相變蓄冷商超冷柜的性能研究

韋自妍 劉霞 劉忠寶

北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與生命學(xué)部 北京 100124

1 引言

冷柜廣泛應(yīng)用于超市、酒店和餐廳等行業(yè)，起到冷藏保鮮、延長食物保存期限的作用。由于海外疫情蔓延，人們居家隔離的需求給冰箱和冷柜的出口帶來了新的機(jī)遇，出口增量明顯[1]。冷柜產(chǎn)品在2020年累計收入在由疫情受到?jīng)_擊的家電市場中實(shí)現(xiàn)了正增長，線上市場銷量為451萬臺，同比增長22.8%。在冷柜得到廣泛應(yīng)用時，其能耗帶來的影響也不能被忽略。與冰箱相比，商超冷柜具有展示性好、耗電量大、冷凍溫度低等特點(diǎn)。目前我國碳排放總量居全球第一，為了減少二氧化碳的排放，實(shí)現(xiàn)“碳中和”，研究商超冷柜的節(jié)能問題具有重要意義。相變蓄冷技術(shù)能實(shí)現(xiàn)能量的時間和空間的轉(zhuǎn)移，在可持續(xù)能量使用方面有關(guān)鍵作用，故將相變蓄冷技術(shù)與冷柜結(jié)合利用能起到較好的節(jié)能效果。關(guān)于相變蓄冷技術(shù)的研究大多是基于空調(diào)和冰箱方面，在商超冷柜的應(yīng)用研究基本沒有。而商用冷柜與冰箱的工作原理類似，故關(guān)于相變蓄冷技術(shù)在冰箱方面的研究[2,3]，應(yīng)用在冷柜方面有一定的借鑒意義。陳英姿[4]在冰箱上采用了兩種蓄冷材料作為組合式相變蓄冷材料的蓄冷方法，有效的延長了冰箱的保溫時間。張月[5]選取相變溫度在-3℃的蓄冷材料，測試分析冰箱運(yùn)行階段以及化霜期間溫度波動對比，結(jié)果表明蓄冷劑能有效地減緩冰箱溫度波動。

所以本文在商超冷柜應(yīng)用相變蓄冷材料，將相變蓄冷材料集成在蒸發(fā)器側(cè)。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時蓄冷材料儲存冷量，壓縮機(jī)停機(jī)時，由蓄冷材料釋冷，使蒸發(fā)器側(cè)由于壓縮機(jī)啟停的間歇換熱變?yōu)檫B續(xù)換熱，提高了換熱能力，并能在壓縮機(jī)停機(jī)期間保持冷柜內(nèi)部溫度的穩(wěn)定，保證冷柜內(nèi)部食品的儲藏效果。本文在不同運(yùn)行模式下進(jìn)行停機(jī)溫升實(shí)驗(yàn)和連續(xù)運(yùn)行的溫度波動實(shí)驗(yàn)和能耗測試，從而進(jìn)行分析。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 相變蓄冷材料的選取

對實(shí)驗(yàn)用冷柜運(yùn)行時柜內(nèi)溫度進(jìn)行采集，室溫下冷柜柜內(nèi)設(shè)定溫度為-25℃且冰箱空載，運(yùn)行時蒸發(fā)器平均溫度在-23.8℃左右。由于試驗(yàn)測試溫度傳感器與冷柜自帶溫度傳感器放置位置不同，在冷柜溫控器設(shè)置-25℃時，測得柜內(nèi)溫度范圍在-23℃～-18℃之間。

為了使蓄冷材料可以完全凍結(jié)相變，考慮傳熱溫差等因素，選取濃度為15%的NaCl溶液，其相變溫度為-11℃，相變潛熱為153 kJ/kg。無機(jī)鹽溶液作為蓄冷材料時，在長期重復(fù)使用的過程中會出現(xiàn)結(jié)晶鹽析出的現(xiàn)象，從而會降低蓄冷材料的濃度，影響使用效果，添加適量的增稠劑可以起到減小蓄冷材料流動的作用，故添加5%的高吸水樹脂SAP。同時為了降低蓄冷材料的過冷度，添加0.03%的成核劑硅藻土。對實(shí)驗(yàn)所用相變蓄冷材料進(jìn)行凍結(jié)實(shí)驗(yàn)，將質(zhì)量為550 g相變材料置于環(huán)境溫度-25℃條件下，降溫凍結(jié)相變，如圖1a）和b）所示。測得相變過程中溶液的溫度變化曲線，其結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，15%的NaCl溶液從4000 s后達(dá)到過冷最低溫度-11.4℃，實(shí)驗(yàn)經(jīng)過5250 s后到達(dá)相變溫度-11℃，其過冷度為0.4℃。相變初始溫度為-10.1℃，相變溫度平均值為-10.9℃。

