贺卫东 万金庆 黄明磊 葛 瑞

(1. 上海海洋大学食品学院，上海 201306；2. 上海冷链装备性能与节能评价专业技术服务平台，上海 201306)

中国经济的快速发展加剧了能源的消耗，其中制冷行业属于高耗能产业，其节能方面的研究意义重大[1-2]。同时水产业迅猛发展，水产品的加工、运输和贮藏等环节的冷冻与保藏非常重要，而平板速冻机以冻结速度快，操作简便等优点在水产业得到了广泛应用[3]。

在制冷系统的设计中，节流元件的选择非常重要，节流元件应用错误或选型不当，通常会造成系统运行困难和性能下降。制冷系统流量控制元件一般有4种：毛细管、节流孔、热力膨胀阀和电子膨胀阀[4]。其中热力膨胀阀因为综合性能和价格的优势，在中小型制冷系统中得到了广泛应用，如应用于食品陈列柜、鼓风冻结装置、制冰设备、冰淇淋柜和空调装置[5]。射流泵结构简单，不需要任何电力驱动。射流泵首次用作节流装置的研究是在20世纪80年代，Lorentzen等[6]用射流泵代替节流阀，优化蒸发器性能。随着数值模拟技术的发展，近年来射流泵的研究逐渐变成热点。张棣等[7]使用不同的网格划分方法研究了射流泵性能的数值模拟与试验结果的适应程度；Dopazo等[8]在NH3/CO2复叠系统中使用射流泵供液得到了一个3.1倍的循环倍率； Lawrence等[9]针对制冷剂节流损失的不同，研究了不同制冷剂在射流泵系统中的节能效果差异；Jeon等[10]研究了COS射流泵循环系统中最佳的射流泵几何参数和工况变化对射流泵性能的影响；肖欣等[11]利用数值模拟分析了射流泵内部压力的分布，并对结构进行了优化；田晓雨等[12]研究了不同冷凝温度对射流泵供液的速冻机性能的影响；Arun等[13]使用三维模型模拟了喷嘴的最优位置和内部流场的分布。

目前对于射流泵在制冷系统中应用的研究大部分停留在数值模拟阶段，而实际应用中的试验数据较少。在已有的射流泵研究基础上，本试验拟在相同工况时，研究膨胀阀和射流泵2种供液方式下速冻机蒸发平板的温度分布，旨在为从冻结均匀性方面解释射流泵供液的优越性，为进一步优化平板供液提供理论依据。

1 试验台系统

基于本试验小组提出的射流泵节流供液循环系统专利[14]，搭建平板速冻机综合实验台，其中包含热力膨胀阀供液和射流泵供液2种循环，系统原理简图见图1。

1. 油分离器 2. 冷凝器 3. 压缩机 4. 气液分离供液桶 5. 低气液分离循环桶 6. 平板蒸发器 7. 热力膨胀阀 8. 射流泵 9. 回油换热器 10. 流量计 11. 高压储液桶 12. 磁翻板液位计

图1 2种不同供液方式系统原理图

Figure 1 Schematic diagram of different fluid supply systems

(1) 热力膨胀阀供液：该系统由压缩机、冷凝器、高压贮液桶、热力膨胀阀、蒸发平板组成。根据图1，热力膨胀阀供液时，打开阀门V2、V3、电磁阀YV4，其他阀门全部关闭(未标注阀门均为打开状态)。冷凝后的制冷剂通过热力膨胀阀直接进入平板内蒸发。膨胀阀供液系统原理图见图2。

图2 膨胀阀供液系统原理图Figure 2 Schematic diagram of expansion valve system

(2) 射流泵供液：该系统由压缩机、冷凝器、高压贮液桶、气液分离循环桶、气液分离供液桶、平板蒸发器组成。根据图1，射流泵供液系统运行时，关闭截止阀V1、V3、V5、电磁阀YV4，其他阀门全部打开(未标注阀门均为打开状态)。气液分离循环桶的液态制冷剂会被射流泵抽回，经过气液分离供液桶分离后，液态制冷剂继续循环供给蒸发器，而气态制冷剂则被压缩机抽回。射流泵供液系统原理图见图3。

