對(duì)冷藏系統(tǒng)實(shí)施技術(shù)改造，提高冷庫(kù)制冷效果

王艷華，孫 團(tuán)，姜應(yīng)戰(zhàn)(海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266042)

對(duì)冷藏系統(tǒng)實(shí)施技術(shù)改造，提高冷庫(kù)制冷效果

王艷華，孫 團(tuán)，姜應(yīng)戰(zhàn)
(海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266042)

文章闡述了某型船用冷藏系統(tǒng)對(duì)保障船員執(zhí)行遠(yuǎn)洋運(yùn)輸任務(wù)的重要性和其自動(dòng)工作控制關(guān)系，總結(jié)了蒸發(fā)器嚴(yán)重結(jié)霜對(duì)系統(tǒng)的不良影響及相應(yīng)融霜措施的不足，研究了更為適用的解決蒸發(fā)器嚴(yán)重結(jié)霜問(wèn)題的方法。

冷藏系統(tǒng)；蒸發(fā)器；結(jié)霜；融霜措施

新時(shí)期，隨著我國(guó)對(duì)外經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，遠(yuǎn)洋運(yùn)輸任務(wù)越來(lái)越多，船員遠(yuǎn)航任務(wù)重。作為保障船員生活的系統(tǒng)，冷藏系統(tǒng)在船舶上用來(lái)貯藏肉類、菜類等食品，保證船員長(zhǎng)期海上生活所需和改善伙食條件，其作用尤為重要：一旦冷藏系統(tǒng)故障或效率大幅降低，便會(huì)極大地影響船員遠(yuǎn)洋運(yùn)輸任務(wù)的順利完成。而低溫庫(kù)蒸發(fā)器結(jié)霜(冰)太厚就是嚴(yán)重影響冷藏系統(tǒng)正常工作的一個(gè)重要原因，也是長(zhǎng)期困擾船員的一個(gè)重要問(wèn)題。

1 冷藏系統(tǒng)的自動(dòng)工作控制

冷藏系統(tǒng)設(shè)置高溫庫(kù)(又稱高溫冷風(fēng)機(jī)，保持庫(kù)溫在0～4℃)和低溫庫(kù)(又稱低溫冷風(fēng)機(jī)，保持庫(kù)溫在-10～-14 ℃)，并可分別或同時(shí)對(duì)其實(shí)施降溫。冷藏系統(tǒng)通常是在兩庫(kù)自動(dòng)溫控工況下工作。

將轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)放在“自動(dòng)”位置上，當(dāng)庫(kù)溫達(dá)到啟動(dòng)值時(shí)(菜庫(kù)4 ℃或肉庫(kù)-10 ℃)，溫度繼電器控制延時(shí)繼電器得電，水泵立即啟動(dòng)，延時(shí)30 s后制冷壓縮機(jī)、冷風(fēng)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)，同時(shí)供液電磁閥打開(kāi)，開(kāi)始制冷工作。當(dāng)某一庫(kù)溫度達(dá)到停止值時(shí)(菜庫(kù)0 ℃或肉庫(kù)-14 ℃)，其供液電磁閥關(guān)閉，冷風(fēng)機(jī)停止工作。當(dāng)兩庫(kù)溫度都達(dá)到停止值時(shí)，制冷壓縮機(jī)、水泵、冷風(fēng)機(jī)停止工作，電磁閥全部關(guān)閉。只有當(dāng)制冷壓縮機(jī)、水泵停機(jī)后，冷風(fēng)機(jī)才能由延時(shí)繼電器控制延時(shí)停車(chē)(可延時(shí)0～60 s)。

2 蒸發(fā)器結(jié)霜(冰)問(wèn)題及其影響

2.1蒸發(fā)器結(jié)霜(冰)問(wèn)題

長(zhǎng)時(shí)間海上航行時(shí)，為貯存食品，冷藏系統(tǒng)工作時(shí)間較長(zhǎng)。由于低溫庫(kù)要求的工作溫度低，而庫(kù)內(nèi)濕度又大，因此會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)器表面結(jié)霜，隨著冷藏系統(tǒng)工作時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，蒸發(fā)器的結(jié)霜情況越來(lái)越嚴(yán)重，霜層厚度不斷增加，甚至結(jié)厚厚的一層冰。

