制冷系统液体冷媒融霜与电热融霜的对比研究-论文

1、第 1 4卷第 1期 2 0 1 5年 2月 热 科 学 与 技 术 J o u r n a l o f T h e r ma l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y Vo Ll 4 No 1 F e b 2 01 5 文章编 号 ： 1 6 7 1 8 0 9 7 ( 2 0 1 5 ) 0 1 0 0 4 0 0 5 D OI ： 1 0 1 3 7 3 8 j i s s n 1 6 7 1 8 0 9 7 2 0 1 5 0 1 0 0 7 制冷 系统液体冷媒融霜与 电热 融霜 的对 比研 究 臧 润 清， 刘 建 勋 ， 袁 波 ， 刘 琦

2、 (天津商业大学 天津市制冷技术重点实验室 冷冻冷藏技术教育部工 程研 究 中心 天津市制冷技术工程 中心 ，天津 3 0 0 1 3 4) 摘要 ：对冷库冷风机液体冷媒融霜和电热融霜过程中， 库温的升高状况和能耗大小进行了实验研究。介绍 了液体冷媒 融霜实验原理和 自动控制操作 过程， 电热融霜和液体 冷媒 融霜库温升高实验 的装置和方法。对比 分析 实验结果 ， 重点对 库温升高状况和融霜能耗进行 了分析研究 ， 结果表明 ： 液体冷媒 融霜过程 比电热融霜过 程 的库温 升高 约少 1 O ， 在库房无负荷的条件 下， 液体冷媒 融霜过程各工况 库温平均 升高几 乎为零 ； 液体冷 媒

3、融霜 比电热融霜 时间约长 2 5 ra i n ， 能耗 降低 9 。 关键 词 ：电热 融霜 ； 液体 冷媒 融霜 ； 融霜 速率 ； 融霜 过程 中图分 类号 ： T B 6 5 7 文献标 识码 ：A 0 引 言 1 液体冷媒融霜制冷 系统 随着居民生活水平 的提高， 冷 藏冷冻行业不 断发展壮大， 冷库是其发展 的关键组成部分。小 型冷库多采用风冷式冷风机 ， 对于冷却空气 的蒸 发器 ， 当蒸发器冷却管组表面温度低于空气露点 温度时 ， 冷却管组表面就会结露或结霜。冷库制 冷系统工作于结霜工况 ， 冷却管组表面 的霜层厚 度在冷却空气的过程中会逐渐增加。如果不及时 融霜， 霜层热阻

4、将导致蒸 发器的传热性能迅速下 降 ； 霜层又会减小空气通道面积( 甚至堵塞空气通 道) ， 增大空气 流动阻力， 造成冷库制冷装置 的总 体性能下降。因此 ， 冷库制冷系统要保持高效、 稳 定地运行就必须适时地进行融霜 。多年来制冷行 业一直在寻找节能且有效的融霜方法 1 ， 一般的 融霜方法普遍存在融 霜困难、 融霜过程 中库 内温 度升高较快、 及耗电量大等问题 。本文 主要介绍 液体冷媒融霜的融霜原理和实验过程 ， 对 比研究 液体冷媒融霜和 电热融霜融霜过程中库 内空气温 升和耗 电情 况 。 液体冷媒融霜是将冷凝器或高压贮液器中的 高压中温液体冷媒送入结霜蒸发器进行融霜的方 法 。

5、现阶段研究的制冷系统应用双蒸发器相互切 换制冷与融霜。工作流程 ： 从压缩机排 出的高温 高压气体经冷凝器冷凝 成高压液体 ， 再经高压贮 液器、 干燥过滤器进入结霜蒸发器， 由于高压的液 体冷媒温度远高于 0， 可使蒸发管组温度升高 ， 促使蒸发器表面的结霜层加热融化 ； 被融霜蒸发 器排 出的过冷液体冷媒经节流机构节流降压后进 入制冷蒸发器 ， 制冷蒸 发器产生的蒸汽被压缩机 吸入； 当制冷蒸发器结霜厚度达某一极限时电磁 阀切换 ， 融霜 蒸发 器和 制冷 蒸发 器调换 ， 重复 以上 循环 。 制冷系统原理如 图 l所示 ， 组合 阀如图 2所 示 。制冷过 程 ： 电磁 阀 打开 ，

