低温与超导 第４１卷第３期 制冷技术 Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ Ｃｒｙｏ．＆Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ Ｖｏ１．４１ Ｎｏ．３ 在冻结过程中进行液体冷媒融霜的实验研究 段振坤，臧润清 （天津商业大学冷冻冷藏技术教育部工程研究中心，天津市制冷技术重点实验室， 天津市制冷技术工程中心，天津３００１３４） 摘要：对液体冷媒融霜系统进行了理论分析，在保温体内对一２３￣Ｃ的工况下进行了水的冻结试验，分别测得液 体冷媒融霜和电热融霜时水的冻结速率以及在同样加湿量但不融霜时冻结水冻结过程的空白试验。试验表明：液 体冷媒融霜时水的冻结速率高于电热融霜，并且液体冷媒融霜时冻结水的冻结曲线波动不大。 关键词：液体冷媒融霜；电热融霜；冻结速率 Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｄｅｆｒｏｓｔｉｎｇ ｆｒｅｅｚｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｕｓｉｎｇ ｈｏｔ ｌｉｑｕｉｄ ｄｅｆｒｏｓｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ Ｄｕａｎ Ｚｈｅｎｋｕｎ，Ｚａｎｇ Ｒｕｎｑｉｎｇ （Ｔｉａｎｊｉｎ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｒｅｆｉｒｇｅｒａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｒｅｆｉｒｇｅｒａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｏｍｍｅｒｃｅ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００１３４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｈｏｔ ｌｉｑｕｉｄ ｄｅｆｒｏｓｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｍａｄｅ ｉｎ ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ，ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｆｒｅｅｚｉｎｇ ｔｅｓｔ ｗａｓ ｄｏｎｅ ｉｎ ｔｈｅ ｅｎｔｈａｌｐｙ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ２３￣Ｃ．Ｔｈｅ ｆｒｅｅｚｉｎｇ ｒａｔｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｏｔ ｌｉｑｕｉｄ ｄｅｆｒｏｓｔｉｎｇ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｉｃ ｄｅｆｒｒｏｓ— ｔｉｎｇ ｗｅｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ ｂｌａｎｋ ｔｅｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｅｅｚｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｗａｓ ａｌｓｏ ｄｏｎｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｈｕｍｉｄｉｆｙｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｂｕｔ ｗｉｔｈｏｕｔ ｄｅｆｒｏｓｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｒｅｅｚｉｎｇ ｒａｔｅ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｉｓ ｈｉｇｈｅｒ ｉｎ ｈｏｔ ｌｉｑｕｉｄ ｄｅｆｒｏｓｔｉｎｇ ｔｈａｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｅ— ｆｒｏｓｔｉｎｇ，ａｎｄ ｔｈｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｏｚｅｎ ｗａｔｅｒ’Ｓ ｆｒｅｅｚｉｎｇ ｃｕｒｖｅ ｉｓ ｎｏｔ ｂｉｇ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｈｏｔ ｌｉｑｕｉｄ ｄｅｆｒｏｓｔｉｎｇ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｈｏｔ ｌｉｑｕｉｄ ｄｅｆｒｏｓｔｉｎｇ，Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｅｆｒｏｓｔｉｎｇ，Ｆｒｅｅｚｉｎｇ ｒａｔｅ １ 引言 许多食品的冻结过程在非接触式冻结间中进 行，而非接触式冻结大多为吹风式，也就是冷风机 霜方法应用于冻结过程融霜的可能性，分析融霜过 程对于冻结速度和能耗的影响。 ２结霜对制冷系统的影响 从空气调节原理可知当空气露点温度高于蒸 冷却冻结间内的空气，并直接吹向被冻结食品。为 了加快食品的冻结速度，缩短冻结时间，食品与冷 却设备表面的温差和湿差很大，促使食品当中的水 分转移到冷却设备的冷却表面，并结霜从而恶化冷 却设备的传热性能，堵塞被冷却空气的通道，冻结 装置的制冷系统效率下降，能耗增加。目前，吹风 式冻结装置的冷却设备大多为翅片管冷风机，为了 避免在冻结过程翅片间被冰霜封堵，翅片间距一般 扩大到１２ｍｍ，造成冷却设备体积庞大，制造的材料 发器翅片表面温度，翅片表面结露；当翅片表面温 度低于Ｏ℃时，翅片表面就会结霜。计算和实验 都表明，当被控环境温度低于ｌ３℃，相对湿度低 于４０％时，被处理空气的露点温度已经低于冰 点，恒温恒湿机组必然在结霜的工况下工作 。 结霜一方面降低空气的相对湿度，容易引起冷藏 食品的干耗；另一方面结霜会影响蒸发器的性能， 降低蒸发器的换热效果，甚至影响到制冷系统的 正常运行。霜层的形成不但增加了空气的流通阻 力，而且增大了传热热阻，从而直接影响到翅片管 费用、占据空间费用、围护结构耗能费用和冻结装 置电能消耗显著增加。从制冷系统和换热设备角 度降低上述费用，有效的办法是通过冻结过程对冷 却设备融霜，实现缩小换热设备，从而减少上述费 用的支出。本文以实验手段为主研究液体冷媒融 收稿日期：２０１２—１２—０７ 蒸发器效率及空气侧的换热效果 Ｊ。 试验表明，以低温空气冷冻含水量较多食品 作者简介：段振坤（１９８６一），男，硕士生，主要从事蒸发器融霜技术的研究。 ・６４・ 制冷技术 Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ 第３期 在液体冷媒融霜和电热融霜试验中分别研究 水的冻结曲线，通过实验数据计算在两种不同融 霜方式的情况下水的冻结速率 （食品表面与中 心温度点间的最短距离，与食品表面达到０￣Ｃ以 后食品中心温度降到比食品冻结点低１０℃所需 冰点温度并且稳定一段时间后开始融霜，本论文 所选时间为达到冰点温度３０分钟后开始融霜，因 为此时冻结水是处于稳定阶段的冰水混合物。此 实验为本论文提供融霜的开始时间及在不融霜情 况下水的冻结速率。由冻结速率的公式分别计算 ３瓶水的冻结速率，矿泉水瓶的中心离壁面的距 离为３５ｒａｍ。即 的时间之比）。若在液体冷媒融霜过程中满足水 的冻结条件且冻结速率高于电热融霜时水的冻结 速率，我们就可以把这种系统应用在冷库中，这样 就可以缩小蒸发器翅片间距，减小蒸发器的尺寸， Ｔ１＝（２７６３５—１５０２４）／３６００＝３．５ｈ， ＝（２７１０８—１８４８３）／３６００＝２．４ｈ， 节约蒸发器成本。 