冷凝溫度變化對兩相射流泵供液平板速凍機的影響

萬金慶

曹曉程

厲建國

(上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306)

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冷凝溫度變化對兩相射流泵供液平板速凍機的影響

萬金慶

曹曉程

厲建國

(上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306)

研究了在不同冷凝溫度下平板速凍用兩相射流泵的工作性能，分析了冷凝溫度對模擬食品的凍結(jié)速率和平板速凍機系統(tǒng)總能耗的影響。通過改變冷凝溫度，在穩(wěn)定工況下測試引射系數(shù)，探究對射流泵性能的影響。結(jié)果表明：冷凝溫度25 ℃時，引射系數(shù)最大為1.58，系統(tǒng)能耗比冷凝溫度30，40 ℃時分別降低3.3%和10%，凍結(jié)速率提高12.5%和17.5%。

平板速凍機；食品冷凍；冷凝溫度；射流泵；凍結(jié)速率；能耗

近年來中國經(jīng)濟持續(xù)快速增長，能源消耗加快，面臨著資源不斷減少，發(fā)展方式急需改革的問題。推行節(jié)能減排，提高資源利用率勢在必行。制冷行業(yè)是高能耗產(chǎn)業(yè)，其節(jié)能方面的研究具有重大意義[1-3]。中國的海洋捕撈業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模龐大，水產(chǎn)品的冷藏保鮮顯得尤為重要。平板速凍機多數(shù)應(yīng)用于船舶制冷，其能減少凍品干耗，提高凍品質(zhì)量，同時常溫下即可操作[4]。隨著凍結(jié)機數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用范圍逐漸廣泛[5]。平板凍結(jié)機供液方式主要有3種：熱力膨脹閥供液、重力供液和液泵供液。其中，熱力膨脹閥供液和重力供液為自然對流換熱，制冷劑在平板內(nèi)換熱效果差，凍結(jié)時間較長，液泵供液屬于強制對流換熱，雖然提升了換熱系數(shù)，降低了凍結(jié)時間，但由于液泵需要電力驅(qū)動而增加了系統(tǒng)電能的消耗[6]。

射流泵具有結(jié)構(gòu)簡單，壽命長，無需電力驅(qū)動等優(yōu)點。制冷系統(tǒng)中，射流泵最早應(yīng)用于噴射式制冷，利用低位熱源驅(qū)動制冷系統(tǒng)[7]，隨后這方面研究逐漸增多。從20世紀(jì)80年代開始，射流泵作為節(jié)流裝置應(yīng)用到壓縮式制冷系統(tǒng)中，起到蒸發(fā)器的倍量供液和回氣增壓的作用。射流泵代替節(jié)流裝置，減少節(jié)流損失，驅(qū)動蒸發(fā)器的制冷劑液體再循環(huán)，以提高蒸發(fā)器的性能[8]。目前射流泵正成為國內(nèi)外研究熱點之一：兩相射流泵用作蒸汽壓縮式制冷循環(huán)中的膨脹裝置，優(yōu)化制冷系統(tǒng)[9]。采用數(shù)值模擬技術(shù)，分析射流泵工作性能及其內(nèi)部復(fù)雜的工質(zhì)流動，指導(dǎo)射流泵的實際設(shè)計與應(yīng)用[10-12]。Besagni G等[13]詳細(xì)描述了制冷劑性質(zhì)及其對噴射器性能的影響，并概述了工作流體和噴射器性能之間的關(guān)系。多級噴射器的研究也逐漸增多[14-15]。

文獻(xiàn)[6]中已經(jīng)證實，射流泵用作節(jié)流裝置應(yīng)用到平板速凍機制冷系統(tǒng)中是可行的。在此基礎(chǔ)上，本研究擬測試并分析不同冷凝溫度對兩相射流泵供液平板速凍機的影響，探究在射流泵幾何尺寸確定的條件下，是否存在最適冷凝溫度，旨在為實際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 平板速凍系統(tǒng)

基于射流泵能夠減少節(jié)流損失及引射低壓流體的特點，本研究小組發(fā)明專利[16]，提出了一種新型的射流泵節(jié)流供液制冷系統(tǒng)(見圖1)。

