基于冰漿蓄冷的集中制冷冷藏陳列柜的實驗研究

(中國科學院廣州能源研究所 廣州 510640)

陳列柜是耗電量大的一種用電設備，據統計每年美國超市消耗545億kWh的電能，其中制冷(主要是陳列柜)和空調系統的能耗大約占其中的75%[1]。因此人們對冷藏陳列柜的柜溫和能耗給予了更多的關注。現有的冷藏陳列柜的能耗降低措施主要從兩個角度考慮:即從結構設計和系統方面考慮。從結構方面考慮有風幕的優化設計[2]、蒸發器的優化設計[3]、防露加熱器的智能控制、夜間罩的使用[4]等等；系統方面考慮有并聯機組[5]、液體制冷劑過冷[6]、合適的融霜方式及融霜控制[7]等等。通過這些節能措施對冷藏陳列柜自身結構和系統方面的改進，冷藏陳列柜能耗有了不同程度的降低。

對于冷藏陳列柜，主要用于冷飲、果蔬及冷藏肉類的保溫，按制冷模式分為兩種類型:一種是獨立式，即制冷機組集成在陳列柜柜體內，冷凝器熱量直接排放到室內；另一種是集中制冷式，即制冷機組與陳列柜柜體分開設置，一臺制冷主機可同 向多臺陳列柜供冷。集中制冷冷藏陳列柜的冷凝器放在室外通風良好的地方，冷凝熱排放到室外，降低了超市空調的負荷，且具有噪聲低等特點，因此特別適合大型超級市場使用。然而，以制冷劑作為冷媒的系統，因蒸發溫度低于0℃，不可避免地產生蒸發器結霜現象，而融霜會造成柜體內部溫度波動，從而影響到食品儲藏品質。

這里在冷藏陳列柜的供冷模式上實現突破，利用冰水作為載冷介質，在蒸發器內吸收熱量對柜內空氣進行降溫，有效克服了結霜/融霜問題。冰水可以通過動態冰蓄冷技術制取[8]，可充分利用低谷電力進一步降低運行成本。在自行搭建的實驗系統上，改變冰水流量及風幕柜的出風速度，測量柜內溫度變化情況，實現了將動態冰蓄冷技術用于食品冷藏鏈領域。

1 實驗系統

1.1 系統原理

如圖1冰蓄冷集中制冷冷藏陳列柜原理圖所示:夜間電力低谷 ，開啟冰漿制冷制冷系統，將純水以絮狀冰的形式存儲與蓄冰桶內；白天電力高峰開始 ，抽取蓄冰桶底部0℃水至冷藏陳列柜換熱器為冷藏陳列柜保溫，高溫回水經由蓄冰槽上部的噴灑口直接噴淋到冰層上，與冰漿直接換熱。

圖1 冰蓄冷集中制冷冷藏陳列柜原理圖Fig.1 Schematic diagram for ice slurry vertical open cabinet with central refrigeration

1.2 實驗系統

實驗系統主要由四部分組成:冰漿生成系統、冷藏陳列柜、控制系統和測量系統。圖2為冰漿集中制冷冷藏陳列柜實驗系統。

圖2 冰漿集中制冷冷藏陳列柜實驗系統Fig.2 Test set for feasibility study

冰漿生成機組為廣州鑫譽蓄能科技有限公司研發的動態冰漿生成系統展示樣機，可以生成漿狀冰存儲于蓄冰槽內供實驗使用，蓄冰槽材料為有機玻璃，體積為1200mm×860mm×1000mm。

冷藏陳列柜為廣州市白云區金牛制冷設備廠，生產的型號為SCLG4-2000C立式冷藏陳列柜，體積為1600mm×850mm×1400mm；將該冷藏陳列柜經過改造，風機由原來定速改變為變速可調，由滑動電阻調速器實現。

控制變量為冷藏陳列柜的出風速度和蓄冰槽底部低溫冷水的流量，其中風速控制由滑動電阻調速器實現，低溫冷水的流量由變頻器控制變頻水泵實現。變頻水泵為德國威樂生產的MHI404系列，額定功率為750W，最大排水量為8t/h；變頻器為美國EDS公司生產的EDS800-2S0004，可以實現水泵在0～50Hz之間的轉變。

系統各測量儀器的規格如表1所示:

表1 各計量儀器規格參數Tab.1 instruments list

1.3 熱電偶布置

圖3 熱電偶布置示意圖Fig.3 Lay out of thermocouples

熱電偶布置如圖3所示:冷藏陳列柜從上至下分為五層，依據與取貨人的距離的遠近分為內側和外側，以取貨人面對冷藏陳列柜為基準，分為左側、中側和右側。由此五層擱板內側和外側的左、中、右各布置一個熱電偶，共30個測溫點；風幕的出風口和回風口的左、中、右各布置一個熱電偶共6個測溫點，A、B換熱器進出口處各布置一個熱電偶共4個測溫點，該實驗系統共有的40個測溫點。