2.2蒸發(fā)器表面嚴(yán)重結(jié)霜(冰)對(duì)蒸發(fā)器工作性能的影響

霜的熱阻比盤(pán)管材料(銅或鋁)的熱阻大94～443倍，冰的熱阻也比盤(pán)管材料的熱阻大了近200倍[1]。因此，蒸發(fā)器結(jié)霜太厚，甚至結(jié)冰，會(huì)嚴(yán)重影響蒸發(fā)器熱交換性能[2-5]。

1)會(huì)直接增加蒸發(fā)器的傳熱熱阻、降低蒸發(fā)器的換熱系數(shù)，使蒸發(fā)器的傳熱性能大幅下降。

2)隨著霜層厚度的增加，會(huì)逐漸堵塞蒸發(fā)器的外部空間，使通過(guò)蒸發(fā)器的空氣流量越來(lái)越小，嚴(yán)重地破壞庫(kù)內(nèi)空氣與制冷劑之間的換熱，使蒸發(fā)器的換熱量大大減少。

這樣，當(dāng)庫(kù)內(nèi)溫度升高后，機(jī)組重新啟動(dòng)對(duì)冷庫(kù)降溫，工作時(shí)間長(zhǎng)但庫(kù)溫難以下降。

2.3現(xiàn)有融霜措施及效果

2.3.1 低溫冷風(fēng)機(jī)融霜措施

目前，該型冷藏系統(tǒng)低溫庫(kù)的蒸發(fā)器主要是采用電加熱的方法進(jìn)行融霜：在蒸發(fā)器的承水盤(pán)和泄水管處分別設(shè)有一個(gè)電加熱器，當(dāng)霜(冰)層厚度對(duì)蒸發(fā)器換熱效果影響較大時(shí)，可接通電加熱器對(duì)蒸發(fā)器進(jìn)行融霜(實(shí)際上，通常是在制冷機(jī)組停止工作后進(jìn)行)。

2.3.2 電加熱融霜的效果及缺陷

電加熱融霜方法可在霜層(冰層)不太厚的情況下將霜層(冰層)融解，恢復(fù)蒸發(fā)器的換熱性能，但當(dāng)霜層(冰層)厚度太大時(shí)，電加熱融霜的效果就會(huì)不理想，并且由于電加熱融霜方法本身存在的缺點(diǎn)，會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的工作和機(jī)組的使用壽命帶來(lái)不利的影響。

1)造成電能浪費(fèi)。

2)電加熱器加熱時(shí)放出的熱量使冷庫(kù)溫度升高較快，冷熱交替頻繁，不利于食品的貯存。

3)結(jié)霜嚴(yán)重甚至結(jié)厚冰時(shí)，融霜時(shí)間太長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致冷庫(kù)溫度上升較大，融霜后延長(zhǎng)了冷藏機(jī)組的工作時(shí)間，而隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)，蒸發(fā)器又會(huì)重新結(jié)霜，使系統(tǒng)陷入“結(jié)霜→融霜→冷庫(kù)升溫快→機(jī)組工作→結(jié)霜”的死循環(huán)。

4)隨著機(jī)組工作時(shí)間的延長(zhǎng)，機(jī)組工作的振動(dòng)等因素會(huì)降低機(jī)組的使用壽命。

因此，非常有必要采取其它有效措施來(lái)解決蒸發(fā)器嚴(yán)重結(jié)霜問(wèn)題。

3 解決蒸發(fā)器嚴(yán)重結(jié)霜(冰)問(wèn)題的方法

3.1控制庫(kù)內(nèi)的相對(duì)濕度在合理的范圍內(nèi)

研究表明[6]：庫(kù)內(nèi)相對(duì)濕度越大，蒸發(fā)器的結(jié)霜速度越快；同時(shí)，庫(kù)內(nèi)相對(duì)濕度越大，蒸發(fā)器換熱量下降的速度越快。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量，冷藏系統(tǒng)運(yùn)行30～45 min后，庫(kù)內(nèi)相對(duì)濕度為80%的情況下，蒸發(fā)器的換熱量下降到未結(jié)霜時(shí)的84%，庫(kù)內(nèi)相對(duì)濕度為70%時(shí)，蒸發(fā)器的換熱量下降為原來(lái)的87%，而庫(kù)內(nèi)相對(duì)濕度為60%時(shí)，蒸發(fā)器的換熱量下降為原來(lái)的92%。因此，要使蒸發(fā)器保持較高的換熱效率，應(yīng)盡量把庫(kù)內(nèi)相對(duì)濕度控制在較低的水平。為此，可采取以下措施。

