供液方式對(duì)蒸發(fā)平板溫度場(chǎng)的影響

賀衛(wèi)東 萬(wàn)金慶 黃明磊 葛 瑞

(1. 上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306；2. 上海冷鏈裝備性能與節(jié)能評(píng)價(jià)專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，上海 201306)

中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展加劇了能源的消耗，其中制冷行業(yè)屬于高耗能產(chǎn)業(yè)，其節(jié)能方面的研究意義重大[1-2]。同時(shí)水產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，水產(chǎn)品的加工、運(yùn)輸和貯藏等環(huán)節(jié)的冷凍與保藏非常重要，而平板速凍機(jī)以凍結(jié)速度快，操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)在水產(chǎn)業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[3]。

在制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，節(jié)流元件的選擇非常重要，節(jié)流元件應(yīng)用錯(cuò)誤或選型不當(dāng)，通常會(huì)造成系統(tǒng)運(yùn)行困難和性能下降。制冷系統(tǒng)流量控制元件一般有4種：毛細(xì)管、節(jié)流孔、熱力膨脹閥和電子膨脹閥[4]。其中熱力膨脹閥因?yàn)榫C合性能和價(jià)格的優(yōu)勢(shì)，在中小型制冷系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，如應(yīng)用于食品陳列柜、鼓風(fēng)凍結(jié)裝置、制冰設(shè)備、冰淇淋柜和空調(diào)裝置[5]。射流泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要任何電力驅(qū)動(dòng)。射流泵首次用作節(jié)流裝置的研究是在20世紀(jì)80年代，Lorentzen等[6]用射流泵代替節(jié)流閥，優(yōu)化蒸發(fā)器性能。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)射流泵的研究逐漸變成熱點(diǎn)。張棣等[7]使用不同的網(wǎng)格劃分方法研究了射流泵性能的數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果的適應(yīng)程度；Dopazo等[8]在NH3/CO2復(fù)疊系統(tǒng)中使用射流泵供液得到了一個(gè)3.1倍的循環(huán)倍率； Lawrence等[9]針對(duì)制冷劑節(jié)流損失的不同，研究了不同制冷劑在射流泵系統(tǒng)中的節(jié)能效果差異；Jeon等[10]研究了COS射流泵循環(huán)系統(tǒng)中最佳的射流泵幾何參數(shù)和工況變化對(duì)射流泵性能的影響；肖欣等[11]利用數(shù)值模擬分析了射流泵內(nèi)部壓力的分布，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化；田曉雨等[12]研究了不同冷凝溫度對(duì)射流泵供液的速凍機(jī)性能的影響；Arun等[13]使用三維模型模擬了噴嘴的最優(yōu)位置和內(nèi)部流場(chǎng)的分布。

目前對(duì)于射流泵在制冷系統(tǒng)中應(yīng)用的研究大部分停留在數(shù)值模擬階段，而實(shí)際應(yīng)用中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少。在已有的射流泵研究基礎(chǔ)上，本試驗(yàn)擬在相同工況時(shí)，研究膨脹閥和射流泵2種供液方式下速凍機(jī)蒸發(fā)平板的溫度分布，旨在為從凍結(jié)均勻性方面解釋射流泵供液的優(yōu)越性，為進(jìn)一步優(yōu)化平板供液提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)

基于本試驗(yàn)小組提出的射流泵節(jié)流供液循環(huán)系統(tǒng)專利[14]，搭建平板速凍機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)，其中包含熱力膨脹閥供液和射流泵供液2種循環(huán)，系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

1. 油分離器 2. 冷凝器 3. 壓縮機(jī) 4. 氣液分離供液桶 5. 低氣液分離循環(huán)桶 6. 平板蒸發(fā)器 7. 熱力膨脹閥 8. 射流泵 9. 回油換熱器 10. 流量計(jì) 11. 高壓儲(chǔ)液桶 12. 磁翻板液位計(jì)