1.4 實驗內容

按照國標GB/T21001.2-2007《冷藏陳列柜第2部分:分類、要求和試驗條件》[9]，環境溫度25℃，環境相對濕度60%，與柜體長度方向平行的風速為0.1～0.2m/s。

1)冷藏陳列柜在空載情況下，不同風幕出風速度和低溫水流量下，柜內的溫度分布；

2)在冷藏陳列柜內負載(擺滿瓶裝礦泉水)的情況下，柜內的溫度是否能夠達到冷藏溫度。

2 實驗結果與分析

2.1 冷藏陳列柜溫度響應曲線

空載情況下，風幕柜的出風溫度、第二層擱板外側溫度響應曲線如圖4。

圖4 溫度響應曲線(風速1.2m/s)Fig.4 Temperature response versus time at air velocity 1.2m/s

冷藏陳列柜換熱器進水溫度保持在1.5℃左右，冷藏陳列柜出風溫度從室溫25.3℃下降6℃溫度 間為15min，在以后溫度略有下降，溫度基本5.8℃上下波動；二層擱板外側的溫度變化趨勢與出風溫度趨勢相同，溫度比出風溫度高1.5℃左右。冰漿陳列柜風幕出風溫度不會低于2℃，因此風幕出風速度比獨立式冷藏陳列柜的風幕出風速度要大，形成簾幕能夠更有效的阻隔環境高溫空氣的侵襲；如果速度過大，會增加卷吸的環境高溫空氣質量，影響柜內溫度。在風幕出風速度在0.6m/s～1.2m/s之間變化 ，實驗得到了各風速下柜內溫度的分布，實驗結果表明冷藏陳列柜的風幕出風速度在1.0m/s～1.2m/s之間，柜體保溫效果最佳。

2.2 冷藏陳列柜內各層空載時的溫度分布

圖5 冷藏陳列柜內溫度場分布Fig.5 Temperature distribution inside cabinet at different shelf units

由圖5各層溫度分布圖可知，陳列柜內的柜溫沿風幕出風方向升高，在風幕出風速度高于1.0m/s ，柜內的保溫效果明顯比風幕出風速度在0.8m/s的情況下要好。在風幕出風速度高于1.0m/s ，一、二、三層的溫度能夠保證在冷藏溫度8℃以下，由于風幕屬于大空間的卷吸射流，不斷地卷吸周圍環境的熱空氣，質量不斷地增加，風幕下層的溫度較高，達到12℃，所以優化的風道設計應該加大底層擱板背部出風量，這樣使底層能夠達到冷藏溫度；一般內側的溫度要較外側的溫度穩定，陳列柜的出風系統除了大部分從風幕口吹出形成空氣幕之外，另外一部分則是通過冷藏陳列柜的背部出風系統吹出，由于背部絕熱好，幾乎不受外部空氣的影響，所以內側會比較恒定。

2.3 冷藏陳列柜中負載后的溫度分布

以瓶裝礦泉水為負荷進行負載測試，結果如圖6所示。蓄冰槽底部冷水的質量流量為1.36t/h，風幕出風速度為1.2m/s。這種情況下風幕出風溫度為5.5℃，柜內溫度除第五層擱板外，都在冷藏溫度8℃以下，因此在冷藏陳列柜內負載的情況下，柜內溫度可以達到冷藏溫度。

圖6 負載溫度分布Fig.6 Temperature distribution at full- fi lled load condition

3 結論

1)冰漿集中制冷冷藏陳列柜，無論是空載還是負載情況均可達到冷藏溫度8℃以下，且溫度平緩，波動很小，所以動態冰蓄冷技術完全可以應用于冷藏陳列柜。

2)將動態冰蓄冷技術應用于冷藏陳列柜是完全可行的，如果完善穩定取水溫度，優化換熱器和風道的設計，動態冰蓄冷的集中制冷冷藏陳列柜可以達到現有的獨立式冷藏陳列柜的保溫性能。

本文受廣東省重大科技專項計劃項目(2009A080305 002)、粵港關鍵領域重點突破項目(2009A011603005)和廣東省中國科學院全面戰略合作項目(2009A091100009)資助。The project was supported by Major Technologies Program of Guangdong Province (No.2009A 080305002),Key Areas Breakthroughs Project for Hong Kong/Guangdong Co-operative Tendering Program(No.2009A011603005) and Guangdong Province-Chinese Academy of Sciences strategic cooperative Program(No.2009A091100009).

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