1)低溫庫(kù)內(nèi)盡量裝載已凍結(jié)的食品，以免未凍結(jié)食品將大量水分帶入庫(kù)內(nèi)，導(dǎo)致庫(kù)內(nèi)相對(duì)濕度增大。

2)盡量控制冷藏系統(tǒng)所在艙室內(nèi)的相對(duì)濕度在較低的水平，特別是在炎熱潮濕的夏季，可適時(shí)開(kāi)啟艙室空調(diào)對(duì)艙室進(jìn)行降溫除濕，以降低庫(kù)內(nèi)空氣的含濕量。

3.2機(jī)組停車(chē)后，延長(zhǎng)低溫冷風(fēng)機(jī)工作時(shí)間

根據(jù)冷藏系統(tǒng)的工作原理和過(guò)程可知：在壓縮冷凝機(jī)組停止工作后，強(qiáng)制低溫冷風(fēng)機(jī)繼續(xù)工作，加強(qiáng)庫(kù)內(nèi)空氣流通，蒸發(fā)器表面所結(jié)的霜(冰)會(huì)緩慢融化(或升華)，這樣，既可解決蒸發(fā)器結(jié)霜(冰)的問(wèn)題，又達(dá)到了輔助降溫的效果。因此，為取得較好的融霜效果，可適當(dāng)延長(zhǎng)低溫冷風(fēng)機(jī)的工作時(shí)間。

但是，若低溫冷風(fēng)機(jī)一直工作，會(huì)浪費(fèi)電能并全時(shí)散發(fā)熱量，導(dǎo)致冷庫(kù)溫度上升速度加快，造成冷藏機(jī)組啟動(dòng)次數(shù)增多。為此，必須將冷風(fēng)機(jī)的延長(zhǎng)工作時(shí)間控制在合理的范圍內(nèi)。因此，對(duì)冷藏系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制成庫(kù)溫與機(jī)組停車(chē)后冷風(fēng)機(jī)工作時(shí)間關(guān)系圖，如圖1所示。

圖1 庫(kù)溫與冷風(fēng)機(jī)工作時(shí)間關(guān)系圖

試驗(yàn)結(jié)果表明：在壓縮冷凝機(jī)組停止工作后，低溫冷風(fēng)機(jī)繼續(xù)對(duì)冷庫(kù)進(jìn)行通風(fēng)約35～45 min，其融霜和冷庫(kù)降溫效果最佳。

根據(jù)前述冷藏系統(tǒng)的自動(dòng)工作控制過(guò)程可知，低溫冷風(fēng)機(jī)的延時(shí)工作是由延時(shí)繼電器來(lái)控制的，其延時(shí)范圍為0～60 s。為達(dá)到使低溫冷風(fēng)機(jī)在壓縮冷凝機(jī)組停車(chē)后繼續(xù)工作約35～45 min的目的，可以將控制低溫冷風(fēng)機(jī)的延時(shí)繼電器2KT更換為延時(shí)范圍為0～60 min的繼電器，并將其延時(shí)工作時(shí)間調(diào)整為35～45 min。

3.3改善空氣流通路徑，增強(qiáng)換熱效果

3.3.1 增設(shè)低溫冷風(fēng)機(jī)的吸氣風(fēng)道，提高庫(kù)內(nèi)空氣流通效率

如圖2和圖3所示，蒸發(fā)器及其冷風(fēng)機(jī)(圖2中粗線條部分所示)安裝在冷庫(kù)的頂部艙壁上，其后部弧形所示為船舶固殼。

圖2 低溫冷風(fēng)機(jī)安裝及庫(kù)內(nèi)空氣循環(huán)示意圖

圖3 低溫冷風(fēng)機(jī)實(shí)際安裝情況

工作時(shí)，冷風(fēng)機(jī)主要從后部吸氣：空氣經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器時(shí)，被蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑冷卻后，從前方圓形排氣口排出，如圖2中箭頭所示。這樣，庫(kù)內(nèi)空氣主要圍繞冷庫(kù)上部冷風(fēng)機(jī)周?chē)目臻g循環(huán)，流動(dòng)范圍小，冷庫(kù)中部空間與底部空間空氣循環(huán)流通效果差，冷庫(kù)降溫緩慢，造成冷藏機(jī)組工作時(shí)間長(zhǎng)，容易結(jié)霜(冰)。