6、电磁 阀 关闭， 双联蒸发器 中的两组蒸发器同时制冷 。 蒸发器 1融霜 、 蒸 发器 2制冷 ： 电磁 阀 打 开， 电磁阀关闭。蒸发器 2 融霜、 蒸发 器 1 制冷 ： 电磁 阀打开， 电磁阀 关闭 。 收稿 日期 ：2 0 1 4 0 9 0 1 ： 修回日期 ：2 0 1 4 1 1 0 7 基金项 目：天津市创新团队资助项 目 食品冷链装置节能及储运新技 术( TD 1 2 - 5 0 4 8 ) 作者简介 ：臧润清( 1 9 5 9 一 ) ， 男 ， 教授， 主要研究方 向为制冷系统节能及优化 、 食品冷链 物流E - ma i l ： z r q i n g t j c u

7、e d u c n 第1 期 臧润清等： 冷系统液体冷媒 融霜与电热融霜的对比研究4 1 1压缩机 ； 2冷凝 器； 3储液器 ； 4蒸发 器 1 ； 5蒸发 器 2 ； 电磁阀 图 1 液体冷 媒 融霜制 冷 系统原理 Fi g 1 Re f r i g e r a t i o n p r i n c i p l e o f l i q u i d r e f r i g e r a n t d e f r os t i n g ( a )组合 阀实物 图 ( b )组合 阀内部结 构 图 2 组合 阀 Fi g 2 C o mb i n a t i o n v a v e s 2 实验 方

8、法 2 1 实验 装置 实验装置的保温体采用 1 0 0 mm厚硬质聚氨 酯泡沫塑料夹芯板( 内外表 面是 0 6 mm 厚彩钢 板) 拼 接 而 成 ， 外 形 尺 寸 2 8 8 m 2 8 8 m 2 5 O m。 双联冷风机由两个相同结构与传热面积 的翅片管组成 ， 换热管为紫铜管， 管外套平直铝翅 片。单个翅片管组传热面积 ( 翅片管组与空气接 触的部分) 是 1 9 m ， 两组 合计 3 8 m。 。蒸发管 为 叉排 ， 管 中心距 4 7 6 3 mm5 5 O 0 mm， 4排 1 O 孑 L 布局 ， 翅片间有电热融霜电热管 ， 单个翅片管组 所配 电热管 尺寸 为 8 m

9、m7 8 2 mm， 数 量 8根 ， 功率为 4 k W 。进液管径 ( ) 1 2 mm， 回气管直 径 2 2 mm， 分液器 为 1 2 mm4孔 ， 分液管规格 为 (P 5 0 0 mm0 7 5 mm6 5 0 O 0 mm， 4根 。双 联冷风 机 外形 尺寸 为 1 9 4 0 mm3 6 0 mm 6 0 5 mm。 风冷压缩冷凝机组为泰康 T AG2 5 2 2 K。 此实验装置可以进行电热融霜和液体冷媒融霜的 切换 。其 中 制 冷 系 统 温 度 测 量 采 用 日本 Y0K OGAwA公 司的 MX I O 0多点数据采集仪 ， 功率的测量采用空气侧热平衡法 。 2