圖1 兩相射流泵供液系統(tǒng)原理圖Figure 1 Schematic diagram of the two-phaseejector system

該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：① 能夠及時將氣液分離桶和氣液循環(huán)桶內(nèi)的氣體返回壓縮機，避免浪費制冷劑氣體所獲得的膨脹功；② 制冷劑純液體進(jìn)入蒸發(fā)器，提高了換熱效率；③ 實現(xiàn)無電力驅(qū)動條件下蒸發(fā)器的倍量供液，減少了系統(tǒng)電能的消耗；④ 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于推廣應(yīng)用，提高了運行經(jīng)濟性。

基于文獻(xiàn)[16]，搭建了平板凍結(jié)機實驗臺，該系統(tǒng)采用射流泵供液方式，其系統(tǒng)原理見圖2。

1. 速凍平板 2. 壓力傳感器 3. 氣液分離循環(huán)桶 4. 回油加熱器 5. 氣液分離供液桶 6. 壓縮機 7. 冷凝器 8. 射流泵 9. 電磁閥 10. 手動截止閥

圖2 兩相射流泵供液制冷系統(tǒng)原理圖

Figure 2 Schematic diagram of the two-phaseejector for cooling system

本研究在射流泵供液方式下，研究平板凍結(jié)機的工作性能。凍結(jié)機：PF-420型，凍結(jié)能力為500 kg/次，凍結(jié)平板為7層，有效蒸發(fā)面積為25 m2，南通星諾冷凍設(shè)備有限公司；壓縮機：BITZER-S6F-30.2-40P型，系統(tǒng)制冷劑為R22，功率為22 kW，比澤爾(中國)有限公司；系統(tǒng)安裝空氣冷卻式冷凝器；氣液分離循環(huán)桶容積為0.24 m3，氣液分離供液桶容積為0.086 m3，均由上海特藝壓力容器有限公司加工。凍品溫度采用T 型熱電偶進(jìn)行測量，精度為±0.5 ℃，溫度記錄儀表型號為安捷倫34972A，掃描頻率為30 s/次，是德科技(中國)有限公司；渦街流量計測量制冷劑流量；采用DZFC-1 型的電能綜合分析測試儀測量系統(tǒng)能耗。試驗分別在上海的春、夏、冬季進(jìn)行，分別對應(yīng)冷凝溫度30，40，25 ℃。速凍機每層平板放置6個托盤，將海綿放入托盤并加適量純水，使海綿和平板充分接觸，以此模擬凍品。選取平板中心處的托盤布置溫度測點，并置于托盤中心位置，當(dāng)所有測點均降至-18 ℃以下時，凍結(jié)過程完成。春、夏、冬三季室外環(huán)境溫度不同，風(fēng)冷式冷凝器在不同冷凝壓力下運行。試驗系統(tǒng)運行時，打開電磁閥YV1和手動截止閥V2，射流泵引射氣液分離循環(huán)桶內(nèi)的低壓制冷劑進(jìn)入氣液分離供液桶，再次進(jìn)入蒸發(fā)平板內(nèi)蒸發(fā)，同時調(diào)整調(diào)節(jié)閥V1，維持氣液分離循環(huán)桶和氣液分離供液桶的壓力差，保證射流泵正常工作。

射流泵由噴嘴、吸入室、混合室和擴散室組成。本試驗用射流泵由上海逐源機械科技有限公司加工，其主要尺寸為：噴嘴最小直徑5.06 mm，入口管徑20 mm；吸入室入口管徑40 mm；混合室長度216 mm，直徑18 mm；擴散室長度181 mm，全角16°。

2 結(jié)果與分析

平板凍結(jié)機在射流泵供液方式下，冷凝溫度分別為25，30，40 ℃，測得7層凍品溫度曲線見圖3。

隨著凍品溫度的下降，平板凍結(jié)機制冷系統(tǒng)工況隨時改變，由圖3可知，當(dāng)0 ℃時，凍品溫度在較長時間內(nèi)保持不變，此時蒸發(fā)溫度基本不變，系統(tǒng)工況近似穩(wěn)定。該條件下通過改變冷凝溫度，可以較為準(zhǔn)確地測得射流泵的引射系數(shù)。空氣冷卻式冷凝器的冷凝溫度主要由環(huán)境溫度決定。春夏季環(huán)境溫度較高，凍品初始溫度為21 ℃和25 ℃，冬季環(huán)境溫度較低，凍品初始溫度8 ℃。由于凍品初始溫度不同，比較系統(tǒng)凍結(jié)性能時，以冬季冷凝溫度25 ℃，凍品初始溫度8 ℃為基準(zhǔn)，將冷凝溫度30 ℃和40 ℃的凍結(jié)時間和能耗進(jìn)行修正，扣除凍品降至8 ℃的時間與能耗。不同冷凝溫度下平板速凍機凍結(jié)性能見表1。

