制冷系統(tǒng)二次冷凝除霜循環(huán)理論分析

盧素珊，劉瓊瑜，劉軍,3，吳耀森,3，陳永春,,3，龔麗,3

（1.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630；2.廣東弘科農(nóng)業(yè)機(jī)械研究開發(fā)有限公司，廣東 廣州 510555；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510630 ）

0 引言

隨著制冷行業(yè)的發(fā)展，市場對食品保鮮儲藏設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性與節(jié)能性提出了更高的要求。2020年我國冷庫總量中冷凍庫占比大于70%[1]，制冷系統(tǒng)中蒸發(fā)器除霜能耗是主要節(jié)能難題之一，及時除霜對系統(tǒng)效率、能耗和食品品質(zhì)十分重要[2]。現(xiàn)有的常用除霜方式包括自然除霜、水沖霜、電除霜以及熱氣除霜，但這些除霜方式在除霜過程中均引起庫溫回升，并且除霜后的制冷周期能耗增加。因此需要尋找一種更加節(jié)能與合理的除霜方法。

本文提出一種新型的二次冷凝除霜方法，該方法通過除霜制冷劑將霜層中的冷量取回重新用于制冷，提高了系統(tǒng)的制冷量，減少了除霜時庫溫的波動，并降低了下一周期的制冷能耗。

本文介紹了二次冷凝除霜制冷系統(tǒng)模型，通過建立制冷和除霜模型，探究適宜的二次冷凝除霜制冷劑旁通比，討論不同蒸發(fā)溫度下的單次除霜時長，理論論證了二次冷凝除霜時的制冷環(huán)境溫度波動小，能耗低。

1 二次冷凝除霜制冷系統(tǒng)模型

二次冷凝除霜制冷系統(tǒng)在常規(guī)制冷系統(tǒng)上增加了除霜制冷劑旁路，為了分析該系統(tǒng)的除霜性能，建立了蒸發(fā)器制冷模型與除霜模型。

1.1 除霜系統(tǒng)介紹

二次冷凝除霜制冷系統(tǒng)由制冷主路和除霜旁路2 部分組成，前者主要包括壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器和膨脹閥，后者主要包括二次冷凝除霜模塊（即旁通壓降管路以及一次蒸發(fā)換熱器）和除霜后制冷劑再制冷管路。圖1 為二次冷凝除霜制冷系統(tǒng)簡圖，圖2 為該制冷循環(huán)對應(yīng)的壓焓圖。

圖1 二次冷凝除霜制冷系統(tǒng)簡圖

圖2 二次冷凝融霜循環(huán)壓焓圖

制冷模式時，制冷劑循環(huán)過程為：壓縮機(jī)中等熵壓縮至狀態(tài)點(diǎn)2、冷凝器中等壓放熱至狀態(tài)點(diǎn)3、膨脹閥中絕熱節(jié)流至狀態(tài)點(diǎn)4 和蒸發(fā)器中等壓吸熱至狀態(tài)點(diǎn)1，至此為一個制冷循環(huán)（如圖2 實(shí)線所示）。

制冷系統(tǒng)除霜時，冷凝器出口的液態(tài)制冷劑進(jìn)入二次冷凝融霜模塊，模塊中存在一次蒸發(fā)換熱器，進(jìn)入該換熱器前，液體制冷劑分為兩路，一路作為主路制冷劑，另一路在除霜旁通管路膨脹閥中絕熱節(jié)流至狀態(tài)點(diǎn)5,節(jié)流后進(jìn)入該換熱器等壓吸熱至狀態(tài)點(diǎn)6，同時將主路制冷劑過冷至狀態(tài)點(diǎn)3b,主路制冷劑經(jīng)膨脹閥中絕熱節(jié)流至狀態(tài)點(diǎn)4b，再在蒸發(fā)器中等壓吸熱至狀態(tài)點(diǎn)1。對主路制冷劑過冷后融霜管路制冷劑進(jìn)入結(jié)霜蒸發(fā)器，凝結(jié)除霜至狀態(tài)點(diǎn)7，除霜后的制冷劑經(jīng)膨脹閥絕熱節(jié)流至狀態(tài)點(diǎn)4b，后進(jìn)入其他制冷蒸發(fā)器進(jìn)行蒸發(fā)制冷至狀態(tài)點(diǎn)1，至此為一個除霜循環(huán)（如圖2虛線所示）。

二次冷凝除霜與制冷循環(huán)利用除霜制冷劑對主路制冷劑過冷后獲得熱量，接著又經(jīng)過結(jié)霜蒸發(fā)器將熱量傳遞給霜層，除霜后的制冷劑重新回到主路再次進(jìn)行蒸發(fā)制冷從而釋放從霜層中獲得的冷量，除霜過程實(shí)現(xiàn)了對制冷環(huán)境的凈吸熱，提高了制冷能效。

