m3，冷藏間內(nèi)空氣密度為1.29 kg/m3。根據(jù)公式（4）和（5），Q3＝1/3.6×（71.162-8.456）×2×49×1.29/24≈92W。

式中：Q4表示電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)熱量，W；ρ表示電動(dòng)機(jī)額定功率，kW；ζ表示熱轉(zhuǎn)化系數(shù)；ρ′表示電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間系數(shù)。

乙二醇蓄冷庫(kù)冷藏間內(nèi)的電動(dòng)機(jī)只有冷風(fēng)機(jī)上的電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)在冷藏間內(nèi)，所以ζ和ρ′均取1。根據(jù)公式（6），Q4＝1 000×0.225×1×1＝225 W。

式中：Q5表示操作熱量，W；Q5a表示照明熱量，W；Q5b表示開門熱量，W；Q5c表示操作人員熱量，W；qd表示每平方米地板面積照明熱量，W/m2；F表示冷藏間地面面積，m2；V表示冷藏間的公稱容積，m3；n表示每天換氣次數(shù)；hW表示室外空氣的含熱量，kJ/kg；hN表示室內(nèi)空氣的含熱量，kJ/kg；M表示空氣幕效率修正系數(shù)；ρn表示冷藏間內(nèi)空氣密度，kg/m3；nr表示操作人員數(shù)，人；qr表示每個(gè)操作人員產(chǎn)生熱量，W/人。

qd為 2.3 W/m2；F=17.5 m2；V=49 m3；n為 2，hW和hN分別為71.162 kJ/kg和8.456 kJ/kg；乙二醇蓄冷庫(kù)設(shè)有空氣幕，M為 0.5；ρn為 1.29 kg/m3；nr為 2；qr為280 W/人。根據(jù)公式（7），Q5=2.3×17.5+0.277 8×49×2×(71.162-8.456)×0.5×1.29/24+3/24×2×280≈156 W。

單個(gè)冷藏間冷負(fù)荷Qq=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5＝495+1 374+92+225+156＝2 342 W。

2.1.3 壓縮機(jī)功率

乙二醇蓄冷庫(kù)制冷壓縮機(jī)功率要滿足波谷電時(shí)工作需要，此時(shí)段既要滿足冷藏間的設(shè)備負(fù)荷，又要對(duì)載冷劑進(jìn)行蓄冷以滿足白天波峰電時(shí)冷藏間制冷設(shè)備負(fù)荷。公式（8）和（9）分別給出了波谷蓄冷時(shí)每小時(shí)設(shè)備負(fù)荷和非蓄冷時(shí)段總負(fù)荷的計(jì)算公式。

式中：Qg表示波谷時(shí)每小時(shí)的設(shè)備負(fù)荷，W；Qx表示波谷時(shí)給蓄冷劑降溫的設(shè)備負(fù)荷，W；Qq表示冷藏間設(shè)備負(fù)荷，W；Uf表示波峰時(shí)期的總負(fù)荷，W·h；Tg表示波谷時(shí)間，h；Tf表示波峰時(shí)間，h。

根據(jù)北京市發(fā)展和改革委規(guī)定[25]，每天波谷時(shí)間8 h，波平、波峰和波尖峰時(shí)間共16 h，因此Qg=Qq×16/8+Qq≈7 026 W，即蓄冷庫(kù)制冷壓縮機(jī)的制冷量應(yīng)達(dá)到7 026 W，才能保證蓄冷庫(kù)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.1.4 蒸發(fā)器蒸發(fā)面積

冷風(fēng)機(jī)面積計(jì)算公式如下。

式中：F表示冷風(fēng)機(jī)面積，m2；QL表示冷風(fēng)機(jī)負(fù)荷，W；K表示冷風(fēng)機(jī)傳熱系數(shù)，kJ/(m2·h·℃)；Δt表示庫(kù)房空氣溫度與蒸發(fā)溫度之差，℃。

按冷藏間用途QL＝Q2＝1 374 W，冷風(fēng)機(jī)傳熱系數(shù)K取 43.2 kJ/(m2·h·℃)[24]，Δt庫(kù)房空氣溫度與蒸發(fā)溫度之差，取5℃，根據(jù)公式（10），冷風(fēng)機(jī)的蒸發(fā)面積F＝1 374×3.6/(43.2×5)=23 m2。

