冯 海 臧润清 孙志利

(天津市制冷技术重点实验室 天津商业大学 冷冻冷藏技术教育部工程研究中心 天津市制冷技术工程中心 天津 300134)

制冷剂除霜结束时风机延时启动对抑制库温波动的影响

冯 海 臧润清 孙志利

(天津市制冷技术重点实验室 天津商业大学 冷冻冷藏技术教育部工程研究中心 天津市制冷技术工程中心 天津 300134)

为解决制冷剂除霜系统融霜结束后可能发生的压缩机湿压缩和库温波动问题，本文在库温-20 ℃、结霜量3 kg工况下，以风机延时开启的时间为变量，对除霜结束后风机延时开启0～180 s进行单一变量的实验研究。从除霜结束后的库温波动、除霜时间、系统恢复制冷后压缩机吸气状态方面，比较分析风机延时不同时间开启对系统运行特性的影响。结果表明：除霜结束不延时开启风机，库温将突升5 ℃，并且恢复制冷的前4 min，压缩机存在湿压缩问题；除霜结束风机延时开启的最佳时间为140～180 s，此时库温升高比风机不延时开启情况降低3 ℃，总库温波动在5 ℃以内，除霜时间在12 min左右，且除霜结束恢复制冷时有效避免了压缩机可能出现的湿压缩问题。

冷库；制冷剂除霜；库温波动；湿压缩

在冷库制冷系统中，冷风机在表面温度低于露点温度且低于0 ℃时，将在结霜工况下工作。在结霜初始时，柱状、针状[1-2]的薄霜会由于增强空气扰动，起到强化冷风机传热的作用。随着结霜时间的增长，形成片状、羽毛状、无规则状的霜，霜层过厚使得冷风机传热性能下降，制冷系统效率降低。因此，适时的进行除霜对制冷系统节能运行尤为重要[3]。

制冷剂除霜是指以高压储液器中的液体制冷剂为热源，对结霜蒸发器除霜的一种方法[4]。在制冷剂除霜过程中，制冷过程连续，除霜无需附加能耗，液体制冷剂被霜层携带的冷量过冷，提高制冷系统效率。在除霜过程结束时，由于除霜蒸发器尚存有液体制冷剂，为避免压缩机进液，需延迟开启供液电磁阀，保证压缩机入口制冷剂为气态(回液过程)[5]。

通常情况下，制冷剂除霜系统在除霜结束时，被前后风阀隔断的冷风机内[6]，翅片表面温度可达15 ℃，封闭冷风机环境温度也在0 ℃以上。若伴随除霜结束，冷风机与前后风阀随即开启，冷风机将被环境空气强制冷却，并将热量带入冷库，造成库温突升。此外，在回液过程结束，供液电磁阀开启时，由于感温包温度较高，膨胀阀开度大，蒸发温度高，空气与制冷剂之间没有传热温差或传热温差为负值[7]，使制冷剂不能充分蒸发，造成压缩机湿压缩。如果除霜结束延迟开启风机，蒸发器的余热可使制冷剂完全蒸发，将解决冷风机恢复制冷时压缩机湿压缩的问题，同时制冷剂蒸发带走了除霜余热，待风机开启时对库温波动的影响也将显著降低。因此，为解决除霜结束压缩机可能发生的湿压缩和库体温度升高问题，课题基于风机延时开启的设计思路，对制冷剂除霜系统进行实验研究，掌握风机延时开启的系统参数变化和系统运行特性。

1 制冷剂融霜系统简介

制冷剂除霜系统工作原理如图1所示，主要由两个冷风机、8个电磁阀、2个单向阀、压缩机、冷凝器及必要的辅助设备组成。通过改变制冷剂管路流程，实现冷风机在制冷工况与除霜工况的切换。在制冷工况时，电磁阀①②⑤⑥开启，冷风机A、B并联连接，同时制冷。除霜工况时电磁阀⑤④⑧(或③⑦⑥)开启，冷风机A、B(或B、A)串联，前者除霜后者制冷。在除霜工况时，除霜蒸发器与储液器、冷凝器直接串联，制冷剂可在除霜冷风机中获得较大的过冷度，将除霜过程的冷量转化为提高过冷度，进而提高制冷系统的效率。