圖1 相變蓄冷材料凍結(jié)實(shí)驗(yàn)

圖2 15%NaCl溶液降溫曲線

冷柜停機(jī)期間的熱損失Q，主要是冷柜的漏熱量包括絕熱保溫層的漏熱量、門封條的漏熱量和箱體結(jié)構(gòu)熱橋的漏熱量。根據(jù)箱體結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過計算得出絕熱層漏熱量為16.49 W；門封條漏熱量為1.73 W；總熱負(fù)荷為q=18.22 W。根據(jù)前期對原機(jī)的測試，常溫下冷柜連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行12小時，在此期間壓縮機(jī)停機(jī)時間按4小時計算，所以冷柜停機(jī)期間的熱損失Q可由式（1）計算：

根據(jù)式（1）計算得出冰箱停機(jī)期間熱損失為262.368 kJ。前文所述選取用在冷柜里的蓄冷材料的相變潛熱值為153 kJ/kg，所以為了滿足停機(jī)期間冷柜的熱負(fù)荷，需要使用相變蓄冷材料的質(zhì)量m計算如式（2）：

根據(jù)式（2）算出需要滿足停機(jī)時長所需的蓄冷材料質(zhì)量至少為2.175 kg。

2.2 相變材料的放置

冷柜裝有管翅式蒸發(fā)器，蒸發(fā)器和風(fēng)機(jī)安裝在柜內(nèi)頂部的艙室內(nèi)。冷柜內(nèi)的制冷方式為風(fēng)冷，因此為了避免蓄冷材料占據(jù)冷柜內(nèi)的有效容積，將蓄冷材料放置在冷柜后壁與豎直擱架擋板之間，從而保證所放的蓄冷材料不會堵塞風(fēng)道，整體放置如圖3所示。采用550 g為一包封裝，根據(jù)前文對所需蓄冷材料質(zhì)量的計算，總共需要在柜里放置四個蓄冷材料包。

圖3 蓄冷材料的放置

2.3 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)是青島海容公司型號SD-460W-H2E的冷凍展示柜，如圖4所示。主要性能參數(shù)如表1。

表1 冷柜主要參數(shù)

圖4 商超冷柜外觀

3 相變蓄冷商超冷柜的性能研究

冷柜正常運(yùn)行時，制冷劑離開壓縮機(jī)流經(jīng)蒸發(fā)器，蒸發(fā)器位于冷柜內(nèi)部上方，在蒸發(fā)器側(cè)的風(fēng)扇的運(yùn)轉(zhuǎn)下，冷柜內(nèi)部空氣流動與蒸發(fā)器表面換熱降溫，從而使得冷柜內(nèi)部溫度降低。當(dāng)壓縮機(jī)停機(jī)后，風(fēng)扇關(guān)閉，無制冷劑流經(jīng)蒸發(fā)器為柜內(nèi)提供冷源，冷柜內(nèi)部溫度逐漸升高，到設(shè)定值后壓縮機(jī)重新開啟，制冷系統(tǒng)開始運(yùn)轉(zhuǎn)。添加相變蓄冷材料后，壓縮機(jī)開啟時，冷柜內(nèi)部溫度降低的同時，相變蓄冷材料凍結(jié)。壓縮機(jī)停機(jī)后，蓄冷材料釋冷與冷柜內(nèi)部環(huán)境換熱，從而保持柜內(nèi)溫度穩(wěn)定，減緩溫度上升幅度。據(jù)此理論分析展開以下實(shí)驗(yàn)，對相變蓄冷商超冷柜的性能進(jìn)行研究。

根據(jù)GB/T 21001.2-2015布置冷柜內(nèi)部試驗(yàn)包及測溫點(diǎn)，用于測試添加蓄冷材料前后冷柜的性能，如圖5。添加蓄冷材料組的測溫點(diǎn)編號為M1～M3，未添加蓄冷材料組的測溫點(diǎn)編號為M4～M6。

圖5 測溫點(diǎn)的布置

3.1 原機(jī)溫升實(shí)驗(yàn)

為了保證蓄冷材料在不同運(yùn)行工況下完全凍結(jié)，需要使冷柜連續(xù)運(yùn)行，柜內(nèi)溫度趨于穩(wěn)定后再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。以冷柜穩(wěn)定運(yùn)行一段時間后停機(jī)60 min內(nèi)溫度回升作為標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)測試蓄冷溫升效果，觀察停機(jī)后放置與未放置蓄冷材料的冷柜內(nèi)溫度回升情況對比。