1.2 蒸發(fā)器換熱模型的建立

本次模擬計(jì)算使用翅片管式換熱器，將制冷劑經(jīng)過蒸發(fā)器時的換熱模型分為制冷劑側(cè)換熱、空氣側(cè)換熱、霜層側(cè)換熱3個控制體。制冷劑經(jīng)過蒸發(fā)器的實(shí)際換熱過程計(jì)算較復(fù)雜且很難得到精準(zhǔn)結(jié)果，因此本文對該換熱過程進(jìn)行簡化，建立一維穩(wěn)態(tài)模型，模擬計(jì)算基于以下假設(shè)：①空氣來流垂直于換熱管長方向；②空氣來流截面速度處處相等；③處于穩(wěn)定狀態(tài)，制冷劑在管內(nèi)均勻一維流動；④不考慮潤滑油的熱阻；⑤結(jié)霜時霜層在翅片上分布均勻；⑥換熱過程忽略熱輻射。

1.2.1 建立制冷模型

制冷模式時制冷量為

式中：

qeva——制冷模式時制冷量；kW；

mc——經(jīng)過蒸發(fā)器的制冷劑流量，kg/s；

h——制冷劑比焓，kJ/kg。

制冷劑經(jīng)過蒸發(fā)器換熱管將掠過的空氣降溫，并將空氣中的部分水分凝固結(jié)霜，由熱量守恒得

式中：

υair——經(jīng)過蒸發(fā)器的風(fēng)量，m3/s；

ρa(bǔ)ir——蒸發(fā)器進(jìn)口空氣密度，kg/m3；

Δhair——蒸發(fā)器進(jìn)出口空氣焓差，kJ/kg；

mice——制冷時結(jié)霜質(zhì)量，kg；

hice——結(jié)霜潛熱，取335 kJ/kg；

τc——制冷時長，s。

制冷時結(jié)霜質(zhì)量為

式中：

Δd——蒸發(fā)器進(jìn)出口空氣含濕量差，g/kg 干空氣；

da——蒸發(fā)器進(jìn)口空氣含濕量，g/kg 干空氣。

壓縮機(jī)工耗為

式中：

ηe——壓縮機(jī)軸效率，由壓縮比查表可得[3]。

制冷模式能效比為[4]

1.2.2 建立除霜模型

定義除霜旁通比為

式中：

md——經(jīng)過待除霜蒸發(fā)器的制冷劑流量，kg/s。

除霜模式制冷量為

主路制冷劑與融霜制冷劑在一次蒸發(fā)器中的換熱過程由熱量守恒得

除霜所需總熱量包括霜層降溫至0 ℃的吸熱量、霜層的融化熱以及其他散熱量（例如由于霜層對流散失到到空氣中的顯熱、盤管上的水蒸氣蒸發(fā)潛熱和翅片和盤管升溫的加熱量）。除霜所需總熱量與融霜制冷劑的換熱過程由熱量守恒得

式中：

cp,ice——霜比熱容，取2.1 kJ/(kg·℃)；

Δtice——霜的溫度變化值，℃，?。ㄕ舭l(fā)溫度絕對值-1）℃；

hice——霜的液化熱，取335 kJ/kg；

τd——除霜時間，s；

α——除霜過程中，霜層融化所需熱量在制冷劑總放熱量中的占比，取0.437[5]。

壓縮機(jī)功耗同制冷模式，除霜模式能效比

2 二次冷凝除霜旁通比的匹配

當(dāng)制冷系統(tǒng)進(jìn)行二次冷凝除霜時，冷凝器出口的液態(tài)制冷劑進(jìn)入二次冷凝融霜模塊后分為兩路，此時除霜旁路制冷劑的流量占比將影響除霜效果。若除霜旁通比過小，霜層除不凈，需增加除霜時長；若除霜旁通比過大，則霜層除凈仍有除霜制冷劑在蒸發(fā)器中放熱，即除霜過度，且主路制冷劑流量小，總制冷量小。因此，需要選擇使除霜能效較優(yōu)的除霜制冷劑旁通比。

以設(shè)定冷庫庫溫為-18℃為例，制冷蒸發(fā)溫度為-25℃，冷凝溫度為36℃，選用R507A 制冷劑，制冷時蒸發(fā)器進(jìn)出口空氣的狀態(tài)分別為-13℃、75%和-20 ℃、95%，每制冷30 min 除霜1 次，由GB/T7725—2004《房間空氣調(diào)節(jié)器》要求除霜所需總時間不超過試驗(yàn)總時間的20%，故設(shè)定除霜時間為5 min[6]。熱氣除霜操作時壓力一般控制在6 bar左右[7]，由于二次冷凝除霜過程存在對主路制冷劑的過冷，以及為適當(dāng)縮短除霜時長，本次模擬除霜壓力取7 bar。以上述條件進(jìn)行模擬計(jì)算，除霜時能效比與除霜旁通比的關(guān)系如圖3。