T 温度测点；TP 温度及压力测点图1 液体制冷剂融霜系统原理图Fig.1 Principle of liquid refrigerant defrosting system

除霜结束时，由于电磁阀切换，除霜冷风机回气口与压缩机吸气口直接相连，除霜冷风机尚存液体制冷剂，为使吸气存在一定过热度，避免压缩机湿压缩，需要延迟开启除霜冷风机的供液电磁阀，此过程称为除霜结束时的回液过程。

2 实验装置及实验过程

2.1实验装置

实验在2.8 m×2.8 m×2.5 m，厚度为100 mm硬质聚氨酯泡沫塑料保温层的装配式冷库中进行。制冷系统由TAG2522K压缩冷凝机组和双联冷风机组成。冷风机蒸发面积合计为54 m2，蒸发管径15 mm，管间距55 mm，翅片间距6 mm，单路管长780 mm，除霜后在蒸发温度为-27 ℃、冷库温度为-20 ℃时，制冷量为2.1 kW。工况稳定过程采用电加热器热平衡法，系统安装总功率为15 kW的电加热器和电动调压器；结霜过程的加湿由加湿量为6 kg/h的超声波加湿器完成。实验数据采集系统由工控机、MX100多点数据采集仪、热电偶和压力传感器组成。

实验系统共有14个温度测点、5个压力测点。布置位置如图1所示。

2.2实验过程

实验中，制冷工况时电磁阀①②⑤⑥开启，③④⑦⑧关闭，待库温降低并稳定在-20 ℃以后，开启加湿器向库内间断加湿，控制总加湿量为4.5 kg，以及除霜后的融霜水量(即结霜质量)为3 kg。加湿结束、制冷系统稳定运行1 h后，电磁阀②⑤⑧开启、①③④⑥⑦关闭，并且关闭风机前后风阀[10]，对冷风机A进行除霜。当除霜冷风机回气管温度达到10 ℃时，电磁阀①②⑤⑥开启，③④⑦⑧关闭，除霜结束，并且恢复冷风机并联制冷，同时，时间继电器计时，除霜冷风机的风机和风阀以10 s为增加步长至180 s延迟开启，进行19组风阀延时开启对抑制库体温度波动的研究。待库温重新稳定至-20 ℃时，制冷系统稳定运行一段时间后，电磁阀③⑥⑦开启，①②④⑤⑧关闭，切换到对冷风机B进行除霜操作。

实验台的控制系统由温控器、时间继电器、中间继电器、交流接触器组成并完成制冷及除霜的自动控制过程。

实验中以冷风机进出口算数平均温度作为冷风机管路平均温度。

3 除霜过程的理论分析

根据能量守恒定律，除霜结束后蒸发器的降温过程，能量关系式可由式(1)～式(5)表示[11]。

Qc+Qf+Qd+Qr=QEvpa

(1)

Qc=αaAΔTa=camaΔTa

(2)

Qf=mfrΔhfr

(3)

QEvpa=cEvpamEvpaΔTEvpa

(4)

cEvpamEvpa=cfinmfin+cpipempipe

(5)

式中：ΔTEvpa为蒸发器与库温温差，℃；Qc为空气强制对流带走的热量，W；Qf为管内制冷剂蒸发带走的热量，W；Qd为温差导热量，W；Qr为热辐射量，W；QEvpa为冷风机冷却过程减少热负荷，W。

除霜结束时，开启风机，由于前40s为回液阶段，可近似认为Qr、Qd、Qr为零，Qc=QEvpa，库内温升为ΔTa。降温可近似为集总参数过程，可由式(6)表示：

(6)

