冷藏陳列柜減濕預冷器對蒸發器性能的影響分析

張文慧 龔 毅 呂彥力

(鄭州輕工業學院 鄭州 450002)

根據食品儲藏標準(GB/T 21001.2—2007)，冷藏陳列柜儲藏易腐食品的溫度必須保持在5℃以下，滿足M1等級要求(-1～5℃)[1]。這就需要陳列柜制冷系統的蒸發器在較低的溫度下運行。當陳列柜蒸發器表面溫度降到0℃以下時，其表面開始有霜形成。由于霜層是由冰晶和濕空氣組成的多孔物質，有效導熱系數較小，所以霜層增加了蒸發器外側的換熱熱阻，降低了傳熱系數；同時霜層會部分地堵塞空氣側通道，增大流動阻力，從而減小空氣流量，導致蒸發器的換熱量下降，和風幕封閉敞口能力的降低，嚴重時甚至導致系統失效。因此，蒸發器必須定期融霜，這樣既消耗額外的能量，能耗增大，還會使系統運行不穩定。

但是，立式敞開式陳列柜可以讓顧客自由地拿取貨物，為顧客提供一個隨意、輕松的購物環境，促進商品銷售，所以在大型商場大量地使用。但是此類陳列柜有其自身致命的缺點：能耗嚴重。造成陳列柜能耗過大的原因主要有三點：1)周圍環境對柜內食品表面的輻射熱較大；2)通過風幕滲透進來的熱濕空氣較多，尤其是敞開式陳列柜；3)定期除霜消耗能量的同時又增加了陳列柜的熱負荷。

為了減緩蒸發器結霜，降低結霜對陳列柜性能的影響，可采用過熱器作為減濕預冷器[2-5]，承擔風幕空氣的預冷任務，使通過蒸發器的空氣溫度和含濕量降低，從而使得空氣和蒸發器翅片間的傳熱溫差減小，改善整個蒸發器的換熱性能。同時，蒸發器的結霜量減少，從而延長融霜周期，降低了融霜加熱量，增強冷柜內部溫度的穩定性。

1 實驗裝置

實驗臺參照國家標準GB/T21001.1—2007[1]冷藏陳列柜實驗條件搭建。實驗以某公司型號為DEI-107的立式敞開式冷藏陳列柜為研究對象，該陳列柜是專門針對便利店開發的薄型立式風幕柜，擱架有多層，風幕為兩層結構。減濕預冷器設于陳列柜底層擱架下方，如圖1所示[2]。

圖1 實驗用陳列柜實物圖Fig.1 Picture of the experimental cabinet

圖2 陳列柜前風速測點Fig.2 Air movement measurement position of cabinet

根據GB/T 21001.2—2007[1]，實驗將陳列柜布置在恒溫恒濕空調室內。測試環境選擇Climate class 3(測試環境溫度為25℃，環境相對濕度為60%，濕球溫度為17℃)，與柜體長度方向平行的風速為0.1～0.2m/s，測速位置及參考位置如圖2所示。

2 實驗結果分析

增設空氣預冷器后，通過蒸發器的空氣溫度和含濕量均有所降低，使得空氣和蒸發器翅片間的傳熱溫差減小，由于隨著傳熱溫差的減小，換熱系數呈遞增趨勢，相當于蒸發器有效換熱面積增大，從而整個蒸發器的換熱性能得到改善。同時，系統運行時，蒸發器的結霜量會有所減少，從而延長融霜周期，降低了融霜加熱量，使陳列柜負荷降低，進而使陳列柜內部食品溫度穩定性有所增強。

2.1 減濕預冷器對蒸發器進口空氣狀態的影響

陳列柜風幕回風通過減濕預冷器后溫度降低，含濕量減少。從圖3可以得到，通過減濕預冷器后空氣溫度降低2.4℃，并且一個融霜周期內(6h)減濕預冷器產生冷凝水3.9kg。陳列柜運行5h后隨著蒸發器結霜量的增加，蒸發器換熱性能下降，預冷器前后空氣溫度又逐漸上升。6h后，陳列柜開始融霜，壓縮機關閉，因此減濕預冷器前后的溫度開始趨于一致。

圖3 減濕預冷器前后空氣溫度Fig.3 Air temperature before and after the pre-cooler

2.2 減濕預冷器對蒸發器結霜量及結霜速度的影響

改造前冷藏陳列柜樣機工作2h后，就開始出現薄薄的霜層，4h后就會出現大量的霜，致使翅片幾乎完全被封住。而使用除濕預冷器后，系統運行3h后開始出現很薄的霜層，隨后霜層逐漸加厚，5h后，霜層變厚速度加快，蒸發器換熱性能急劇惡化。

實驗用陳列柜采用熱氣融霜方式，融霜時，壓縮機停機，制冷劑不流動，只有風機正常工作。融霜周期設定為6h，以時間控制融霜，若時間到達或者柜內溫度大于設定最高溫度時，融霜結束。實驗結果表明：實驗用冷藏陳列柜使用減濕預冷器前后融霜水量減少5.9%。