10、 2实验过 程 在相同的初始库温 ( t 2 )和相 同的环境 温度下开始对库 内空气进行 冷却 ， 待库 内温度分 别达到一5 、 一1 0 、 一1 5 、 一2 O时， 通过超声波加 湿器向库内加入 4 k g水 分 ， 加湿完成后 ， 调节库 内设置专门用于冷量平衡的 电加热器的加热量 ， 使库 内温度稳定在工况值 1 h后进行融霜实验 。 液体冷媒融 霜的实 验过程是一 组蒸 发器进行融 霜， 另一组蒸发器制冷 ， 融霜完成后两组蒸发器同 时制冷 ， 待库体温度降低到工况温度后 ， 另外一组 蒸发器进行融霜 ， 此蒸发器完成融霜后实验结束。 实验过程电热融霜和液体冷媒融霜结束的标志都

11、 是回气管温度达到 5。实验过程中测量库体温 度变化 ， 机组运行消耗电量 ， 融霜时间等参数。 3实验结果及分析 电热融霜和液体冷媒融霜的实验结果见表 1 和 2 。 从表 1 、 2数据可 以看出， 电热融霜和液体冷 媒融霜起始工况没有太大的差异 ， 不影响实验结 果 ， 在加入 4 k g水分后 ， 不 论是电热融霜还是液 体冷媒融霜 ， 融霜之后得到的水质量都比加入的 水分质量小 ， 这是 因为在加湿 的过程 中有一部分 水分会凝结到库体 内壁上 ， 随着工况温度的降低 ， 凝结到库体内壁上的水分质量越大 ， 凝结在蒸发 器上 的霜量 越少 。从表 1 、 2中还 可 以看 出在 相

12、同 的工况温度下电热融霜的耗电量高于液体冷媒融 霜的耗 电量。这是因为电热融霜电加热器的额定 功率与制冷压缩机 的额定功率相 当， 电加热器是 电阻型负载 ， 其耗电量是全功率的 ， 而制冷压缩机 的电机是 电感型负载， 耗电量与输出的轴功有关 ， 热 科 学 与 技 术 第1 4 卷 在融霜的各个工况下均处于部分载荷工作 ， 虽然 运转时间 比电热融霜长， 耗 电量也同样小于电热 融 霜 。 表 1 不同工况下电热融霜的实验数据 Ta b 1 Ex p e r i me n t a l d a t e o f e l e c t r i c h e a t i n g d e f r o s

13、 t i n g u nd e r v a r i ous c o nd i t i o ns 表 2 各 工况 下液体冷 媒 融霜 的实验 数据 Ta b 2 E x p e r i me n t a l d a t e o f l i q u i d r e f r i g e r a n t d e f r o s t i n g u nd e r v a r i o us c o nd i t i o ns 图 3 、 4分别为在工况温度为一1 O和一2 O 时液体冷媒融霜和电热融霜的库体温度变化。对 于液体冷媒融霜两种工况下融霜过程库内温度变 化趋势是一样 的。进行液体冷媒融霜试验时

14、 ， 一 组蒸 发器 制冷 ， 一组蒸 发器融 霜 ， 蒸 发器 制冷 面积 减小 了一半 ， 但是用 于融霜的高压液体制冷剂经 过节流降压后进人制冷蒸发器产生制冷效应 ， 在 融霜过程 中制冷系统仍有冷量输出。同时， 融霜 过程中， 进入被融霜蒸发器 的高压液体制冷剂 回 收冰霜融化的冷量， 使得 自身过冷 ， 促使制冷量增 大 ， 在融霜开始的一段时间里 ， 进入制冷蒸发器节 流机 构 的高压 液体 冷 媒过 冷 度 极 大 ， 导 致 系统 制 冷量大于制冷蒸发器面积减小所损失的制冷量 ， 这就是库 内温度在融霜开始时降低的原因。随着 融霜过程的继续 ， 被融霜蒸发器表面的霜量减少 ，

