食品冷库除霜方法及其能耗分析

冷藏技术

第11卷 第1期

2006年3月集美大学学报(自然科学版)JournalofJimeiUniversity(NaturalScience)Vo.l11 No.1Mar.2006

[文章编号]1007-7405(2006)01-0062-04

食品冷库除霜方法及其能耗分析

庄友明

(集美大学机械工程学院,福建厦门361021)

[摘要]分析比较了食品冷库制冷系统几种蒸发器除霜方法的优缺点、能耗情况及其适用场合.同时

给出了热气融霜方法的热气流量计算公式,修正了热气融霜方法中排液桶的容积计算公式.

[关键词]食品冷库;蒸发器除霜;节能

[中图分类号]TB657 1[文献标识码]A

0 引言

食品冷库制冷系统蒸发器在使用过程中表面容易结霜,霜层的存在使传热恶化,制冷效率降低.因此,清除蒸发器表面的积霜是每个食品冷库日常必需做的节能工作之一.制冷系统目前采用的除霜方式主要有:人工扫霜、水冲霜、热气融霜、热气融霜+水冲霜、热电融霜、压缩空气除霜和空气自然回温除霜等7种方法.除霜方法运用是否科学合理,操作是否得当将直接影响冷库的运营效果.1 人工扫霜

操作人员手拿清除工具直接在蒸发器的表面上去除凝霜的方法称人工扫霜,一般只适用于冻结物冷藏库的墙排管和顶排管的除霜.

冻结物冷藏间是长期存货的冷藏间,排管处于货物顶部或紧邻货物周边,如果采用热气融霜或电热融霜,霜的融化不但会使物品受潮,还会把物品黏结成块,并且,库温的回升还会损害食品的储藏品质.所以冻结物冷藏间的排管不宜采用 融 霜的办法除霜,水冲霜就更不容许.人工扫霜的特点是落霜不融化,在除霜过程中蒸发器也可照样正常工作,基本不影响库房温度的恒定.所以最适合于冻结物冷藏间的排管除霜.但融霜时人员要进入库内操作,工作条件较差,且要增加人员发热耗冷量和人工费用.

人工除霜,也有一个人工费用和运行费用的平衡问题.由于各个冷冻厂储藏货物的品种不同,包装情况也不一样,排管的结霜速度相差很大,所以人工除霜的时间间隔只能根据各自的具体情况来确定,科学的做法是将霜层厚度给系统增加的运行电费和除霜人工费进行综合分析比较,从而定出一个合理经济的除霜周期.具体的分析思路是在一个合理的除霜周期内霜层热阻造成的额外运行费累积数正好等于一次除霜的人工费.表1给出了-18 库房内排管结霜厚度对制冷系统COP的影响而确定合理的人工除霜周期.[1].通过给定冷量下COP与电费的简单转换,不难计算除霜周期内霜层热阻造成的额外运行费累积数,从

[收稿日期]2005-07-08

[作者简介]庄友明(1958-),男,教授,从事制冷研究.

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第1期庄友明:食品冷库除霜方法及其能耗分析

表1 制冷负荷不变蒸发温度和制冷系数随霜层厚度的变化情况 63

Tab.1 ChangesofevaporatingtemperatureandCOPv s thefrostthicknessunderagivenrefrigerationcapacity霜层厚度传热系数K

蒸发温度制冷系数COP传热系数K蒸发温度制冷系数COP

-2-1-2-1/mm/W m K/ COP递减率/%/mm/W m K/ COP递减率/%

2

4

6

8

106.1235.8515.6255.4355.2715.127-28.0-28.4-28.9-29.3-29.6-30.03.1203.0913.0643.0373.0132.9910.00.91.82.73.44.11214161820224.9994.8854.7824.6894.6044.527-30.3-30.6-30.9-31.2-31.4-31.72.9712.9532.9352.9192.9042.8894.85.45.96.56.97.42 水冲霜

把喷水管装于蒸发器的上方,除霜时,通过喷水

管向霜层表面均匀喷射带有一定压力的水,这种除箱

方法称为水冲霜.水冲霜方法只能用于冷风机的除霜,

一般和热气融霜结合应用,单独使用时只适合于冷风

机结霜速度慢、霜层比较薄的情况,比如,用在冷却冷藏间冷风机的除霜.图1给出了冷却物冷藏间冷风

机的一种除霜方案,图1中阀门ZZRP的设置就是考虑

了单独使用水冲霜时,管内制冷剂压力超高时的自动

旁通.水冲霜的优点是除霜操作简单且易于实现自动

控制,缺点是电耗水耗较大,除霜成本较高.为了节约除霜成本,许多冷冻厂回收融霜水作冷凝器的冷却水用.冷却物冷藏间冷风机的除霜周期的确定同样需要进行经济分析比较.分析比较方法类似于上述对冻结物冷藏间排管除霜周期的分析比较,此时的一次除霜成本是水泵的电费.