式中：τ为除霜结束冷风机降温至与库温度相同时的时间，s；θ为过余温度，℃。

除霜结束风机延时开启，在延时阶段认为Qc为零，Qf+Qd+Qr=QEvpa。

延迟时间越长，由风机开启后引起的对流散热越小；由制冷剂带走的除霜余热越大；风机延时阶段散失到库中热量越大；除霜结束冷风机降温至与库温度相同时的时间越长。

4 实验结果及分析

由于冷风机A和B的对称性，实验结果分析只对冷风机A除霜情况进行分析，冷风机B除霜情况与A相同。

图2所示为除霜结束后风机不同时刻延时启动对库温波动的影响，记录除霜开始至冷库内温度再次降至-20 ℃期间库内温度随时间的变化曲线。其中，A、B、C分别为风机延时0 s、90 s、180 s的除霜结束时刻，A、D、E分别为对应的风机开启时刻，由图可见，冷风机在除霜结束时不经延时启动风机，库内温度在707～736 s从-17.7 ℃升高至-12.7 ℃，突升5 ℃；除霜结束后风机延迟90 s开启的情况下，库内温度在753～775 s从-16.8 ℃升高至-14.8 ℃，温度升高值由5 ℃降至2 ℃；除霜后风机延迟180 s开启的情况下，风机开启时库内温度升高仅0.2 ℃。

图2 除霜过程库温波动Fig.2 Storage temperature fluctuation in the process of defrosting

图2中0～300 s的除霜前5 min里，库温维持在-20 ℃以下，这是由于液体制冷剂被冰霜过冷(最大过冷度可达30 ℃)，虽然除霜时制冷剂流量较制冷工况时减小，但除霜初始时极大的过冷度，使库温一度出现降低的情况，然后缓慢升高。图中除霜结束风机延时180 s开启时，整个过程库温升高4.5 ℃，除霜过程12 min即可结束。

图3 风机延时开启对除霜余热的影响Fig.3 The influence on remained heat of defrosting when fan delays starting

图3所示为风机延时开启对除霜余热引起的库温升高的影响。实验数据表明：风机延时开启阶段库温升高与延迟时间成正比，原因是除霜时只有单个冷风机制冷，并且除霜后的冷风机还会增加库内热负荷所造成。

风机延迟开启时间小于40 s时，风机开启造成库温升高的曲线下降趋势并不明显，原因是前40 s为回液阶段，并没有低压制冷剂供液。而40 s之后，该曲线呈线性降低，在延迟180 s时，由图可见风机开启几乎不引起库温升高。

风机延时阶段与风机开启后造成的总库温升高曲线，一直呈线性下降。最大值为5 ℃，最小值为2 ℃，即风机延时开启最大可将库温波动减小3 ℃。

图4所示为风机延时开启时，冷风机管路平均温度和库温随延迟时间的变化曲线。由图4可知，冷风机表面平均温度随风机延迟开启时间的增加而降低，且下降速率随延迟时间的增大而减小。当延迟时间为140 s时，冷风机管路平均温度小于等于库温，对库温升高的影响基本可以消除。当延迟时间为180 s时，由图3可知风机开启引起库温升高温度已降至0 ℃，而风机延时时间阶段造成的库温升高还在不断增加。所以延时开启最大时间不宜超过180 s。即此工况下风机延迟最佳时间可选为140～180 s。

图4 延时开启时管路平均温度与库温的关系Fig.4 The relationship between the average temperature of evaporator tube and the temperature of storage

图5 不延时开启时冷风机制冷剂管路进出口温度Fig.5 The inlet and outlet temperature of evaporator tubes with a fan not delaying starting

由图5可知，风机不延时开启时，结束除霜(700 s为结束除霜时刻)至管壁温度降至与库温相同，仅50 s。

图6所示为风机延时140 s与180 s的情况，与图5相比此段降温时间明显更长，更平缓。原因在于风机不延迟时，蒸发器表面温度是由库内冷空气强制冷却。当然，管壁迅速降温的同时也把热量释放在冷库之中，增大了除霜余热对库温波动的影响。

图6 延时140 s与180 s开启时管进出口温度Fig.6 The inlet and outlet temperature of evaporator tubes with a fan delaying starting for 140 s and 180 s

图7和图8所示为除霜冷风机A、并联冷风机B以及压缩机的回气管温度，在除霜结束后25 min里随时间的变化关系。由图7可知，60～300s的4 min里，压缩机回气温度低于冷风机A和B的回气温度，说明除霜结束后冷风机在冷空气的强制冷却后，空气与制冷剂之间没有传热温差或传热温差为负值。制冷剂在冷风机B中未完全蒸发，导致在压缩机回气管中仍有制冷剂液体蒸发吸热，使压缩机吸气没有过热度。且此时压缩机外壳结霜严重，存在湿压缩。