由冷藏系統(tǒng)的工作原理和熱量傳遞的相關(guān)知識(shí)可知[7-8]，冷庫(kù)內(nèi)空氣流動(dòng)速度越快，其制冷效果越好，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)器結(jié)霜速度加快。因此，應(yīng)當(dāng)尋找?guī)靸?nèi)空氣流動(dòng)的最佳速度，既能達(dá)到提高空氣循環(huán)效率的目的，又能盡可能降低蒸發(fā)器的結(jié)霜速度。研究表明[8-9]：當(dāng)其它條件相同、庫(kù)內(nèi)風(fēng)速為1.5～2.5 m/s時(shí)，制冷系統(tǒng)的工作效率較高。因此，可采取措施盡量控制庫(kù)內(nèi)風(fēng)速在該范圍內(nèi)。

又根據(jù)差壓式冷卻理論[7-10]，針對(duì)冷庫(kù)內(nèi)空氣循環(huán)流通不良的情況，可以采取以下措施。

根據(jù)風(fēng)機(jī)風(fēng)量和控制風(fēng)速的要求，可在冷風(fēng)機(jī)下方和側(cè)方加裝部分吸氣擋板(約占用低溫庫(kù)0.15 m2空間，所占空間比例約為2.5%，對(duì)庫(kù)容影響不大)，并使各擋板組成一個(gè)吸氣風(fēng)道，其進(jìn)風(fēng)口在底部，距冷庫(kù)地面約為1.1 m。

加裝吸氣風(fēng)道后，冷風(fēng)機(jī)從冷庫(kù)底部吸氣，迫使庫(kù)內(nèi)空氣向吸氣風(fēng)道的進(jìn)風(fēng)口處聚集，加強(qiáng)冷庫(kù)上下空氣流通循環(huán)，提高冷庫(kù)的工作效率。

3.3.2 加裝低溫冷風(fēng)機(jī)排氣導(dǎo)風(fēng)板

在加裝低溫冷風(fēng)機(jī)吸氣通道的同時(shí)，在風(fēng)機(jī)出口正對(duì)面的立面墻和頂面之間，加裝一塊傾斜角度為45°的平面導(dǎo)風(fēng)板(具體如圖4中風(fēng)機(jī)出口對(duì)面的虛線四邊形所示)。

圖4 低溫冷風(fēng)機(jī)實(shí)際安裝情況示意圖

加裝導(dǎo)風(fēng)板后，冷風(fēng)機(jī)排出的冷空氣直接吹向?qū)эL(fēng)板的傾斜平面，由于該平面與風(fēng)機(jī)出口氣流方向成約45°的角，由流體力學(xué)的相關(guān)知識(shí)可知[7]：除少量冷空氣向左右分散改變流動(dòng)方向外，絕大部分的冷空氣將向下改變流動(dòng)方向，帶動(dòng)了庫(kù)內(nèi)中部空間和下部空間空氣的循環(huán)，消除了原來(lái)庫(kù)內(nèi)空氣主要在冷庫(kù)上部空間流動(dòng)循環(huán)的現(xiàn)象，很好地改善了庫(kù)內(nèi)空氣流通路線，提高了冷庫(kù)的工作效率。

3.4合理布置凍結(jié)食品，提高冷庫(kù)的工作效率

進(jìn)行凍結(jié)食品裝載時(shí)，應(yīng)對(duì)食品塊的放置進(jìn)行合理的布置：相鄰食品塊之間不能緊貼布置，應(yīng)留有4～5 cm的間隙，便于庫(kù)內(nèi)空氣在食品塊之間流動(dòng)，以提高冷庫(kù)的工作效率，從而減少冷藏系統(tǒng)的工作時(shí)間，降低蒸發(fā)器嚴(yán)重結(jié)霜的概率。

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In this paper,the importance of marine cryogenic storage system is shown in guaranteeing an ocean-shipping transportation together with the relation on its auto-control. The undesirable influence and insufficient defrosting measure are concluded from the evaporator's bad frosting.And some adaptive method is researched to solve the problem.

cryogenic storage system；evaporator;frosting; defrosting measure

U674.76

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.05.009

王艷華(1976-)，男，山東德州人，講師，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)、制造與管理。

2015-06-26