3 热气融霜

由于目前多数食品冷库用氨制冷系统,所以热气融霜又称热氨融霜.该方法是把经过油分器滤油后的压缩机排气引入蒸发器里,利用热气的显热和潜热来加热和融化蒸发器外表面的凝霜,从而达到除霜的目的.融霜前必须排除蒸发器里原有的低温制冷剂液体,因此热氨融霜的制冷系统需要设置排液设施来承接融霜前蒸发器内的残液和融霜过程中热气凝成的液体.

热氨融霜的优点是节能,因为在正常的制冷循环中,热氨气体就需要用冷却水来冷却使之液化,在热气融霜过程中,霜在被融化的同时起着冷却水的作用,此时,蒸发器变成了不需冷却水的冷凝器,融霜时又不需要耗费电能,比起电热融霜和水冲霜有双重节能的功效.该方法的缺点是系统比较复杂,系统中要专门设置排液桶承液或利用低循桶承液.利用低循桶承液,会增加恢复正常供冷时的蒸发温度,影响降温速度.专设排液桶承液,系统的工作相对稳定,但由于增设排液桶增加了系统接管的复杂性,同时,融霜排液桶的设置也要额外地占用机房面积,增加投资成本.在操作过程中,若对融霜机理没有正确的理解,还可能引起系统的故障.总之,热气融霜的制冷系统在实际使用中还有一些问题亟待解决,特别是在热氨流速、流量的确定和合理的融霜时间方面还没有明确的定论,按《冷库设计规范》计算的排液桶体积也不够合理.

3 1 融霜过程热氨流量的确定

热氨进入蒸发器融霜,其传热过程分显热和潜热两段.[2]

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64 集美大学学报(自然科学版)第11卷

1)显热阶段 热氨蒸汽从压缩机排出口节流降压(一般降至0 6MPa左右)后进入蒸发器融霜,由于气体的比热容很小,蒸汽在很短的时间内温度很快降至融霜压力下的饱和温度,若忽略高压气体在节流前后的焓值变化,即这一阶段制冷剂释放给霜层的热量为Qx=G (Hp-Hrq) .其中:G 制冷剂的质量流速(kg/s);Hp 是压缩机排气口处制冷剂的焓(kW/kg);Hrq 为融霜压力下饱和制冷剂汽体的焓(kW/kg); 融霜用时(s).

2)潜热阶段 制冷剂释放给霜层的热量为Qq=G (Hrq-Hry) .其中,Hry 为融霜压力下饱和制冷剂液体的焓(kW/kg).融霜过程制冷剂释放给霜层的总热量:QR=Qx+Qq=G(Hp-Hry) .霜层融化所需热量:Qf=Gf [CPf (tf-0)+rf].其中:Gf 欲被融化的霜层质量(kg),可根据蒸发器的外表面积、霜层厚度和霜层的平均密度计算得到;CPf 霜层的平均比热(2 1kJ/kg计);tf 霜层的平均温度,根据情况在蒸发温度和冷间温度之间取值;rf 霜的融化热.

在融霜过程中,制冷剂的失热等于霜的得热,给定融霜厚度和时间下的制冷剂流量和给定流量下的融霜时间关系式:

G=Gf[CPf (tf-0)+rf]Gf[CPf (tf-0)+rf]或 =(HP-Hry) (HP-Hry) G

在食品冷库的冻结间中,由于霜层形成的速度很快,除霜时霜层厚度普遍较厚(15~25mm之间),要求增大除霜强度,加快除霜速度以保证冻结质量.因此几乎所有冻结间的冷风机都采用热气融霜+水冲霜的除霜方法.具体的做法是先用热气使霜层内表面融化脱离蒸发器外表面,再用水冲击霜层外表面,外表面局部融化使 空心 霜层脱落,落至下水盘后慢慢融化在水里,最后经排水管流至室外(做法类似图1).这种方式的除霜比单纯的热气融霜速度快得多,水流冲力对霜层整体性的破坏大大加速了霜层脱落的速度.对于搁架式冻结间,不能采用水冲霜,在热气融霜使霜层脱离蒸发器外壳时,对霜层整体性的破坏只能借助人工敲打来完成.