图7 不延时开启时除霜后回气管温度随时间变化Fig.7 The temperature of the evaporator tubes without a fan delaying starting after defrosting

图8 延时140 s与180 s除霜后回气管温度随时间变化Fig.8 The temperature of the evaporator tubes with a fan delaying starting for 140 s and 180 s after defrosting

由图8可知，当除霜结束后风机延时140 s与180 s时，压缩机吸气温度始终高于冷风机A或B的回气温度(压缩机回气始终存在过热度)。且此时在整个过程中压缩机外壳不会结霜，有效避免了压缩机的湿压缩。

5 结论

为解决除霜结束压缩机可能发生的湿压缩和库体温度升高问题，本文基于风机延时开启的设计思路，对制冷剂除霜系统进行实验研究，掌握风机延时开启的系统参数变化和系统运行特性，结论如下：

1)库温-20 ℃时进行除霜操作，除霜结束不延时开启风机，库温将突升5 ℃，并且恢复制冷之后的前4 min，压缩机存在湿压缩问题。

2)除霜结束风机延迟开启，延迟时间越长，延迟阶段库温升越大，风机开启后造成的库温升越小。总库温波动随延迟时间的增加呈减小趋势，基于制冷剂除霜系统，风机延迟最佳时间为140～180 s。

3)在-20 ℃，3 kg结霜量工况下，除霜结束风机延时140～180 s开启，可使库温波动较不延时情况降低3 ℃，总库温升高在5 ℃以内。除霜时间可控制在12 min左右。

4)制冷剂除霜系统，除霜结束风机延时开启，可解决除霜结束随即开启风机情况下恢复制冷的前4min时间里压缩机湿压缩的问题。

本文受天津科技创新体系及平台建设计划(14TXGCCX00018)；天津市科技特派员项目(15JCTPC62700，16JCTPJC47800)；天津市应用基础与前沿技术研究计划(16JCQNJC06600)资助。(The project was supported by theTianjin Science and Technology Innovation System and Platform Construction Plan (No. 14TXGCCX00018) and Tianjin Technical Envoy Program (No. 15JCTPC62700 & No. 16JCTPJC47800) and Natural Science Foundation of Tianjin (No. 16JCQNJC06600).)

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About the corresponding author

Sun Zhili, male, lecturer, School of Mechanical Engineering, Tianjin University of Commerce, +86 13920590050, E-mail: sunzhili@tjcu.edu.cn. Research fields: optimization and energy saving of refrigeration system, food cold chain technology.

Influence of Fan Delayed Running on Temperature Fluctuation of Cold Storage after Liquid Refrigerant Defrosting Operation

Feng Hai Zang Runqing Sun Zhili

(Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology, Tianjin University of Commerce, Refrigeration Engineering Research Center of Ministry of Education, Tianjin Refrigeration Engineering Technology Center, Tianjin, 300134, China)

In order to solve the problem of the probable wet compression and temperature fluctuation of cold storage after liquid refrigerant defrosting operation, the method of fan delayed running is proposed. Taking the delayed time of fan running as a variable parameter, the experiment has conducted under the condition of -20 ℃ cold storage temperature and 3 kg weight of frost with the delayed time of fan running from 0 s to 180 s after the finish of defrost. The system parameters such as temperature fluctuation of cold storage after the finish of defrosts, defrosting time and the suction parameters of the compressor after system returning to work are analyzed and compared for different delay time of fan running. The result shows that running the fan without delay after defrosting, the cold storage temperature will sudden rise 5 ℃ and wet compression occurs for the first 4 min after refrigeration is resumed; the best delay time of fan running is 140 s to 180 s after defrosting and the rise of temperature in cold storage is 3 ℃ lower than that in the condition without fan delaying, and the temperature fluctuation of cold storage is within 5 ℃.The defrosting time is about 12 min, and the probable wet compression is completely avoided after refrigeration system returns to work.

cold storage; liquid refrigerant defrosting; temperature fluctuation; wet compression

0253- 4339(2017) 02- 0114- 05

10.3969/j.issn.0253- 4339.2017.02.114

2016年7月27日

TB61+1； TB657.1

A

孙志利，男，讲师，天津商业大学机械工程学院， 13920590050，E-mail：sunzhili@tjcu.edu.cn。研究方向：制冷系统优化及节能，食品冷链。