15、高压液体制冷剂得到的过冷度减小 ， 制冷量也随 之减少 ， 库内温度逐渐升高。在切换 融霜蒸发器 恢复制冷 的过程 中， 库内温度会有一个较大 的波 动 ， 这 是 因为在切 换 瞬 间 ( 此 时 ， 供 液 电 磁 阀并 没 有立即开启 ， 一般需延时 3 0 s开启 ， 以避免 压缩 机 回气过潮) 被融 霜蒸发器内部 的高压液体制冷 剂吸收蒸发管组在融霜过程 中蓄积的热量， 迅速 蒸发， 通过风机将热量吹入库 内所引起的。另外 ， 制冷蒸发器进入的液体制冷剂没有 了过冷， 也助 推了库内温度的升高 ， 在两组蒸发器恢 复正常制 冷后库 内温度会迅速降低 ， 这个波动过程大约持 续 2

16、3 mi n 。 1 0 8 6 4 2 0 一2 4 6 8 1 O 一1 2 图 3 1 O工况下融霜库温变化 F i g 3 Te mp e r a t u r e c h a n g e o f s t o r e h o u s e u n d e r c o n d i t i o n o f一 1 O 图 4 2 0 工况 下融霜 库温 变化 Fi g 4 Te mpe r a t ur e c ha ng e of s t or e ho us e un de r c ond i t i o n o f一 2 O 从图 3 、 4可以看到， 在相 同的工况下液体冷 媒融霜的库

17、内温度波动明显小于电热融霜。这是 因为液体冷媒融霜过程中， 一组蒸发器融霜 ， 另外 一 组蒸发器仍在制冷 ， 融霜过程的制冷剂过冷作 用 ， 增大了制冷蒸发器的制冷量， 使库内温度升高 减小， 甚至在融霜初期能够使库 内温度降低 。从 热源类型和位置上分析 ， 电热融霜是通过电热管 放出的热量来融化霜层 ， 该方式融化霜层的条件 第1 期 臧润清等： 制冷系统液体冷媒融霜与电热融霜的对 比研究4 3 是很大一部分热量必须先把霜层周围的空气加热 至 0 以上 ， 然后 继 续 释放 的热 量 从 霜层 外 侧 将 霜层融化 ， 不但引起库温的大幅度升高 ， 同时增加 了下一个制冷周期 的负荷

18、； 而液体冷媒融霜的热 量 来 自于冷凝 器 中的 中温液 体 制 冷 剂 ， 热 量 由 盘 管 内导向外壁面直接传向霜层 ， 从 霜层 内部 开始 融化 ， 因此较高温度 的液体制冷剂放 出的热量绝 大部分用于融霜 ， 而对周围的影响很小， 待霜层基 本融化时 ， 才会对风机周围温度产生一定的影响， 这也在一定程度上说明了切换过程中库温会有一 定 的升 高 。对 比图 3 、 4还 可 以发 现 ， 电热融 霜 的 融 霜时 间 比液 体 冷媒 融霜 的融 霜 时 间要 短 ， 从 理 论上讲 ， 液体冷媒融 霜属 于内部加热， 传热面积 大 ， 传热系数高 ， 但传热温差较小， 导致传热

19、速率 低于电热融霜。电热融霜的温差 比液体冷媒融霜 要 大的多， 这也是 电热融霜库温变化大 的原 因。 液体冷媒融霜的时间大约 比电热融霜的时间长了 2 5 mi n ， 如果能保证库体温度波动较小 ， 这在实际 应用 中是 完全 可 以接 受 的 1 。 需要说明的是 ， 实验都是在库温降到工况库 温 ， 通过电加热器加热平衡冷量之后进行 的。也 就是说 ， 融霜过程输入库房的热量有维护结构传 热 量 、 风机热 量 、 接 水盘 电加 热器 热量 和库 内热平 衡 电加 热器 热 量 ( 该 热 量 最 大) 。 因此 ， 在 融 霜过 程 中库温波动较大。当热平衡电加热器热量为零 时

