真空冷卻中能耗問題的分析研究

(上海理工大學能源與動力學院 上海 200093)

真空冷卻具有降溫速度快、溫度分布均勻等優(yōu)點，因此得到日益廣泛的應用[1-3]。

真空冷卻中的能耗是人們所關心的關鍵問題之一。上海海事學院的韓厚德通過實驗得出壓縮機、真空泵和其他設備功耗分別占總能耗的68%、18%和14%，并指出在閃發(fā)后約10分鐘，若使壓縮機卸載25%，總裝置耗能可降低8%左右；真空裝置選用多臺小容量真空泵，在閃發(fā)前全部投入運行，加快抽真空速率，使壓縮機縮短空載運行時間，節(jié)約壓縮機總能耗，在閃發(fā)后減少投入工作的真空泵臺數(shù)，降低真空泵的總能耗[4]。上海理工大學的周冰等將不同樣品、不同工況下的真空冷卻能耗進行對比，闡述真空冷卻過程中的能耗分布情況，力圖從預處理方式、操作規(guī)程、冷卻效果等方面尋找真空冷卻的相對最佳節(jié)能點[5]。

真空冷卻的能耗與真空裝置中的系統(tǒng)匹配有關，當裝置匹配確定后，還與真空冷卻中過程控制及被冷卻物體的物量有關。選用不同質量的水，分別在不同溫度下開啟真空泵，通過測得的能耗值分析真空泵開啟溫度和被冷物質量對真空冷卻系統(tǒng)能耗的影響。作為能耗的判斷依據(jù)，提出折算能耗與當量能耗的概念，以減小不同實驗條件對實驗數(shù)據(jù)的影響。

1 真空裝置系統(tǒng)匹配依據(jù)

真空冷卻是利用低壓使被冷卻物品中水分在較低的溫度下蒸發(fā)并帶走汽化潛熱，從而使被冷卻物品溫度降低，蒸發(fā)水汽一部分被捕水器凝結成液體經排水閥排出，一部分以蒸汽形式被真空泵抽出。蒸發(fā)水汽的量是確定真空裝置系統(tǒng)真空泵與制冷系統(tǒng)匹配的基本依據(jù)，從而決定裝置能耗。

根據(jù)能量守恒定律，被冷卻物因溫度下降所散發(fā)的熱量應等于水分蒸發(fā)所吸收的熱量，即:

式中:C —被冷卻物冷卻前的比熱容，kJ/(kg.K) ；

G —被冷卻物的質量，kg；

ΔT —被冷卻物真空冷卻前后的溫降，K；

γ —水分單位質量的氣化潛熱，kJ/kg。

由此可得到被冷卻物品的理論失水為:

在真空冷卻過程中，由于液體會發(fā)生劇烈沸騰，導致水分飛濺出盛放液體的容器，造成大量失水，所以實際失水往往大于理論失水。

真空冷卻過程可分為三個階段。第一階段，真空冷卻室內壓力從大氣壓降至被冷卻物品初溫所對應的飽和壓力，此時真空室中壓力尚未低到足以使被冷卻物品中水分閃發(fā)的程度，制冷系統(tǒng)負荷極小；第二階段，閃發(fā)開始，被冷卻物品中的水分從物品本身吸收大量熱量而迅速汽化，捕水器必須及時將大量水汽凝結成液體，制冷系統(tǒng)的負荷最大；第三階段，水分蒸發(fā)明顯減慢，制冷系統(tǒng)的負荷明顯降低。系統(tǒng)的最大負荷出現(xiàn)在第二階段，若以此階段負荷設計系統(tǒng)，需要配置較大的制冷系統(tǒng)，現(xiàn)有裝置多采用蓄冷的方式，使用時先開啟制冷系統(tǒng)對載冷劑預冷，在捕水器溫降至某一點時開啟真空泵進入真空冷卻階段。

