冷庫冷風機傳熱性能的實驗研究

姜傳勝 劇成成

(1 煙臺市政府投資工程建設中心 煙臺 264002；2 冰輪環境技術股份有限公司 煙臺 264002)

全球冷鏈物流行業發展迅速，市場規模在2018年已達到1 600億美元，并有望在2026年之前增長至5 850億美元，年增長率預計高達17.9%[1]。這在很大程度上得益于中國冷鏈物流行業的快速發展。自2013年起，中國冷鏈物流的市場規模每年增長15%，預計至2024年將產生800億美元的收入[2]。有40%的食物需要在交付時進行冷藏，冷庫設備的能耗占總功率的53%[3]。低溫冷藏食品的單位產品最小能耗為 0.17 kW·h/(td)，最大能耗為0.92 kW·h/(td)，最大能耗約為最小能耗的5倍[4]。因此，冷庫具備極大的節能空間[5-7]。冷風機性能的高低對整個冷庫設備的性能起著決定性的作用。雖然目前國內的冷風機廠商很多，但整機設計與測試水平還不足以滿足市場規模高速增長帶來的多變需求[8-9]。

為提高冷風機傳熱性能，研究者們針對冷風機結構及其參數進行了較多研究。臧潤清等[10-11]對比了重力供液制冷系統與直接膨脹供液制冷系統的性能，認為重力供液制冷系統在低溫下運行更具有優勢。金磊等[12]對冷風機的流程分布進行模擬計算和優化設計，研究表明單排管雙流程布管方式能夠使冷風機的性能最優。Wang Chichuan等[13]通過風洞實驗研究了干工況下平面、半凹痕渦流發生器和百葉窗翅片結構冷風機的傳熱性能。發現在18種情況下，百葉窗型翅片在1.6 mm和2.0 mm翅片間距時，空氣側傳熱效果最優。S.Wongwises等[14]實驗研究了翅片間距與管排數對冷風機性能的影響，結果表明翅片間距對空氣側傳熱的影響可忽略不計，只有當Re>2 500時，由于摩擦的影響增加，從而影響了空氣側的傳熱。

冷風機的運行條件對冷風機的性能同樣具有重要影響。黃東等[15]建立了風速非均勻分布分析模型，與均勻風速相比，非均勻風速下風速較大的管路傳熱量大，風速較小的管路傳熱量小，且后者減小的幅度顯著。周翔等[16]研究了風量和制冷劑流量對翅片管冷風機性能的影響，結果表明：風量對冷風機的出口過熱度影響很大，對冷風機而言存在一個最佳風量，超過該值風量的變化對制冷量的影響較小。申江等[17-18]結合數值模擬與實驗研究了冷風機的傳熱性能，結果表明循環倍率約為3時冷風機性能最佳。

可靠的實驗數據對于冷風機的優化設計是非常必要的。本文建立了冷風機實驗平臺，通過實驗得到冷風機穩定運行時的傳熱性能數據，并分析了不同工況對冷庫冷風機的影響。

1 實驗設備

1.1 實驗系統

本實驗系統主要由螺桿制冷壓縮機、冷凝器、高壓儲液桶、低壓循環桶、供液泵/膨脹供液調節站、電磁閥、冷風機、氣液分離器、回熱過熱器構成，如圖1所示。實驗室主要由實驗室夾層、校準箱、冷風機、電加熱器等裝置構成。通過測量輸入到校準箱中的熱量來確定冷風機的制冷量。校準箱的設計及測點布置均依照ASHRAE標準[19-20]。同時，校準箱安裝在溫度能維持在一個恒定值的實驗室夾層中，并在夾層中保持較低的溫度。校準箱及其內部的主要結構有保溫層、加熱器。校準箱的保溫結構由厚聚氨酯保溫板、保溫門構成。本實驗制冷劑選用R717。

1壓縮機；2冷凝器；3高壓儲液筒；4低壓循環桶；5供液泵；6電磁閥；7冷風機；8氣液分離器；9回氣過熱器；10體積流量計；11質量流量計。圖1 冷風機性能實驗系統Fig.1 Air cooler performance test system