圖3 二次冷凝除霜能效隨旁通比的變化

由圖3 可知，在旁通比0～1 的范圍內(nèi)，由于主路制冷劑與旁路制冷劑流量占比總和為1，故主路制冷能效與旁路制冷能效相互約束，陰影范圍為可實(shí)現(xiàn)的不同旁通比下的除霜COP，由圖可知當(dāng)旁通比取0.15 時，可得到最大的除霜能效。此時對應(yīng)COP 為2.0，相比普通制冷循環(huán)COP 為1.72增加了16%。

3 性能分析

選擇除霜旁通比μ為0.15，冷凝溫度為36℃，除霜制冷劑壓力為7 bar，單次制冷時長為30 min 時啟動除霜，計(jì)算二次冷凝除霜制冷循環(huán)理論COP 隨蒸發(fā)溫度不同的變化。在不同蒸發(fā)溫度下對應(yīng)的蒸發(fā)器進(jìn)出口空氣狀態(tài)參數(shù)如表1 所示。

表1 不同蒸發(fā)溫度下對應(yīng)的蒸發(fā)器進(jìn)出口空氣狀態(tài)參數(shù)

二次冷凝除霜制冷循環(huán)理論COP 在不同蒸發(fā)溫度下隨除霜時間的變化關(guān)系如圖4 所示，經(jīng)計(jì)算得單次除霜時長取值范圍如圖4 陰影區(qū)域。由圖4 可知蒸發(fā)溫度降低，除霜時COP 曲線下移，且除霜時系統(tǒng)COP 隨除霜時長的增加逐漸減小。

圖4 系統(tǒng)二次冷凝除霜時COP 隨除霜時間的變化

為保證除霜完全，同時考慮較高的除霜能效，設(shè)定每制冷30 min，蒸發(fā)溫度為-35、-25、-15、-5 ℃時單次除霜時長分別取3.4、5.4、5.9、5.7 min。二次冷凝除霜周期COP 與制冷周期COP 關(guān)系如圖5 所示。不同蒸發(fā)溫度下二次冷凝除霜周期COP 相比制冷周期COP均有所增加，隨著蒸發(fā)溫度的升高，二次冷凝除霜能效越高。計(jì)算得相比制冷周期，二次冷凝除霜周期COP增加的百分比為13%～16%。

圖5 不同蒸發(fā)溫度下的二次冷凝除霜周期COP 與制冷周期COP

相比常用的除霜方式，二次冷凝除霜有效提高了制冷量，降低了能耗。自然除霜時利用自然風(fēng)吹過霜層、水沖霜使用18～20℃的淋水沖過霜層[8]，均帶走大量冷量，使制冷環(huán)境溫度回升，增大下一周期制冷能耗；電除霜時耗電量約為制冷系統(tǒng)總耗電量的10%～20%，且通常導(dǎo)致庫溫升高5 ℃或以上[9-10]；熱氣除霜主要包括逆除霜法與熱氣旁通法，兩者均利用高溫氣態(tài)制冷劑加熱霜層至融化，同樣存在溫升與能耗問題，雖然熱氣旁通法除霜時制冷環(huán)境溫度波動較逆除霜小，但除霜時長較長，且熱氣旁通法除霜時，壓縮吸氣過熱度偏低，有損壞壓縮機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)[11-12]。本文提出的二次冷凝除霜，避開了常用除霜方式的缺點(diǎn)，且通過理論計(jì)算證明該方法可以有效解決除霜時制冷環(huán)境溫度回升與能耗增大的問題，為下一步的二次冷凝除霜應(yīng)用研究提供了理論基礎(chǔ)。

4 結(jié)論及展望

1）本文提出了一種二次冷凝除霜的新型除霜方式，該方式從冷凝器中取一定比例的液態(tài)制冷劑經(jīng)降壓后與主路制冷劑進(jìn)行熱交換，后除霜制冷劑進(jìn)入結(jié)霜蒸發(fā)器除霜，充分利用了霜層冷量，達(dá)到了除霜過程凈吸熱的效果。除霜過程冷庫溫度波動小，一般無溫升。

2）對二次冷凝除霜與制冷循環(huán)建立模型，經(jīng)計(jì)算取較優(yōu)的除霜旁通比為0.15，設(shè)定制冷周期為30 min，在蒸發(fā)溫度為-35、-25、-15、-5 ℃時取各自適宜的二次冷凝除霜時長，計(jì)算分析得二次冷凝除霜周期COP 相比制冷周期COP 提高13%～16%。

3）本文提出的二次冷凝除霜方式在食品冷藏中應(yīng)用時能夠有效降低物料的損壞率，且低溫儲藏時制冷系統(tǒng)除霜能耗降低，但在不同的蒸發(fā)溫度下如何設(shè)定較優(yōu)的除霜時間仍需依靠更精準(zhǔn)的除霜控制機(jī)制。