制冷劑除霜結束時風機延時啟動對抑制庫溫波動的影響

馮 海 臧潤清 孫志利

(天津市制冷技術重點實驗室 天津商業大學 冷凍冷藏技術教育部工程研究中心 天津市制冷技術工程中心 天津 300134)

制冷劑除霜結束時風機延時啟動對抑制庫溫波動的影響

馮 海 臧潤清 孫志利

(天津市制冷技術重點實驗室 天津商業大學 冷凍冷藏技術教育部工程研究中心 天津市制冷技術工程中心 天津 300134)

為解決制冷劑除霜系統融霜結束后可能發生的壓縮機濕壓縮和庫溫波動問題，本文在庫溫-20 ℃、結霜量3 kg工況下，以風機延時開啟的時間為變量，對除霜結束后風機延時開啟0～180 s進行單一變量的實驗研究。從除霜結束后的庫溫波動、除霜時間、系統恢復制冷后壓縮機吸氣狀態方面，比較分析風機延時不同時間開啟對系統運行特性的影響。結果表明：除霜結束不延時開啟風機，庫溫將突升5 ℃，并且恢復制冷的前4 min，壓縮機存在濕壓縮問題；除霜結束風機延時開啟的最佳時間為140～180 s，此時庫溫升高比風機不延時開啟情況降低3 ℃，總庫溫波動在5 ℃以內，除霜時間在12 min左右，且除霜結束恢復制冷時有效避免了壓縮機可能出現的濕壓縮問題。

冷庫；制冷劑除霜；庫溫波動；濕壓縮

在冷庫制冷系統中，冷風機在表面溫度低于露點溫度且低于0 ℃時，將在結霜工況下工作。在結霜初始時，柱狀、針狀[1-2]的薄霜會由于增強空氣擾動，起到強化冷風機傳熱的作用。隨著結霜時間的增長，形成片狀、羽毛狀、無規則狀的霜，霜層過厚使得冷風機傳熱性能下降，制冷系統效率降低。因此，適時的進行除霜對制冷系統節能運行尤為重要[3]。

制冷劑除霜是指以高壓儲液器中的液體制冷劑為熱源，對結霜蒸發器除霜的一種方法[4]。在制冷劑除霜過程中，制冷過程連續，除霜無需附加能耗，液體制冷劑被霜層攜帶的冷量過冷，提高制冷系統效率。在除霜過程結束時，由于除霜蒸發器尚存有液體制冷劑，為避免壓縮機進液，需延遲開啟供液電磁閥，保證壓縮機入口制冷劑為氣態(回液過程)[5]。

通常情況下，制冷劑除霜系統在除霜結束時，被前后風閥隔斷的冷風機內[6]，翅片表面溫度可達15 ℃，封閉冷風機環境溫度也在0 ℃以上。若伴隨除霜結束，冷風機與前后風閥隨即開啟，冷風機將被環境空氣強制冷卻，并將熱量帶入冷庫，造成庫溫突升。此外，在回液過程結束，供液電磁閥開啟時，由于感溫包溫度較高，膨脹閥開度大，蒸發溫度高，空氣與制冷劑之間沒有傳熱溫差或傳熱溫差為負值[7]，使制冷劑不能充分蒸發，造成壓縮機濕壓縮。如果除霜結束延遲開啟風機，蒸發器的余熱可使制冷劑完全蒸發，將解決冷風機恢復制冷時壓縮機濕壓縮的問題，同時制冷劑蒸發帶走了除霜余熱，待風機開啟時對庫溫波動的影響也將顯著降低。因此，為解決除霜結束壓縮機可能發生的濕壓縮和庫體溫度升高問題，課題基于風機延時開啟的設計思路，對制冷劑除霜系統進行實驗研究，掌握風機延時開啟的系統參數變化和系統運行特性。

1 制冷劑融霜系統簡介

制冷劑除霜系統工作原理如圖1所示，主要由兩個冷風機、8個電磁閥、2個單向閥、壓縮機、冷凝器及必要的輔助設備組成。通過改變制冷劑管路流程，實現冷風機在制冷工況與除霜工況的切換。在制冷工況時，電磁閥①②⑤⑥開啟，冷風機A、B并聯連接，同時制冷。除霜工況時電磁閥⑤④⑧(或③⑦⑥)開啟，冷風機A、B(或B、A)串聯，前者除霜后者制冷。在除霜工況時，除霜蒸發器與儲液器、冷凝器直接串聯，制冷劑可在除霜冷風機中獲得較大的過冷度，將除霜過程的冷量轉化為提高過冷度，進而提高制冷系統的效率。