圖1 2種不同供液方式系統(tǒng)原理圖

Figure 1 Schematic diagram of different fluid supply systems

(1) 熱力膨脹閥供液：該系統(tǒng)由壓縮機(jī)、冷凝器、高壓貯液桶、熱力膨脹閥、蒸發(fā)平板組成。根據(jù)圖1，熱力膨脹閥供液時(shí)，打開(kāi)閥門(mén)V2、V3、電磁閥YV4，其他閥門(mén)全部關(guān)閉(未標(biāo)注閥門(mén)均為打開(kāi)狀態(tài))。冷凝后的制冷劑通過(guò)熱力膨脹閥直接進(jìn)入平板內(nèi)蒸發(fā)。膨脹閥供液系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖2。

圖2 膨脹閥供液系統(tǒng)原理圖Figure 2 Schematic diagram of expansion valve system

(2) 射流泵供液：該系統(tǒng)由壓縮機(jī)、冷凝器、高壓貯液桶、氣液分離循環(huán)桶、氣液分離供液桶、平板蒸發(fā)器組成。根據(jù)圖1，射流泵供液系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，關(guān)閉截止閥V1、V3、V5、電磁閥YV4，其他閥門(mén)全部打開(kāi)(未標(biāo)注閥門(mén)均為打開(kāi)狀態(tài))。氣液分離循環(huán)桶的液態(tài)制冷劑會(huì)被射流泵抽回，經(jīng)過(guò)氣液分離供液桶分離后，液態(tài)制冷劑繼續(xù)循環(huán)供給蒸發(fā)器，而氣態(tài)制冷劑則被壓縮機(jī)抽回。射流泵供液系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖3。

圖3 射流泵供液系統(tǒng)原理圖Figure 3 Schematic diagram of ejector system

2 試驗(yàn)裝置與結(jié)果分析

試驗(yàn)在南通的春季進(jìn)行。試驗(yàn)臺(tái)單級(jí)半封閉螺桿壓縮機(jī)：型號(hào)HSN7471-75，功率55 kW，比澤爾壓縮機(jī)(北京)有限公司；機(jī)組配置水冷式冷凝器，平板尺寸2 000 mm×1 260 mm，數(shù)量12塊(22個(gè)面)，層間距55～100 mm，凍結(jié)能力1 300 kg/批；制冷劑：R507，上海銳一貿(mào)易有限公司；凍品溫度采用T型熱電偶進(jìn)行測(cè)量，精度為±0.5 ℃，溫度記錄儀表型號(hào)為安捷34972A，掃描頻率為10 s/次，華儀儀表有限公司；采用DZFC-1型的電能綜合分析測(cè)試儀測(cè)量系統(tǒng)能耗，德科技有限公司。速凍機(jī)每層平板放置8個(gè)托盤(pán)，將海綿放入托盤(pán)并加適量純水，使海綿和平板充分接觸，以此模擬凍品。選取平板中心處的托盤(pán)布置溫度測(cè)點(diǎn)，并置于托盤(pán)中心位置。本次試驗(yàn)冷凝溫度為35 ℃，當(dāng)所有測(cè)點(diǎn)均降至-18 ℃以下時(shí)，凍結(jié)過(guò)程完成。本次試驗(yàn)選取第1、6、11層3個(gè)最有代表性平板的進(jìn)出口4個(gè)托盤(pán)布置測(cè)點(diǎn)，平板速凍機(jī)分別在膨脹閥和射流泵供液方式下，各測(cè)點(diǎn)的凍結(jié)曲線見(jiàn)圖4、5。