在室溫25℃工況下，冷柜穩(wěn)定運(yùn)行一段時間后，圖6中M1～M3是柜內(nèi)放置蓄冷材料的測溫點(diǎn)溫升曲線，M4～M6是未放置蓄冷材料的溫升曲線。

從圖6中發(fā)現(xiàn)添加蓄冷材料的冷柜內(nèi)部，經(jīng)過60 min后測點(diǎn)M1和測點(diǎn)M2的平均溫度為-14.1℃和-14.3℃，測點(diǎn)M3的溫度回升最快，平均溫度為-12.8℃，溫升幅度為4.8℃。未放置蓄冷材料的柜內(nèi)測點(diǎn)M4和測點(diǎn)M5的平均溫度為-11.2℃和-11.8℃，測點(diǎn)M6的溫度回升最快，該點(diǎn)平均溫度為-9.8℃，溫升幅度為8.3℃。

圖6 25℃放置/未放置蓄冷材料柜內(nèi)溫度回升

經(jīng)過60 min之后不放置蓄冷材料的溫度整體回升速度快于放置蓄冷材料的柜內(nèi)溫度回升，相同測點(diǎn)的溫度測量值平均相差3℃。因此，放置蓄冷材料使得溫度回升幅度減緩可達(dá)42.17%。此外，放置蓄冷材料組的穩(wěn)定溫度明顯低于未放置蓄冷材料組，即放置蓄冷材料組的溫度穩(wěn)定性更好。

在環(huán)境溫度0℃下連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，觀察停機(jī)60 min后是否添加相變蓄冷材料的冷柜內(nèi)溫升情況。如圖7中M1～M3是放置蓄冷材料冷柜內(nèi)溫升曲線，M4～M6是不放置蓄冷材料時柜內(nèi)溫升曲線。從圖7中發(fā)現(xiàn)添加蓄冷材料的冷柜內(nèi)，測點(diǎn)M1的溫度回升到-15.2℃，測點(diǎn)M2和M3的溫度上升到-14.7℃和-14.3℃，三個測點(diǎn)平均溫度最高是M3，為-15.32℃。溫升最快的點(diǎn)仍為M3，溫升幅度4.3℃。不添加蓄冷材料的冷柜內(nèi)，測點(diǎn)M4和M5的溫度上升到-11.9℃和-11.5℃，測點(diǎn)M6的溫度回升到-11℃，溫度升高了6.5℃。三個測點(diǎn)平均溫度最高M(jìn)6點(diǎn)，為-13.66℃。由此可見添加蓄冷材料最高可使得在環(huán)境溫度0℃下溫升幅度減緩33.85%。

圖7 0℃放置/未放置蓄冷材料柜內(nèi)溫度回升

3.2 連續(xù)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

由于冷柜達(dá)到設(shè)定溫度-25℃后壓縮機(jī)會停機(jī)，一段時間后溫度回升到溫控器顯示-19℃時壓縮機(jī)會重新啟動，這樣的啟停會對冷柜內(nèi)的負(fù)載的溫度產(chǎn)生波動。對有無放置蓄冷材料冷柜內(nèi)溫度波動進(jìn)行測量，觀察不同環(huán)境溫度下連續(xù)運(yùn)行過程中壓縮機(jī)啟停對冷柜內(nèi)各測溫點(diǎn)的溫度波動的影響情況。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比分析得出結(jié)論。

在環(huán)境溫度25℃情況下，冷柜運(yùn)行達(dá)到設(shè)定溫度且穩(wěn)定運(yùn)行后，記錄120 min內(nèi)測溫點(diǎn)溫度與輸入功率的變化。

圖8是柜內(nèi)放置/不放置蓄冷材料的測溫點(diǎn)溫度波動曲線圖。從圖8中可以看出，經(jīng)過120 min之后，放置蓄冷材料組的最高溫度為-18.86℃，未放置蓄冷材料組的最高溫度為-18.05℃，放置蓄冷材料組的最高溫度低于未放置蓄冷材料組的最高溫度。

對比圖8各點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)添加蓄冷材料和不添加蓄冷材料的冷柜在連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行120 min的過程中，添加蓄冷材料組測點(diǎn)溫度波動范圍在2.5℃以內(nèi)，三個測點(diǎn)平均溫度為-19.12℃；未添加蓄冷材料組三個測點(diǎn)溫度波動范圍在3.05℃以內(nèi)，三個測點(diǎn)平均溫度-18.79℃。兩組相比相差不大，但添加蓄冷材料組的溫度整體偏低，因此看出冷柜在添加蓄冷材料后的連續(xù)運(yùn)行過程中，冷柜內(nèi)溫度更低，有利于冷柜內(nèi)部食品的保存。