T 溫度測點；TP 溫度及壓力測點圖1 液體制冷劑融霜系統原理圖Fig.1 Principle of liquid refrigerant defrosting system

除霜結束時，由于電磁閥切換，除霜冷風機回氣口與壓縮機吸氣口直接相連，除霜冷風機尚存液體制冷劑，為使吸氣存在一定過熱度，避免壓縮機濕壓縮，需要延遲開啟除霜冷風機的供液電磁閥，此過程稱為除霜結束時的回液過程。

2 實驗裝置及實驗過程

2.1實驗裝置

實驗在2.8 m×2.8 m×2.5 m，厚度為100 mm硬質聚氨酯泡沫塑料保溫層的裝配式冷庫中進行。制冷系統由TAG2522K壓縮冷凝機組和雙聯冷風機組成。冷風機蒸發面積合計為54 m2，蒸發管徑15 mm，管間距55 mm，翅片間距6 mm，單路管長780 mm，除霜后在蒸發溫度為-27 ℃、冷庫溫度為-20 ℃時，制冷量為2.1 kW。工況穩定過程采用電加熱器熱平衡法，系統安裝總功率為15 kW的電加熱器和電動調壓器；結霜過程的加濕由加濕量為6 kg/h的超聲波加濕器完成。實驗數據采集系統由工控機、MX100多點數據采集儀、熱電偶和壓力傳感器組成。

實驗系統共有14個溫度測點、5個壓力測點。布置位置如圖1所示。

2.2實驗過程

實驗中，制冷工況時電磁閥①②⑤⑥開啟，③④⑦⑧關閉，待庫溫降低并穩定在-20 ℃以后，開啟加濕器向庫內間斷加濕，控制總加濕量為4.5 kg，以及除霜后的融霜水量(即結霜質量)為3 kg。加濕結束、制冷系統穩定運行1 h后，電磁閥②⑤⑧開啟、①③④⑥⑦關閉，并且關閉風機前后風閥[10]，對冷風機A進行除霜。當除霜冷風機回氣管溫度達到10 ℃時，電磁閥①②⑤⑥開啟，③④⑦⑧關閉，除霜結束，并且恢復冷風機并聯制冷，同時，時間繼電器計時，除霜冷風機的風機和風閥以10 s為增加步長至180 s延遲開啟，進行19組風閥延時開啟對抑制庫體溫度波動的研究。待庫溫重新穩定至-20 ℃時，制冷系統穩定運行一段時間后，電磁閥③⑥⑦開啟，①②④⑤⑧關閉，切換到對冷風機B進行除霜操作。

實驗臺的控制系統由溫控器、時間繼電器、中間繼電器、交流接觸器組成并完成制冷及除霜的自動控制過程。

實驗中以冷風機進出口算數平均溫度作為冷風機管路平均溫度。

3 除霜過程的理論分析

根據能量守恒定律，除霜結束后蒸發器的降溫過程，能量關系式可由式(1)～式(5)表示[11]。

Qc+Qf+Qd+Qr=QEvpa

(1)

Qc=αaAΔTa=camaΔTa

(2)

Qf=mfrΔhfr

(3)

QEvpa=cEvpamEvpaΔTEvpa

(4)

cEvpamEvpa=cfinmfin+cpipempipe

(5)

式中：ΔTEvpa為蒸發器與庫溫溫差，℃；Qc為空氣強制對流帶走的熱量，W；Qf為管內制冷劑蒸發帶走的熱量，W；Qd為溫差導熱量，W；Qr為熱輻射量，W；QEvpa為冷風機冷卻過程減少熱負荷，W。

除霜結束時，開啟風機，由于前40s為回液階段，可近似認為Qr、Qd、Qr為零，Qc=QEvpa，庫內溫升為ΔTa。降溫可近似為集總參數過程，可由式(6)表示：

(6)