在真空冷卻過程中，捕水器的捕水能力直接影響著真空冷卻的效果。如果捕水器的導通能力好，比表面積大，管外表面與水汽碰撞幾率高，其捕水能力就高，才能保證真空泵的正常運轉，因此高效的捕水器能夠減少進入真空泵的水蒸汽量，從而有效地保護真空泵、防止水分再蒸發(fā)，同時降低能耗[6]。

2 實驗研究及數(shù)據(jù)處理

實驗在自行研制的真空冷卻裝置上進行。測控系統(tǒng)的核心為SIEMENS S7-200PLC，采用8775A數(shù)字電參量測試儀進行功耗和能耗的在線檢測。上位機為PC機，主要作用是對PLC進行監(jiān)控。試驗臺用西門子公司的Step7語言編寫PLC端的通信和控制程序, 在PC端用VB6.0實現(xiàn)串行通信的控制和監(jiān)控界面的顯示。在真空冷卻過程中，需要對溫度、壓力、重量進行檢測，對制冷機、真空泵和水泵進行控制并測試功率與能耗，以便比較分析。

2.1 能耗影響因素分析及數(shù)據(jù)處理依據(jù)

真空冷卻裝置主要耗能部件是制冷機、真空泵和水泵。

在真空冷卻過程中，先開啟水泵與制冷系統(tǒng)(圖1中的A-B)，通過載冷劑將捕水器預冷至預定溫度，此過程能耗稱為前級能耗Pq。然后開啟真空泵(圖1中C-D)，使樣品得到真空冷卻，此過程的能耗稱之為后級能耗Ph。

圖1 真空過程功率-能耗圖Fig.1 Power and energy consumption during vacuum cooling

前級能耗是將載冷劑的溫度從T0初(捕水器表面的初始溫度)降到T0啟(開啟真空泵時捕水器表面溫度)系統(tǒng)消耗的能耗。由于每次裝置啟動時T0初不同，前級能耗Pq會因此產生差異，對數(shù)據(jù)分析產生影響。為此特定一個初始溫度T0*，從T0初至T0*所消耗的能耗稱為附加能耗。若T0初＞T0*，則在前級能耗的測試值中，減去制冷系統(tǒng)從T0初到T0*所產生的附加能耗，得到折算能耗P*；反之若T0初＜T0*，則在前級能耗的測試值中，加上制冷系統(tǒng)從T到T*0初0所產生的附加能耗。所有實驗通過上述方法對實驗數(shù)據(jù)進行處理。附加能耗可在空載時制冷系統(tǒng)能耗的實驗結果中查得，如實驗曲線圖2所示。該圖為裝置空載時，將捕水器表面從25℃降至15℃的功耗。

圖2 捕水器表面溫降與能耗的關系Fig.2 Relationship between temperature drop of the capture of water and energy consumption

后級能耗Ph是從開啟真空泵至將被冷卻物品降至某一特定終溫所消耗的電能。后級能耗主要與T0啟、被冷卻物品的量以及初溫有關。在其它參數(shù)確定情況下，研究其中一個參數(shù)對能耗的影響。

總能耗為折算能耗P*與后級能耗Ph之和。

2.2 真空泵開啟溫度T0啟與裝置能耗的關系

將盛有2.5kg、初溫為23℃水的放入真空室，將熱電偶固定在容器內測溫，蓋上真空室玻璃蓋板，開啟制冷系統(tǒng)和水泵，分別在捕水器表面降溫至-5℃、0℃、5℃、10℃、15℃時開啟真空泵，當水溫降至8℃時結束試驗。實驗過程中由電腦進行功耗的數(shù)據(jù)采集，實驗結束后對實驗數(shù)據(jù)進行處理。取T0

*為20℃，若T0初＞20℃,附加能耗為負，即需減去捕水器表面由T0初至20℃系統(tǒng)能耗；若T0初＜20℃,附加能耗為正，即需加上捕水器表面由20℃至T0初系統(tǒng)能耗。

數(shù)據(jù)結果處理如圖3所示。

圖3 開啟真空泵溫度與總能耗的關系Fig.3 Relationship between temperature the vacuum pump turned on and energy consumption