3 2 排液容积的确定

热气融霜的制冷系统,需要设置专门的容器来承接融霜前蒸发器的余液和融霜过程中由热气凝成的液体.无论是利用排液桶承液或利用低循桶来承液,设计时都需要确定它们的体积,对于排液桶容积的计算,1984年出版的《冷库设计规范》和文献[4]、[5]都给出了如下推荐公式VP=Gz v /0.7.式中:Gz 注氨量最多的一间库房蒸发器的注氨量(kg);v 液体制冷剂的比容(m/kg);0 7 排液桶允许充满度.

该公式明显的缺陷是只考虑承接融霜前蒸发器里的液体,没有考虑承接融霜过程中热气的凝液.笔者对上述公式修正如下:

VP=Gz v +Gr v r

0.7(1)3[3]

其中:Gr 融霜时热氨的流量(kg/s), n左右.修正后的公式更加确切地体现融霜r 融霜时间15mi

过程容器承接的液体量,对于用低压循环桶承接排液的情况,低循桶体积的增加量只考虑式(1)中分子的第2项即可.

4 电热融霜

这种除霜方法是把电热丝缠绕在蒸发器表面,由时间继电器控制融霜时间.优点是方法简单易行,最易实现自动化.主要缺点是耗能,单纯用电热来融化霜层的除霜方法是所有方法中能耗代价最高的.在大中型冷库的制冷系统中一般很少使用纯热电融霜的方法.在自动化程度较高的、蒸发器自动回油性较好制冷系统(一般为氟系统),为简化系统管路,节省辅助设备和机房空间,可用电热融

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第1期庄友明:食品冷库除霜方法及其能耗分析 65 霜代替热气融霜.同样,电热融霜也可以与水冲霜结合应用,以加速除霜速度,减少用电量.设计时,根据霜层融化所需的热量可以方便地选择相应的电热器功率.

5 压缩空气除霜

连续冻结式食品速冻装置在工作期间的中途除霜(一般用热气融霜+水冲霜)会严重影响装置的生产能力,浪费生产资料和提高生产成本(因为除霜期间其他生产工人也要原地待命).无霜式速冻装置的问世解决了 中途除霜 的各种弊端.这种速冻装置采用压缩空气巡回式喷射蒸发器表面,随时清除蒸发器表面的微小凝霜,使蒸发器表面始终保持 无霜 的状态.这是一种针对特殊生产工艺的除霜方法,它的优势在于保证制冷系统的连续工作,从而提高装置的日产量.但由于需要压缩空气,融霜过程也是比较耗电的,另外装置的价格昂贵也是一大缺点.

6 结束语

蒸发器除霜是食品冷库在生产管理中必不可少的操作环节.每一种除霜方法都有其适应的范围和优缺点,对各种除霜方法的正确理解和合理运用有助于节约运行能耗,降低生产成本,提高生产效率.

[参考文献]

[1]庄友明,叶美萍.冻藏间冷却排管霜层传热效应的研究[J].制冷,2004,(1):58 61.

[2]GB50072-2001.冷库设计规范[S].

[3]GBJ72 84.冷库设计规范[S].

[4]商业部设计院.冷库制冷设计手册[M].北京:农业出版社,

[5]庄友明.制冷装置设计[M].厦门:厦门大学出版社,1988:268.1999:105.

DiscussionandAnalysisofDifferentDefrostingWaysand

TheirEnergyConsumptioninFoodColdStorage

ZHUANGYou ming

(SchoolofMechanicalEngineering,JimeiUniversity,Xiamen361021,China)

Abstract:Fivekindsofdefrostingwaysincludingartificialclean,waterwashing,hotgasmelting,elec tricitymeltingandcompressedairdefrosting,whichareusedinevaporatordefrostoffoodcoldstorage,andtheadvantagesanddisadvantagesofeachwayarediscussed.Theenergyconsumptionforeachdefrostingwayisanalyzedandcomparedtoeachother.Thepaperalsodiscussesthemethodtodeterminetheeconomicalfrostthicknessforartificialdefrosting.Theequationtocalculatethehotgasflowvolumeinhotgasmeltingwayisprovided.Andtheequationforcalculatethevolumeofliquidreceiverinhotgasdefrostingway,whichispro videdbysomeauthoritybooks,isalsocorrectedhere.

Keywords:foodcoldstorage;evaporatordefrosting;energysaving

(责任编辑 陈 敏)