圖3 凍品溫度曲線Figure 3 The freezing curve of sample

表1 凍結(jié)性能比較Table 1 The freezing performance of system

由圖3還可以看出：平板凍結(jié)機在射流泵供液方式循環(huán)下，凍結(jié)曲線較為集中，凍品溫度下降較為一致。由表1可知，隨著冷凝溫度的提高，引射系數(shù)減小，凍結(jié)時間和系統(tǒng)能耗增加。這是因為：① 冷凝溫度的升高，工作流體在噴嘴出口處的速度越來越大，工作流體不能與引射流體充分混合便高速噴出，使得射流泵的性能下降；② 冷凝溫度升高導(dǎo)致冷凝壓力升高，壓縮比增大，壓縮機的壓縮功增加，制冷效率降低；③ 冷凝溫度為25 ℃時，射流泵引射系數(shù)較大，能夠較多的引射氣液分離循環(huán)桶內(nèi)的制冷劑再次進(jìn)入平板內(nèi)蒸發(fā)，增加了平板供液量，提升凍結(jié)速率，減少了系統(tǒng)能耗；④ 冷凝溫度過高會使壓縮機排氣溫度增高，潤滑油粘度降低，潤滑效果下降，氣閥密封性能降低，影響壓縮機運行的可靠性和壽命。

因此，適當(dāng)降低冷凝溫度可以提升射流泵的引射系數(shù)，減少系統(tǒng)功率消耗，提高運行的經(jīng)濟性。在實際運行過程中，必須密切注意冷凝溫度，必要時也應(yīng)給予調(diào)整。

3 結(jié)論

本試驗測試并分析了不同冷凝溫度下射流泵的引射系數(shù)和平板凍結(jié)機射流泵供液系統(tǒng)的運行狀況，得出以下結(jié)論：

(1) 平板速凍機采用射流泵供液，凍結(jié)曲線較為集中，凍品溫度下降較為一致。冷凝溫度25 ℃時，系統(tǒng)能耗比冷凝溫度30，40 ℃時分別降低3.3%和10%，凍結(jié)速率提高12.5%和17.5%。因此，適當(dāng)降低冷凝溫度可以提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。

(2) 在射流泵幾何尺寸確定的條件下，當(dāng)冷凝溫度25 ℃時，射流泵引射系數(shù)最大為1.58。合適的冷凝溫度能夠提升射流泵的引射系數(shù)，有益于射流泵的工作。

平板速凍機在合適的冷凝溫度下能夠提升系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。隨著射流泵數(shù)值模擬的發(fā)展和自動化程度的提升，其應(yīng)用將逐漸廣泛。

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The effects of condensing temperature changes on plate freezer with two-phase ejector田曉雨TIAN Xiao-yu

WANJin-qing

CAOXiao-chen

LIJian-guo

(CollegeofFoodScienceandTechnology,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China)

The working performance of plate freezer with two-phase ejector in different condensing temperature was investigated in this study. Moreover, the effects of condensing temperature on freezing rate and total energy consumption of plate freezer was also studied. Then the entrainment coefficient in stable conditions and explores the effects on Jet pumps were analyzed by changing the condensing temperature. The results showed that when the condensing temperature was 25 ℃, the ejecting coefficient was the highest about 1.58. Compared with 40 ℃and 30 ℃, the energy consumption was lowered by about 3.3% and 10% at 25 ℃, and the freezing time was shorten by about 12.5% and 17.5%，respectively.

plate freezer；frozen food；condensingtemperature；ejector；freezing-rate；energyconsumption

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(編號：2012AA092301)

田曉雨，男，上海海洋大學(xué)在讀碩士研究生。

萬金慶(1964-)，男，上海海洋大學(xué)教授，博士。 E-mail: jqwan@ shou.edu.cn

2016—09—12

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.11.016