图3 射流泵供液系统原理图Figure 3 Schematic diagram of ejector system

2 试验装置与结果分析

试验在南通的春季进行。试验台单级半封闭螺杆压缩机：型号HSN7471-75，功率55 kW，比泽尔压缩机(北京)有限公司；机组配置水冷式冷凝器，平板尺寸2 000 mm×1 260 mm，数量12块(22个面)，层间距55～100 mm，冻结能力1 300 kg/批；制冷剂：R507，上海锐一贸易有限公司；冻品温度采用T型热电偶进行测量，精度为±0.5 ℃，温度记录仪表型号为安捷34972A，扫描频率为10 s/次，华仪仪表有限公司；采用DZFC-1型的电能综合分析测试仪测量系统能耗，德科技有限公司。速冻机每层平板放置8个托盘，将海绵放入托盘并加适量纯水，使海绵和平板充分接触，以此模拟冻品。选取平板中心处的托盘布置温度测点，并置于托盘中心位置。本次试验冷凝温度为35 ℃，当所有测点均降至-18 ℃以下时，冻结过程完成。本次试验选取第1、6、11层3个最有代表性平板的进出口4个托盘布置测点，平板速冻机分别在膨胀阀和射流泵供液方式下，各测点的冻结曲线见图4、5。

冻品初始温度以10 ℃为基准，2种供液方式下平板速冻机冻结性能见表1。

从图4、5和表1看出，膨胀阀供液时，冻品整体温度分布比较混乱，各层平板温差较大，冻结结束时最大温差可达17.5 ℃，最低冻品温度达到了-35.9 ℃，远远超过了-18 ℃的目标温度。射流泵供液时，各层冻品温度分布均匀，冻结结束时最低冻品温度为-23.68 ℃；从整体上看射流泵供液时的平板温差有从下到上逐渐增大的规律。从冻结时间上分析，膨胀阀供液第1个达到-18 ℃的冻品只用了89 min，距离整个试验结束相差42 min，因为温度分布不均极大地拉长了冻结时间和冻结结束时的温差，增大了能耗。射流泵供液在111 min时第1个测点达到目标温度，10 min后所有测点冻结完毕，相比膨胀阀不会因为已经达到目标温度的测点温度一直下降而导致太多电能的浪费。分析原因有：

(1) 经过膨胀阀节流的制冷剂因为存在一定的闪发，导致供到平板内的制冷剂分布不均，从而使温度场混乱；而射流泵供液系统保证了平板的纯液体供液，而且供液量大于平板的蒸发量，充分地浸润平板使其温度场更加均匀。

图4 膨胀阀供液不同平板冻品温度曲线Figure 4 The freezing curve of expansion valve system

图5 射流泵供液不同平板冻品温度曲线Figure 5 The freezing curve of ejector system表1 2种供液方式冻结性能对比Table 1 The freezing performance of two fluid supply system

供液方式第1层温差/℃第6层温差/℃第11层温差/℃测点最高温差/℃冻结时间t/min能耗E/(kW·h)膨胀阀8.9917.5512.4917.5513178.7射流泵4.253.451.115.5412172.9

(2) 射流泵供液冻结效果底部平板优于上部，是因为制冷剂进入平板前经过了竖管的分配，由于重力的作用使下方平板的制冷剂量大于上方平板，过量的制冷剂加快了平板的冻结速率，同时平板各处温度均匀下降，提升了冻结的质量。

3 结论

(1) 使用膨胀阀供液时，平板中所有测点的最高温差达到了17.55 ℃，与-18℃的目标温度相比，过高的温差导致了能耗的增加；而使用射流泵供液使平板温度分布更加均匀，冻结结束时，平板中测点的最高温差只有5.54 ℃，一定程度上保证了冻品的品质。

(2) 使用射流泵供液时各层平板温度分布较为一致，但是整体的冻结效果从上到下逐渐变优，底层的冻结时间比最上层大约减少9.1%，同时，系统的最高温差也分布在最上层的平板上。

平板温度的分布可以影响到系统的冻结时间和能耗。针对射流泵供液整体上下不均匀的问题，如果在平板前使用分液头分配制冷剂，可以进一步优化温度场分布，提升冻结效果。