圖8 25℃連續(xù)運(yùn)行測溫點(diǎn)溫度波動

從圖9的功率對比可以看出，添加蓄冷材料后在壓縮機(jī)開機(jī)運(yùn)行時功率相對不添加蓄冷材料有所升高，但是由于蓄冷材料更能穩(wěn)定內(nèi)部的溫度，使得溫度回升速率減慢，從而減少壓縮機(jī)啟停次數(shù)，延長停機(jī)時間。在120 min內(nèi)壓縮機(jī)啟停次數(shù)減少1次。添加蓄冷材料組的單次壓縮機(jī)停機(jī)時長6.17 min，未添加蓄冷材料組的壓縮機(jī)單次停機(jī)時長4.5 min。由此可見添加蓄冷材料使得壓縮機(jī)停機(jī)時長平均增加37.11%。添加了蓄冷材料組的壓縮機(jī)啟停運(yùn)轉(zhuǎn)周期更加穩(wěn)定，減小了因壓縮機(jī)頻繁啟停過程造成的能耗，對延長壓縮機(jī)使用壽命有利。

圖9 25℃連續(xù)運(yùn)行功率變化

在環(huán)境溫度0℃情況下，冷柜運(yùn)行達(dá)到設(shè)定溫度后穩(wěn)定運(yùn)行120 min后，測定在此期間溫度波動和功率變化曲線。如圖10是柜內(nèi)添加/不添加蓄冷材料的測溫點(diǎn)溫度波動曲線圖。對比圖10各點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)添加蓄冷材料和不添加蓄冷材料的冷柜在連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行兩個小時的過程中，添加蓄冷材料的這一組測點(diǎn)的溫度波動相對比較均勻，溫度波動范圍在1.6℃以內(nèi)，三點(diǎn)的平均溫度為-19.59℃；未添加蓄冷材料組三個測點(diǎn)的平均溫度-18.38℃，溫度波動范圍在2.9℃以內(nèi)。因此看出冷柜在添加蓄冷材料后的連續(xù)運(yùn)行過程中，冷柜內(nèi)溫度更低，溫度波動更小，在保存食物方面更有優(yōu)勢。

圖10 0℃放置/未放置冷柜負(fù)載溫度波動

從實(shí)驗(yàn)測得數(shù)據(jù)計算對比不同環(huán)境溫度下兩組的輸入功率，其結(jié)果如圖11所示。添加蓄冷材料組的功率與未添加蓄冷材料組的功率相比，雖然壓縮機(jī)啟停次數(shù)相同均為7次，但是顯然添加蓄冷材料的工況下停機(jī)時間稍長一些。放置蓄冷材料平均停機(jī)時長6.35 min，未放置蓄冷材料組平均停機(jī)時長4.64 min，二者相比，放置蓄冷材料組的停機(jī)時間延長了36.8%。

圖11 0℃連續(xù)運(yùn)行功率變化

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得數(shù)據(jù)，計算對比兩組的耗電量，其結(jié)果如表2所示。由表2可知，在環(huán)境溫度25℃時添加蓄冷材料的冷柜連續(xù)運(yùn)行的耗電量與未添加蓄冷材料的冷柜連續(xù)運(yùn)行的耗電量相比減少了2.02%。在環(huán)境溫度0℃時添加蓄冷材料的冷柜連續(xù)運(yùn)行的耗電量與未添加蓄冷材料的冷柜連續(xù)運(yùn)行的耗電量相比減少了4.87%。

表2 耗電量對比

4 結(jié)論

隨著節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展，在冷柜蓄冷可以有效的降低冷柜的運(yùn)行成本，因此本文通過分析總結(jié)國內(nèi)外蓄冷技術(shù)和蓄冷材料的研究現(xiàn)狀，設(shè)計蒸發(fā)蓄冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案，并通過冷柜樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。得出以下結(jié)論：

（1）停機(jī)溫升實(shí)驗(yàn)表明，環(huán)境溫度25℃和0℃時，相同時長內(nèi)放置蓄冷材料組的冷柜溫度回升幅度比未放置蓄冷材料組分別減緩42.17%和33.85%。

（2）連續(xù)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)添加蓄冷材料可以有效減緩溫度波動，同時在環(huán)境溫度25℃和環(huán)境溫度0℃中分別減少2.02%和4.87%的耗電量，停機(jī)時間分別延長37.11%和36.8%。

（3）在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)冷柜內(nèi)溫度測點(diǎn)存在一定的溫差，據(jù)此需要改進(jìn)蓄冷材料的布置方式，使得冷柜內(nèi)溫度更加均勻。

（3）蓄冷材料的封裝容器可以加以改進(jìn)，減少蓄冷材料的泄漏。