2.1.5 蓄冷劑用量

蓄冷劑體積計(jì)算公式如下。

式中：Q表示熱量，J；C表示比熱容，J/(kg·℃)；E表示蓄冷工質(zhì)密度，kg/m3；t2表示物體末溫度，℃；t1表示物體初溫度，℃。

根據(jù)公式（9），波峰時(shí)期的總負(fù)荷Uf=2 342 W×16 h≈37.5 kW·h=1.349×105kJ。蓄冷劑蓄冷量應(yīng)大于等于波峰時(shí)期的總負(fù)荷，實(shí)際中使用37.8%的乙二醇溶液作為蓄冷劑，其比熱容為3.5 kJ/(kg·℃)，密度為1 050 kg/m3左右。根據(jù)公式（11），蓄冷劑體積V≥1.349×105/(3.5×1 050×10)≈3.67 m3。

2.2 乙二醇蓄冷庫(kù)試制

2.2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型

為保證實(shí)際應(yīng)用中冷庫(kù)溫度更加穩(wěn)定，結(jié)合“2.1.1”的分析計(jì)算，圍護(hù)結(jié)構(gòu)選用150 mm厚聚氨酯泡沫塑料夾心板。

2.2.2 壓縮機(jī)選型

選用比澤爾二缸壓縮機(jī)（2DES-2）和“丹佛斯”制冷配件，匹配“V”型冷凝器，設(shè)計(jì)安裝成BJ2DES-803FL風(fēng)冷壓縮冷凝機(jī)組，最大輸入功率2.65 kW，所選制冷壓縮機(jī)組在-10/40℃工況下產(chǎn)冷量為6 990 W，大于7 026 W，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2.3 冷風(fēng)機(jī)選型

選用嵊州市普迪制冷電器有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為DD6.0/30，蒸發(fā)器的名義制冷量為6.0 kW，蒸發(fā)面積為30 m2，一臺(tái)蒸發(fā)器有三個(gè)軸流風(fēng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)功率合計(jì)225 W。

2.2.4 蓄冷箱選型和實(shí)際尺寸

蓄冷箱外部尺寸1 800 mm×1 800 mm×2 300 m，蓄冷箱的材料選用304不銹鋼，每個(gè)側(cè)面設(shè)計(jì)了三道加強(qiáng)筋，箱體內(nèi)壁均采用硬質(zhì)聚氨酯保溫板進(jìn)行了保溫處理，有效容積3.94 m3；箱體外部安裝了玻璃的液位計(jì)，可隨時(shí)顯示箱體內(nèi)乙二醇的液位高度；同時(shí)在箱體的側(cè)面還設(shè)置了測(cè)溫口，后部下方設(shè)置放液口，上部側(cè)面設(shè)置溢流口，頂部設(shè)置可進(jìn)行人工檢修和實(shí)驗(yàn)入口。整個(gè)箱體都進(jìn)行了一定程度的密封處理。

2.2.5 乙二醇蓄冷庫(kù)試制

根據(jù)設(shè)計(jì)選型研究結(jié)果，在北京順義建設(shè)乙二醇蓄冷保鮮庫(kù)一座。冷庫(kù)外框尺寸5 040 mm×3 510 mm×2 800 mm，庫(kù)內(nèi)凈尺寸 4 705 mm×3 204 mm×2 500 mm，容積37.69 m3，維護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)際平均厚度157 mm。乙二醇供液泵選用南方泵業(yè)有限公司的CHL2-20LSWSC水泵，流量為2 m3/h，揚(yáng)程為15 m，功率為0.37 kW，均大于設(shè)計(jì)數(shù)值。

3 乙二醇蓄冷庫(kù)性能分析

3.1 儀器與設(shè)備

MW100型數(shù)據(jù)采集器，日本橫河電機(jī)株式會(huì)社；HMT100型溫濕度傳感器，芬蘭VAISALA儀器有限公司；37000-00型風(fēng)速計(jì)，美國(guó)TRI-SENSE儀器有限公司；ZW3432BT型數(shù)字電量表，青島青智儀器有限公司；FLCS2011型超聲波流量計(jì)，日本FUSI株式會(huì)社。

3.2 方法

3.2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)

采用GB/T 30103.3—2013[26]中的熱平衡法測(cè)定蓄冷庫(kù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱流量。