凍品初始溫度以10 ℃為基準(zhǔn)，2種供液方式下平板速凍機(jī)凍結(jié)性能見(jiàn)表1。

從圖4、5和表1看出，膨脹閥供液時(shí)，凍品整體溫度分布比較混亂，各層平板溫差較大，凍結(jié)結(jié)束時(shí)最大溫差可達(dá)17.5 ℃，最低凍品溫度達(dá)到了-35.9 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了-18 ℃的目標(biāo)溫度。射流泵供液時(shí)，各層凍品溫度分布均勻，凍結(jié)結(jié)束時(shí)最低凍品溫度為-23.68 ℃；從整體上看射流泵供液時(shí)的平板溫差有從下到上逐漸增大的規(guī)律。從凍結(jié)時(shí)間上分析，膨脹閥供液第1個(gè)達(dá)到-18 ℃的凍品只用了89 min，距離整個(gè)試驗(yàn)結(jié)束相差42 min，因?yàn)闇囟确植疾痪鶚O大地拉長(zhǎng)了凍結(jié)時(shí)間和凍結(jié)結(jié)束時(shí)的溫差，增大了能耗。射流泵供液在111 min時(shí)第1個(gè)測(cè)點(diǎn)達(dá)到目標(biāo)溫度，10 min后所有測(cè)點(diǎn)凍結(jié)完畢，相比膨脹閥不會(huì)因?yàn)橐呀?jīng)達(dá)到目標(biāo)溫度的測(cè)點(diǎn)溫度一直下降而導(dǎo)致太多電能的浪費(fèi)。分析原因有：

(1) 經(jīng)過(guò)膨脹閥節(jié)流的制冷劑因?yàn)榇嬖谝欢ǖ拈W發(fā)，導(dǎo)致供到平板內(nèi)的制冷劑分布不均，從而使溫度場(chǎng)混亂；而射流泵供液系統(tǒng)保證了平板的純液體供液，而且供液量大于平板的蒸發(fā)量，充分地浸潤(rùn)平板使其溫度場(chǎng)更加均勻。

圖4 膨脹閥供液不同平板凍品溫度曲線Figure 4 The freezing curve of expansion valve system

圖5 射流泵供液不同平板凍品溫度曲線Figure 5 The freezing curve of ejector system表1 2種供液方式凍結(jié)性能對(duì)比Table 1 The freezing performance of two fluid supply system

供液方式第1層溫差/℃第6層溫差/℃第11層溫差/℃測(cè)點(diǎn)最高溫差/℃凍結(jié)時(shí)間t/min能耗E/(kW·h)膨脹閥8.9917.5512.4917.5513178.7射流泵4.253.451.115.5412172.9

(2) 射流泵供液凍結(jié)效果底部平板優(yōu)于上部，是因?yàn)橹评鋭┻M(jìn)入平板前經(jīng)過(guò)了豎管的分配，由于重力的作用使下方平板的制冷劑量大于上方平板，過(guò)量的制冷劑加快了平板的凍結(jié)速率，同時(shí)平板各處溫度均勻下降，提升了凍結(jié)的質(zhì)量。

3 結(jié)論

(1) 使用膨脹閥供液時(shí)，平板中所有測(cè)點(diǎn)的最高溫差達(dá)到了17.55 ℃，與-18℃的目標(biāo)溫度相比，過(guò)高的溫差導(dǎo)致了能耗的增加；而使用射流泵供液使平板溫度分布更加均勻，凍結(jié)結(jié)束時(shí)，平板中測(cè)點(diǎn)的最高溫差只有5.54 ℃，一定程度上保證了凍品的品質(zhì)。

(2) 使用射流泵供液時(shí)各層平板溫度分布較為一致，但是整體的凍結(jié)效果從上到下逐漸變優(yōu)，底層的凍結(jié)時(shí)間比最上層大約減少9.1%，同時(shí)，系統(tǒng)的最高溫差也分布在最上層的平板上。

平板溫度的分布可以影響到系統(tǒng)的凍結(jié)時(shí)間和能耗。針對(duì)射流泵供液整體上下不均勻的問(wèn)題，如果在平板前使用分液頭分配制冷劑，可以進(jìn)一步優(yōu)化溫度場(chǎng)分布，提升凍結(jié)效果。