2.3 減濕預冷器對蒸發器融霜時間的影響

使用減濕預冷器后，蒸發器融霜時間也發生變化。環境溫度為25℃，相對濕度60%時，改造前陳列柜樣機融霜時間為25min，使用除濕預冷器后，融霜時間降為18min。融霜水量的減少和融霜時間的縮短，也使柜內食品溫度回升降低，從而為食品安全帶來有利條件。

2.4 減濕預冷器對陳列柜負荷的影響

陳列柜冷藏空間內空氣的熱平衡關系如圖4所示。由能量守恒關系可得：

其中陳列柜冷負荷可由下式表示：

冷藏陳列柜的負荷可以由下式計算得出[6]：

其中：Qcond—柜壁與外界的導熱量；Qcur—風幕與外界的換熱量；Qin—柜內熱負荷(食品，照明，風扇等)；Qrad—柜壁與外界輻射換熱量；Qinlet—風幕進口空氣帶來的熱量；Qoutlet—風幕進口帶走的熱量；Q—陳列柜冷負荷；V－風量；ρi, ρo－進出口空氣密度；hi, ho－進出口空氣焓值。

圖4 陳列柜冷藏區熱平衡示意圖Fig.4 Sketch map of the energy balance in display cabinet

圖5為根據式(3)求出的冷藏陳列柜系統改造前后熱負荷在一個周期內的變化曲線。結果表明，使用減濕預冷器后冷藏陳列柜熱負荷有所降低，特別是系統運行2h后，相對于改造前的冷藏陳列柜來說，使用減濕預冷器后，冷藏陳列柜熱負荷大大降低。一個運轉周期內(6h)，改造前冷藏陳列柜熱負荷平均為5.37kW，而系統改造后熱負荷為4.34kW，降低19.2%。熱負荷降低的原因主要有兩點：1)使用減濕預冷器后，風幕的封閉敞口能力得到了提高，因此通過風幕的滲透負荷減少[4]；2)使用減濕預冷器后，蒸發器結霜量有所減少，從而減少了融霜加熱量及融霜多余熱，同時也減少了融霜時滲透負荷。

圖5 冷藏陳列柜熱負荷曲線Fig.5 Curves of the heating load in the display cabinet

3 結論

以一臺DEI-107型立式敞開式中溫食品陳列柜為研究對象，通過實驗，研究減濕預冷器對蒸發器性能的影響。研究表明：1)使用減濕預冷器可降低蒸發器進口空氣的溫度和含濕量；2)減濕預冷器可減緩蒸發器的結霜速度，減少蒸發器的結霜量及融霜時間；3)減濕預冷器的使用可減少融霜滲透負荷，從而降低陳列柜負荷，有利于保持柜內食品溫度的穩定性。

[1]中國制冷標準化技術委員會.GB/T 21001.2—2007冷藏陳列柜第2部分: 分類、要求和實驗條件[S].北京: 中國標準出版社, 2007.(China Standardization Technology Assiciation of Refrigeration. GB/T 21001.2—2007 Refrigerated display cabinets—Part 2: Classification,requirements and test conditions[S].Beijing：China Standardization Publishing House.)

[2]張文慧, 龔毅, 呂彥力.環境溫濕度對冷藏陳列柜空氣預冷器性能的影響[J]. 制冷學報, 2008, 29(6): 57-60.(Zhang Wenhui, Gong Yi, Lu Yanli. Effect of Ambient Temperature and Humidity on Performance of Pre-cooler in Display Cabinet [J].Journal of Refrigeration, 2008, 29(6): 57-60.)

[3]Lv Y L, Zhang W H, Yuan P, et al. Experimental study of heat transfer intensi fi cation by using a novel combined shelf in food refrigerated display cabinets[J]. Applied Thermal Engineering, 2010, 30:85-91.

[4]楊曉明, 張文慧, 龔毅. 減濕預冷器對冷藏陳列柜風幕性能的影響分析[J].制冷，2007，26(3)：40-44.(Yang Xiaoming, Zhang Wenhui, Gong Yi. The Effect of Precooler to Air-curtains in Refrigerated Display Cabinets [J].Refrigeration,2007,26(3):40-44.)

[5]呂彥力.冷藏陳列柜食品強化傳熱及節能技術研究[D].西安：西安交通大學, 2008.(Lv Yanli. Investigation on Enhanced Heat Transfer of Food in Refrigerated Display Cabinets and Energy Saving Technologies[D]. Xi'an:Xi'an Jiaotong University,2008.)

[6]鄧詠梅, 徐正本, 陳蘊光, 等. 確定陳列柜熱負荷新方法的研究[J]. 制冷空調與電力機械, 2003,(5):7-9.(Deng Yongmei, Xu Zhengben, Chen Yunguang, et al. Research on a New Method of Calculating Heat Load of Display Cases[J]. Refrigeration Air Conditioning & Electric Power Machinery, 2003,(5): 7-9. )