20、， 液体冷媒融 霜过程在1 5库温下 ， 温度几 乎不变 ， 高于一1 5库温继续下降， 低于一1 5 库温升高 ， 且升高幅度不大。 4 结 论 1 )液体冷媒融霜对库内温度影响较小 ， 电热 融霜对库内温度影响很大。实验工况范围内， 液 体冷媒融霜过程 中库温波动为 5 5 1 1 5， 电 热融霜过程中库温波动为 1 5 6 1 9 5。 2 )电热融霜的融霜速率快 ， 融霜时间 比液体 冷媒融霜约缩短 2 5 mi n 。但对于实际应用而言 ， 液 体冷 媒融 霜过 程 中库温 波 动 小 ， 融 霜 时 间 的增 长是可 以接受 的 。 3 )在 保 温体 内 只存 在 维 护 结

21、构 热 负 荷 和 电 机热量的情况下 ， 液体冷媒融霜过程制冷温度 由 高到低的工况下 ， 存在库温降低、 库温不变和库温 升 高三种 情 况 。对 于 电 热融 霜 而 言 ， 库 温始 终 是 升高的。 4 )液体 冷媒 融 霜 比电热融 霜节 约 能源 ， 约节 电 0 5 1 0 k W h。 参考文献 ( R e f e r e n c e s ) ： 1 刘训海 ， 姜敬德低 温冷库 电热融 霜与 热气融霜 的 对比试验研究 J 制冷学报，2 0 0 9 ，3 0 ： 5 8 6 2 LI U Xu n - h a i ，J I ANG J i n g - d e Ex p e

22、r i me n t a l c o rn p a r i s o n o f e l e c t r i c i t y d e f r o s t i n g a n d h o t g a s d e f r o s t i n g i n c o l d s t o r a g e J J o u r n a l o f R e f r i g e a t i o n ， 2 0 0 9，3 0： 5 8 6 2 ( i n Ch i n e s e ) 2 3 臧润清不常采用 的冷库 蒸发器 融霜方 法 C 全 国冷冻、 冷 藏行业制冷 安全技术、 节能、 环保 新技术 发展讨论 文

23、集北京 ： 中国制冷 学会 ， 2 0 0 9 Z ANG Ru n - q i n g Ra r e l y u s e d d e f r o s t me t h o d s o f c o l d s t o r a g e e v a p o r a t o r C Na t i o n a l Re ， r i g e r a t e d Re f r i g e r a t i o n I n du s t r y S e c u r i t y Te c h n o l o gi e s ， En e r gy Sav i ng， Envi r o nme nt al Pr o

24、t e c t i o n an d Ne w Te c hn o l o gi c al De v e l o pme n t s Di s c u s s e d An t h o l o g y B e i j i n g ： Ch i n e s e As s o c i a t i o n o f Re f r i g e a t i o n，2 0 0 9 ( i n C h i n e s e ) 3 臧 润清 ， 方 筝 ， 李景 丽恒温恒湿机在结 霜工况下 运 行的实验研 究 J 低 温工程 ， 2 0 0 5 ( 3 ) ： 6 0 6 4 ZANG Ru n - q i

25、n g，F ENG Z h e n g，LI J i n g - l i E x p e r i me n t a l s t u d y o n t h e p e r f o r ma n c e o f t h e u n i t wi t h c o n s t a n t t e mp e r a t u r e a n d h u mi d i t y u n d e r f r o s t i n g c o n d i t i o n s J C r y o g e n i c s ，2 0 0 5( 3 ) ： 6 0 6 4 ( i n Ch i n e s e ) 4 陆

26、佩强 ， 臧润清冷库液体 冷媒 融霜 的性能实验 研 究 J 低 温工程， 2 0 0 9 ( 1 ) ： 6 0 6 4 LU P e i q i a n g ，Z ANG Ru n - q i n g Ex p e r i me n t a l s t u d y o n p e r f o r ma n c e o f c o l d l i q u i d r e f r i g e r a n t d e f r o s t i n g i n c o l d s t o r e J C r y o g e n i c s ， 2 0 0 4 ( 1 ) ： 6 0 6 4 ( i