式中：τ為除霜結束冷風機降溫至與庫溫度相同時的時間，s；θ為過余溫度，℃。

除霜結束風機延時開啟，在延時階段認為Qc為零，Qf+Qd+Qr=QEvpa。

延遲時間越長，由風機開啟后引起的對流散熱越??；由制冷劑帶走的除霜余熱越大；風機延時階段散失到庫中熱量越大；除霜結束冷風機降溫至與庫溫度相同時的時間越長。

4 實驗結果及分析

由于冷風機A和B的對稱性，實驗結果分析只對冷風機A除霜情況進行分析，冷風機B除霜情況與A相同。

圖2所示為除霜結束后風機不同時刻延時啟動對庫溫波動的影響，記錄除霜開始至冷庫內溫度再次降至-20 ℃期間庫內溫度隨時間的變化曲線。其中，A、B、C分別為風機延時0 s、90 s、180 s的除霜結束時刻，A、D、E分別為對應的風機開啟時刻，由圖可見，冷風機在除霜結束時不經延時啟動風機，庫內溫度在707～736 s從-17.7 ℃升高至-12.7 ℃，突升5 ℃；除霜結束后風機延遲90 s開啟的情況下，庫內溫度在753～775 s從-16.8 ℃升高至-14.8 ℃，溫度升高值由5 ℃降至2 ℃；除霜后風機延遲180 s開啟的情況下，風機開啟時庫內溫度升高僅0.2 ℃。

圖2 除霜過程庫溫波動Fig.2 Storage temperature fluctuation in the process of defrosting

圖2中0～300 s的除霜前5 min里，庫溫維持在-20 ℃以下，這是由于液體制冷劑被冰霜過冷(最大過冷度可達30 ℃)，雖然除霜時制冷劑流量較制冷工況時減小，但除霜初始時極大的過冷度，使庫溫一度出現降低的情況，然后緩慢升高。圖中除霜結束風機延時180 s開啟時，整個過程庫溫升高4.5 ℃，除霜過程12 min即可結束。

圖3 風機延時開啟對除霜余熱的影響Fig.3 The influence on remained heat of defrosting when fan delays starting

圖3所示為風機延時開啟對除霜余熱引起的庫溫升高的影響。實驗數據表明：風機延時開啟階段庫溫升高與延遲時間成正比，原因是除霜時只有單個冷風機制冷，并且除霜后的冷風機還會增加庫內熱負荷所造成。

風機延遲開啟時間小于40 s時，風機開啟造成庫溫升高的曲線下降趨勢并不明顯，原因是前40 s為回液階段，并沒有低壓制冷劑供液。而40 s之后，該曲線呈線性降低，在延遲180 s時，由圖可見風機開啟幾乎不引起庫溫升高。

風機延時階段與風機開啟后造成的總庫溫升高曲線，一直呈線性下降。最大值為5 ℃，最小值為2 ℃，即風機延時開啟最大可將庫溫波動減小3 ℃。

圖4所示為風機延時開啟時，冷風機管路平均溫度和庫溫隨延遲時間的變化曲線。由圖4可知，冷風機表面平均溫度隨風機延遲開啟時間的增加而降低，且下降速率隨延遲時間的增大而減小。當延遲時間為140 s時，冷風機管路平均溫度小于等于庫溫，對庫溫升高的影響基本可以消除。當延遲時間為180 s時，由圖3可知風機開啟引起庫溫升高溫度已降至0 ℃，而風機延時時間階段造成的庫溫升高還在不斷增加。所以延時開啟最大時間不宜超過180 s。即此工況下風機延遲最佳時間可選為140～180 s。

圖4 延時開啟時管路平均溫度與庫溫的關系Fig.4 The relationship between the average temperature of evaporator tube and the temperature of storage

圖5 不延時開啟時冷風機制冷劑管路進出口溫度Fig.5 The inlet and outlet temperature of evaporator tubes with a fan not delaying starting

由圖5可知，風機不延時開啟時，結束除霜(700 s為結束除霜時刻)至管壁溫度降至與庫溫相同，僅50 s。

圖6所示為風機延時140 s與180 s的情況，與圖5相比此段降溫時間明顯更長，更平緩。原因在于風機不延遲時，蒸發器表面溫度是由庫內冷空氣強制冷卻。當然，管壁迅速降溫的同時也把熱量釋放在冷庫之中，增大了除霜余熱對庫溫波動的影響。

圖6 延時140 s與180 s開啟時管進出口溫度Fig.6 The inlet and outlet temperature of evaporator tubes with a fan delaying starting for 140 s and 180 s

圖7和圖8所示為除霜冷風機A、并聯冷風機B以及壓縮機的回氣管溫度，在除霜結束后25 min里隨時間的變化關系。由圖7可知，60～300s的4 min里，壓縮機回氣溫度低于冷風機A和B的回氣溫度，說明除霜結束后冷風機在冷空氣的強制冷卻后，空氣與制冷劑之間沒有傳熱溫差或傳熱溫差為負值。制冷劑在冷風機B中未完全蒸發，導致在壓縮機回氣管中仍有制冷劑液體蒸發吸熱，使壓縮機吸氣沒有過熱度。且此時壓縮機外殼結霜嚴重，存在濕壓縮。