3.2.2 冷風(fēng)機(jī)制冷量

采用GB/T 30103.2—2013[27]中的方法測(cè)定并計(jì)算蓄冷庫(kù)冷風(fēng)機(jī)制冷量。

3.2.3 耗電量

采用GB/T 30103.3—2013[26]附錄A的方法測(cè)定并計(jì)算蓄冷庫(kù)的耗電量。工況設(shè)定為庫(kù)內(nèi)貯存葡萄，庫(kù)內(nèi)加熱功率（等同于葡萄的呼吸熱）平均值為0.92 kW，庫(kù)內(nèi)容積利用系數(shù)為0.40，庫(kù)內(nèi)葡萄計(jì)算密度為 350 kg/m3。

3.2.4 溫度

采用GB/T 30103.1—2013[28]中的方法測(cè)定蓄冷庫(kù)庫(kù)內(nèi)溫度。

3.3 結(jié)果

3.3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)

根據(jù)傳熱學(xué)對(duì)傳熱系數(shù)的定義可知，圍護(hù)結(jié)果傳熱系數(shù)表征了冷庫(kù)的保溫性能，數(shù)值越大，說明冷庫(kù)保溫性能越差，反之說明保溫性能越好。研制的乙二醇蓄冷庫(kù)設(shè)計(jì)溫度是0～5℃，根據(jù)SB/T 10797—2012[29]的規(guī)定，此設(shè)計(jì)溫度的冷庫(kù)傳熱系數(shù)應(yīng)當(dāng)小于等于0.34 W/(m2·℃)。實(shí)際中，研制的乙二醇蓄冷庫(kù)傳熱系數(shù)為0.20 W/(m2·℃)，低于標(biāo)準(zhǔn)值41.1%，已達(dá)到-23℃冷庫(kù)的要求（表1）。

表1 庫(kù)體的傳熱系數(shù)和面積熱流量Table 1 Heat transfer coefficient and heat flow per unit area of storehouse

3.3.2 冷風(fēng)機(jī)制冷量

研制的乙二醇蓄冷庫(kù)冷風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口平均風(fēng)速為3.18 m/s，出風(fēng)口平均風(fēng)速為10.22 m/s，冷風(fēng)機(jī)制冷量為5.4 kW，接近冷風(fēng)機(jī)銘牌標(biāo)定值6.0 kW。

3.3.3 耗電量

如表2所示，按照每天壓縮機(jī)工作8 h，水泵和蒸發(fā)器工作24 h計(jì)算得到研制的乙二醇蓄冷庫(kù)的耗電量為35.48 kW·h·d-1，與容積為40 m3的傳統(tǒng)裝配式冷庫(kù)相比（用電量45 kW·h·d-1），耗電量降低21.16%。

表2 研制的乙二醇蓄冷庫(kù)耗電量Table 2 Power consumption of the cold storage with ethylene glycol as refrigerant

3.3.4 庫(kù)內(nèi)溫度

庫(kù)內(nèi)溫度的不均勻性是指庫(kù)體內(nèi)部各處溫度一致性的程度，該值越小，表征庫(kù)內(nèi)溫度越均勻；庫(kù)內(nèi)溫度波動(dòng)值是指庫(kù)體內(nèi)部溫度波動(dòng)情況，反應(yīng)庫(kù)體的溫度控制精度和控制能力，波動(dòng)值越小，說明庫(kù)內(nèi)溫度越穩(wěn)定。研制的乙二醇蓄冷庫(kù)溫度不均勻性檢測(cè)結(jié)果如表3所示，通過比較可知，研制的乙二醇蓄冷庫(kù)的溫度不均勻性和溫度波動(dòng)值均符合標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求[29]。

表3 研制的乙二醇蓄冷庫(kù)的溫度不均勻性Table 3 Temperature nonuniformity of the cold storage with ethylene glycol as refrigerant 單位：℃

4 結(jié)論

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，研制的乙二醇蓄冷庫(kù)性能良好，其中圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能好，冷風(fēng)機(jī)制冷量達(dá)到5.4 kW，庫(kù)內(nèi)溫度的不均勻性和庫(kù)內(nèi)溫度波動(dòng)值均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，耗電量比傳統(tǒng)裝配工冷庫(kù)降低21.16%。

接下來應(yīng)進(jìn)一步研究乙二醇蓄冷庫(kù)實(shí)際應(yīng)用的具體優(yōu)化工藝和技術(shù)，比較乙二醇蓄冷庫(kù)與傳統(tǒng)裝配式冷庫(kù)在果蔬保鮮效果和綜合經(jīng)濟(jì)效益等方面的差異，探討乙二醇蓄冷庫(kù)實(shí)際應(yīng)用的可能性。