27、n Ch i n e s e ) 5 刘恒伟 ， 刘中 良， 冯永训新型 湿空气除湿装置 工作 性能的实验研究E J 热科学与技术， 2 0 0 4 ， 3 ( 2 ) ： 1 43 - 14 6 LI U He n g we i ， LI U Z h o n g l i a n g， F ENG Yo n g xun Exp e r i me nt a l s t u dy o n de hu mi di f i c a t i on c ha r a c t e r i s t i c s o f n o v e l u n i t J J o u r n a l o f T h e r

28、ma l S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，2 0 0 4 ，3 ( 2 ) ： 1 4 3 1 4 6 ( i n 4 4 热 科 学 与 技 术 第1 4 卷 C h i n e s e ) E 6 张术 学， 钱江璐空气冷 却器 融霜方 式的改进 措施 J 制冷与空调，2 0 0 3 ，3 ( 4 ) ： 6 3 6 5 ZHANG S h u - x u e ，QI AN J i a n g l u S o me n e w d e - f r o s t i n g me t h o d s o f a i r c o l l e r J

29、3 R e f r i g e r a t i o n & Ai r - Co n di t i o n i n g，2 0 0 3，3 ( 4 )： 6 3 6 5 ( i n C h i n e s e ) 7 3 MA NS KE K A ，R E I ND L D T，KL E I N S A Ev a p o r a t i v e c o n d e n s e r c o n t r o l i n i n d u s t r i a l r e f r i g e r a t i o n s y s t e ms J I n t e r n a t i o n a l J o

30、u rna l o f Re fr i g e r a t i o n，2 0 0 1 ，2 4： 6 7 6 6 9 1 8 3 HAY AS HI S t u d y o f f r o s t f o r ma t i o n b a s e d o n a t h e o r e t i c a l mo d e l o f t h e f r o s t l a y e r J He a t T r a n s f e r ， 1 9 9 7 ， 6 ( 3 ) ： 6 8 7 6 Co mp a r i s o n s t u d y o f l i qu i d r e f r

31、i g e r a nt d e f r o s t i ng a nd e l e c t r i c he a t i n g d e f r o s t i n g i n r e f r i g e r a t i o n s y s t e m ZANG Ru n - qi n g，LI U Ji a n - xu n， YUAN Bo，LI U Qi (Ti a n j i n Ke y La b o r a t o r y o f Re f r i g e r a t i o n Te c h n o l o g y ，Re f r i g e r a t i o n En g

32、i n e e r i n g Re s e a r c h Ce n t e r o f Mi n i s t r y o f Ed u c a t i o n o f t h e Pe o p l e S Re p u b l i c o f Ch i n a ，Ti a n j i n Re f r i g e r a t i o n En g i n e e r i n g Te c h n o l o g y Ce n t e r Ch i n a ， Ti a n j i n Un i v e r s i t y o f C o mme r c e ，Ti a n j i n 3

33、0 0 1 3 4，Ch i n a) Ab s t r a c t ：An e xp e r i m e nt a l i n ve s t i ga t i o n wa s c on du c t e d t o s t u dy t he t e m p e r a t u r e i nc r e a s e of c o l d s t o r a g e a n d t h e e l e c t r i c i t y c o n s u mp t i o n i n t h e p r o g r e s s o f l i q u i d r e f r i g e r a

34、 n t d e f r o s t i n g a n d e l e c t r i c he a t i n g de f r o s t i ng The p r i nc i pl e a nd a u t o m a t i c c ont r ol pr o c e s s of l i q ui d r e f r i g e r a nt de f r o s t i ng wa s i nt r od uc e d，a nd t he e x pe r i me n t de v i c e a n d m e t h od of l i q u i d r e f r i ge r a nt d e f r os t i n g wa s de s c r i be dThe c o mp a r i s o n a n d a n a l y s i s o f t h e r e s u l t s o f e x p e r i me n t a l we r e f o c u s e d o n t h e t e mp e r a t u r