再分別選取2.0kg、1.5kg，初溫為23℃的水按上述方法進行實驗，可得出同樣結論，因此得出結論:對實驗裝置，在10℃時開啟真空泵系統(tǒng)總能耗最小。

預冷應使捕水器表面溫度低于水汽對應的露點溫度，同時要滿足真空冷卻過程中捕水器凝結的水量。若捕水器表面溫度太高，則會降低凝結水量，增加了真空系統(tǒng)的負荷，甚至達不到降溫的目的；而溫度太低，又會過多消耗制冷系統(tǒng)能量，甚至在捕水器表面結冰，增加了熱阻而使凝結性能降低。因此，真空泵開啟時刻取決于捕水器表面溫度，合理控制捕水器表面溫度將是一種有效的節(jié)能途徑。

2.3 被冷物質量與裝置能耗的關系

進行能耗的實驗研究，需要對不同的實驗條件進行比較，這不僅包括以上所述的不同的真空泵開啟溫度T0啟，還包括不同的樣品質量G以及不同的降溫幅度ΔT。為便于比較，提出當量能耗的概念，即:

當量能耗P當量就是將不同的G與ΔT的實驗結果換算成單位質量、單位溫降的能耗。

分別選取質量1.5kg、2.0 kg、2.5kg、3kg的水為實驗樣品，樣品初溫統(tǒng)一為23℃，實驗方法同上。開啟制冷系統(tǒng)和水泵，當捕水器表面降溫至10℃時開啟真空泵，當水溫降至8℃時結束試驗。

同樣取T0*為20℃，同樣方法對實驗數(shù)據(jù)進行處理。結果如表1所示。

表1 被冷物質量與能耗的關系Tab.1 Relationship between mass and energy

由表1可以明顯看出，隨著被冷物質量增加，被冷卻物品發(fā)生相同溫降需要散發(fā)的熱量增大，對應的蒸發(fā)水量增大，根據(jù)能量守恒定律，總能耗必然增加。對當量能耗來說，被冷物的量過小，“閃發(fā)”水汽較少，捕水器的捕水能力大于水汽的蒸發(fā)量，制冷系統(tǒng)處于部分“空載”狀態(tài)，造成被冷物品當量能耗增大；當被冷物質量過大時，“閃發(fā)”水汽較多，捕水器的捕水能力小于水汽的蒸發(fā)量，制冷系統(tǒng)處于 “超載”狀態(tài)，捕水器不能及時將蒸發(fā)水汽凝結成液體，造成真空系統(tǒng)工作時間延長，總能耗增加，同時被冷物品當量能耗增大。就裝置而言，最佳負載在2.5kg，應盡量使裝置在該負載附近運行。

3 結論

蒸發(fā)水量是確定真空裝置系統(tǒng)匹配的基本因素，是裝置的能耗的一個關鍵因素。當裝置匹配確定后，采用折算能耗與當量能耗便于進行能耗的分析與比較研究，得出合適的真空泵開啟溫度與被冷物質量是節(jié)能的有效方法。

(本文受上海市重點學科建設項目(S30503) 資助。The project was supported by Shanghai Leading Academic Discipline Project (S30503).)

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[2] 馮志哲.食品冷藏學[M].北京:中國輕工業(yè)出版社，2001, 39-40.(Feng Zhizhe. Food Cryology[M]. Beijing:China Light Industry Press, 2001, 39-40.)

[3] 鄧東泉,孫恒,肖尤明，等.真空預冷技術的現(xiàn)狀和發(fā)展前景[J]. 食品工業(yè)科學技術, 2002,23(7):73-75.(Deng Dongquan, Sun Heng, Xiao Youming, et al. The status and development prospects of vacuum cooling[J]. Food Industry Science & Technology, 2002, 23(7):73-75.)

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[6] 王雪芹.一種高效捕水器:中國, 200520012555[P]. 2006-2-22.(Wang Xueqin. An Eff i cient Water Catching Device:China, 200520012555[P]. 2006-2-22.)