在冷風機進風口分別安裝8個溫度傳感器，安裝位置如圖2所示，利用EJA型壓力表測量制冷劑進出冷風機的壓力。質量流量由流量計測得。實驗中所采用的主要測量儀器及精度如表1所示。

圖2 進風口溫度傳感器安裝位置Fig.2 Installation location of the air inlet temperature sensor

表1 主要測量儀器及精度Tab.1 Main test instruments and accuracy

1.2 冷風機

冷風機主要由風機、翅片管傳熱器、接水盤、外殼、引風板組成，具體結構如圖3所示。實驗使用的冷風機結構參數如表2所示。

圖3 被測試冷風機樣機Fig.3 The tested air cooler prototype

表2 冷風機的結構參數Tab.2 Geometry parameters of air cooler

1.3 測試工況

通過改變庫溫、傳熱溫差、循環倍率來考察冷風機在不同工況下的性能。以傳熱溫差表示校準箱內溫度與制冷劑蒸發溫度的差值，以2 ℃為一個步長；循環倍率表征制冷劑進入冷風機的流量與蒸發量的比值。當冷風機進口的制冷劑過冷或剛好處于飽和狀態附近時，進口干度為0，故循環倍率可以用干度的倒數來表示。冷風機的測試工況為：庫溫10～34 ℃；傳熱溫差6～10 ℃；循環倍率1.5、2、3、4、5。

2 數據處理

為準確測量冷風機的實際制冷量，參考相關標準[19,21]，利用空氣側熱平衡法和制冷劑側焓差法兩種方法測試冷風機的制冷量。

2.1 空氣側熱平衡法

空氣側熱平衡法制冷量：

Qa=Kl(T2-T1)+Qe+Qf

(1)

式中：Qa為空氣側熱平衡法計算出的制冷量，kW；Kl為校準箱的漏熱系數；T2為校準箱內的干球溫度，℃；T1為實驗室內的干球溫度/℃；Qe為電加熱功率，kW；Qf為校準箱內其他輔助設備的功率，kW。本實驗中，標定的漏熱系數Kl=77 W/℃。

2.2 制冷劑側焓差法

通過測量進出冷風機的制冷劑溫度和壓力值，確定制冷劑進出冷風機的焓差值，乘以測定的系統制冷劑質量流量，最終得到制冷劑側的制冷量。

制冷劑焓差法制冷量：

Qr=mr(h2-h1)

(2)

式中：Qr為制冷劑側焓差法計算所得的制冷量，kW；mr為制冷劑質量流量，kg/s；h2和h1分別為進入、離開冷風機制冷劑的焓值，kJ/kg。

利用上述兩種方法測得的制冷量差值應在所測得的較小制冷量的5%以內，所以冷風機的實際制冷量可以按照上述兩種方法的平均值求得：

Q=(Qa+Qr)/2

(3)

冷風機的傳熱系數：

K=Q/(AΔT)

(4)

式中：ΔT為冷風機蒸發溫度和校準箱內空氣的對數傳熱溫差，℃；A為冷風機的面積，m2。

3 結果分析與討論

3.1 庫溫的影響

為了研究冷風機性能對庫溫的敏感性，將冷風機置于-34～10 ℃庫溫條件下，傳熱溫差為10 ℃，供液泵的流量幾乎不變，循環倍率為3，測試冷庫溫度對冷風機的傳熱及制冷量的影響。

通過計算得到不同庫溫條件下冷風機的傳熱系數如圖4所示。冷風機的傳熱系數隨著庫溫的升高而不斷增大。由于傳熱溫差不變，制冷量與傳熱系數隨庫溫的變化趨勢應是相近的。當庫溫從-34 ℃升至10 ℃時，傳熱系數由16 W/(m2·℃)增至18.8 W/(m2·℃)，增幅達17.5%。傳熱溫差相同時，隨著庫溫的升高，制冷劑蒸發溫度升高，一方面加快了制冷劑不凝結氣相的逸出速度，另一方面由氣泡動力學相關關系[22-23]可知：

圖4 不同庫溫下的傳熱系數Fig.4 Heat transfer coefficient under different storage temperatures

R泡=2σ/ΔP泡

(5)