圖7 不延時開啟時除霜后回氣管溫度隨時間變化Fig.7 The temperature of the evaporator tubes without a fan delaying starting after defrosting

圖8 延時140 s與180 s除霜后回氣管溫度隨時間變化Fig.8 The temperature of the evaporator tubes with a fan delaying starting for 140 s and 180 s after defrosting

由圖8可知，當除霜結束后風機延時140 s與180 s時，壓縮機吸氣溫度始終高于冷風機A或B的回氣溫度(壓縮機回氣始終存在過熱度)。且此時在整個過程中壓縮機外殼不會結霜，有效避免了壓縮機的濕壓縮。

5 結論

為解決除霜結束壓縮機可能發生的濕壓縮和庫體溫度升高問題，本文基于風機延時開啟的設計思路，對制冷劑除霜系統進行實驗研究，掌握風機延時開啟的系統參數變化和系統運行特性，結論如下：

1)庫溫-20 ℃時進行除霜操作，除霜結束不延時開啟風機，庫溫將突升5 ℃，并且恢復制冷之后的前4 min，壓縮機存在濕壓縮問題。

2)除霜結束風機延遲開啟，延遲時間越長，延遲階段庫溫升越大，風機開啟后造成的庫溫升越小?？値鞙夭▌与S延遲時間的增加呈減小趨勢，基于制冷劑除霜系統，風機延遲最佳時間為140～180 s。

3)在-20 ℃，3 kg結霜量工況下，除霜結束風機延時140～180 s開啟，可使庫溫波動較不延時情況降低3 ℃，總庫溫升高在5 ℃以內。除霜時間可控制在12 min左右。

4)制冷劑除霜系統，除霜結束風機延時開啟，可解決除霜結束隨即開啟風機情況下恢復制冷的前4min時間里壓縮機濕壓縮的問題。

本文受天津科技創新體系及平臺建設計劃(14TXGCCX00018)；天津市科技特派員項目(15JCTPC62700，16JCTPJC47800)；天津市應用基礎與前沿技術研究計劃(16JCQNJC06600)資助。(The project was supported by theTianjin Science and Technology Innovation System and Platform Construction Plan (No. 14TXGCCX00018) and Tianjin Technical Envoy Program (No. 15JCTPC62700 & No. 16JCTPJC47800) and Natural Science Foundation of Tianjin (No. 16JCQNJC06600).)

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About the corresponding author

Sun Zhili, male, lecturer, School of Mechanical Engineering, Tianjin University of Commerce, +86 13920590050, E-mail: sunzhili@tjcu.edu.cn. Research fields: optimization and energy saving of refrigeration system, food cold chain technology.

Influence of Fan Delayed Running on Temperature Fluctuation of Cold Storage after Liquid Refrigerant Defrosting Operation

Feng Hai Zang Runqing Sun Zhili

(Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology, Tianjin University of Commerce, Refrigeration Engineering Research Center of Ministry of Education, Tianjin Refrigeration Engineering Technology Center, Tianjin, 300134, China)

In order to solve the problem of the probable wet compression and temperature fluctuation of cold storage after liquid refrigerant defrosting operation, the method of fan delayed running is proposed. Taking the delayed time of fan running as a variable parameter, the experiment has conducted under the condition of -20 ℃ cold storage temperature and 3 kg weight of frost with the delayed time of fan running from 0 s to 180 s after the finish of defrost. The system parameters such as temperature fluctuation of cold storage after the finish of defrosts, defrosting time and the suction parameters of the compressor after system returning to work are analyzed and compared for different delay time of fan running. The result shows that running the fan without delay after defrosting, the cold storage temperature will sudden rise 5 ℃ and wet compression occurs for the first 4 min after refrigeration is resumed; the best delay time of fan running is 140 s to 180 s after defrosting and the rise of temperature in cold storage is 3 ℃ lower than that in the condition without fan delaying, and the temperature fluctuation of cold storage is within 5 ℃.The defrosting time is about 12 min, and the probable wet compression is completely avoided after refrigeration system returns to work.

cold storage; liquid refrigerant defrosting; temperature fluctuation; wet compression

0253- 4339(2017) 02- 0114- 05

10.3969/j.issn.0253- 4339.2017.02.114

2016年7月27日

TB61+1； TB657.1

A

孫志利，男，講師，天津商業大學機械工程學院， 13920590050，E-mail：sunzhili@tjcu.edu.cn。研究方向：制冷系統優化及節能，食品冷鏈。