式中：R泡為沸騰氣泡的平衡態半徑，m；σ為氣泡表面張力，N/m；ΔP泡為氣泡內外壓力差，N/m2，與傳熱溫差成正相關。

制冷劑的表面張力減小，沸騰氣泡的平衡態半徑減小，有利于產生更多的氣泡核心，從而強化了制冷劑側的沸騰傳熱；同時，空氣的導熱系數增大，空氣側的對流傳熱也得到了增強。可見隨著庫溫升高，冷風機傳熱系數呈上升趨勢。

3.2 傳熱溫差的影響

為了研究冷風機在不同傳熱溫差下的傳熱性能，分別選取庫溫為-25 ℃與-10 ℃，循環倍率為3，測試不同傳熱溫差下的傳熱系數，測試結果如圖5所示。

圖5 不同傳熱溫差下的傳熱系數Fig.5 Heat transfer coefficient under driving temperature difference

由圖5可知，庫溫為-10 ℃時的傳熱系數高于庫溫為-25 ℃時的傳熱系數，這與庫溫對冷風機性能的影響一致。同一庫溫下，傳熱溫差對傳熱系數的影響不顯著，不同傳熱溫差下的傳熱系數變化幅度較小。庫溫為-10 ℃，傳熱溫差為8 ℃時傳熱系數為18.42 W/(m2·℃)，與傳熱溫差6 ℃時傳熱系數18.1 W/(m2·℃)相比，增幅僅為1.8%；庫溫為-25 ℃，傳熱溫差為8 ℃時傳熱系數為17.63 W/(m2·℃)，與傳熱溫差6 ℃時傳熱系數16.8 W/(m2·℃)相比，增幅僅為4.9%。由于實驗設備存在一定誤差，數據出現小幅度波動，屬于正常現象。

3.3 循環倍率的影響

取庫溫為-20 ℃與-15 ℃，傳熱溫差為10 ℃，測試不同循環倍率下的冷風機的傳熱性能，測試結果如圖6所示。

圖6 不同循環倍率下的傳熱系數Fig.6 Heat transfer coefficient under different ratio cycle

由圖6可知，傳熱系數在循環倍率1.5～5時逐漸增大，當庫溫為-20 ℃時，傳熱系數由11.9 W/(m2·℃)增至14.5 W/(m2·℃)，庫溫為-15 ℃時，傳熱系數由13.7 W/(m2·℃)增至16.9 W/(m2·℃)。隨著循環倍率的升高，供液泵向冷風機內泵入更多的制冷劑，制冷劑流速增大，且管內制冷劑液位上升，制冷劑與管壁的接觸面積增大，最終傳熱系數升高。本實驗工況下，在1.5～5循環倍率內，雖然提高循環倍率能夠提高傳熱系數，但也會增加供液泵的功耗。因此，對任一冷風機而言，在特定工況下存在一個最佳的供液倍率范圍，選擇合適的供液倍率對冷風機系統的節能有重要作用。

4 結論

冷風機性能對冷庫的能效有直接影響，為了測試平直翅片冷風機在穩態運行條件下的傳熱性能，本文進行了實驗研究，得到如下結論：

1)傳熱溫差為10 ℃，循環倍率為3，庫溫在-34～10 ℃范圍內變化時，冷風機空氣側與制冷劑側傳熱均隨庫溫的升高而增強，冷風機總體傳熱系數增大。傳熱溫差為10 ℃，循環倍率為3工況下，當庫溫從-34 ℃升至10 ℃時，傳熱系數由16 W/(m2·℃)增至18.8 W/(m2·℃)。

2)循環倍率為3，傳熱溫差由6 ℃增至8 ℃時，冷風機傳熱系數變化幅度較小。雖然庫溫為-10 ℃和-25 ℃工況均在傳熱溫差為8 ℃時取得較大的傳熱系數值，但與傳熱溫差6 ℃時相比，增幅僅為1.4%與4.9%。

3)循環倍率的高低主要影響管內質量流速及出口干度，傳熱溫差為10 ℃，循環倍率由1.5增至5時，得益于制冷劑流速和制冷劑與翅片管管壁接觸面積的同時增大，冷風機傳熱系數不斷增大。