时ＩＮ／ｓ 图４不融霜时３瓶水的冻结曲线 Ｆｉｇ．４ Ｆｒｅｅｚｉｎｇ ｅｕｒｖｅｓ ｏｆ ３ ｂｏｔｔｌｅｓ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｗｉｔｈｏｕｔ ｄｅｆｒｏｓ－ ｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ 取３瓶矿泉水每瓶水约为９０％，将热电偶分 别放人３瓶水的中心部位。开机运行冷媒交替融 霜系统，当库温达到一２３℃时用超声波加湿器向 库内加湿，加湿量为２ｋｇ，使蒸发器翅片结霜，加 湿结束后待库温再次达到一２３％时将上述准备好 的３瓶矿泉水放入冷库中开始冻结，同时巡检仪 开始记录水的冻结过程。待冻结水的温度达到 Ｏ￣Ｃ并且稳定一段时间后冷风机开始融霜，用巡检 仪记录下融霜时水的冻结过程，待冻结水的中心 温度达到一１５％时实验结束，保存数据。在其他 条件都相同的情况下做一遍电热融霜的试验，并 且记录数据。为了使试验更加完善我们在实验前 做了一组空白试验即在其他条件都相同但在不融 霜的的情况下，进行水的冻结。 ４实验结果及分析 图４是由空白实验所得数据而绘制的曲线， 有数据和曲线可知把矿泉水瓶放入库体３０００ｓ即 ５０分钟后，冻结水达到冰点温度０ｃＣ左右，此后４ 个小时之内稳定在０￣Ｃ左右。我们在冻结水达到 ＝（２７３４９—１８３２２）／３６００＝２．５ｈ。 由Ｖ＝Ｌ／ｔ得： Ｖ１＝３５ｍｍ／３．５ｈ＝ｌＯｍｍ／ｈ。 ＝３５ｒａｍ／２．４ｈ＝１４．６ｍｍ／ｈ， ｖ３＝３５ｔｕｒｎ／２．５ｈ＝１４．Ｏｍｍ／ｈ 图５、６、７分别由３瓶矿泉水中的热电偶所测 数据绘制而成。 图５：试验在开始记录数据第ｌＯ０００ｓ时开始 融霜，电热融霜于第１０９００ｓ时融霜结束，液体冷 媒融霜于第１３０００ｓ时第一台冷风机融霜结束，待 库温再次降到一２３℃即第１６０００ｓ时第二台蒸发器 开始融霜，于第１８０００ｓ时第二台冷风机融霜结束。 由冻结速率的公式分别计算在两种融霜方式的情 况下水的冻结速率。液体冷媒融霜的冻结速率（ ＝Ｌ／ｔ）：在第１４０４９ｓ时冻结水达到冰点温度０℃在 第２３３２５ｓ达到一１０℃即（２３３２５—１４０４９）ｓ／３６００＝ ２．６ｈ。矿泉水瓶的中心离壁面的距离为３５ｒａｍ。 时Ｊ司／ｓ 图５第１瓶水的冻结曲线 Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ ｆｒｅｅｚｉｎｇ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｂｏｔｔｌｅ ｏｆ ｗａｔｅｒ 即Ｖ＝３５ｍｍ／２．６ｈ＝１３．５ｍｍ／ｈ。电热融霜：在第 １４３００ｓ时冻结水达到冰点温度Ｏ￣Ｃ，在第２５８７５ｓ 达到一１０ｃＣｌ即：（２５８７５—１４３００）＃３６００＝３．２ｈ，所以 Ｖ＝３５ｍｍ／３．２ｈ＝１０．９ｍｍ／ｈ。 图６：液体冷媒融霜时水的冻结速率：冻结水 在第１８２３６ｓ时达到水的冰点温度０℃，在第 第３期 制冷技术 Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ・６５・ ２３６３２ｓ时达至０—１０ ，（２３６３２—１８２３６）ｓ／３６００＝ １．５ｈ，即Ｖ＝３５ｍｒｎ／１．５ｈ＝２３．３ｍｍ／ｈ。电热融霜 时水的冻结速率：冻结水在第１６２３５ｓ时达到冰点 温度０℃，在第２２９２％时达到一１０ｑＣ时间， （２２９２７—１６２３５）ｓ／３６００＝１．９ｈ，即Ｖ＝３５ｍｍ／１． ９ｈ＝１８．４ｍｍ／ｈ 时ＩＮ／ｓ 图６第２瓶水冻结曲线 Ｆｉｇ．６ Ｔｈｅ ｆｒｅｅｚｉｎｇ ｅｌｌｒｖｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｂｏｔｔｌｅ ｏｆ ｗａｔｅｒ 图７：液体冷媒融霜时水的冻结速率：冻结水 在第１９７２１ ｓ时达到冰点温度ＯｃｌＣ，在第２２７０３ｓ时 达至０—１０ｏＣ，（２２７０３—１９７２１）ｓ／３６００＝０．８ｈ，即 ＝３５ｍｍ／Ｏ．８ｈ＝４３．７５ｍｍ／ｈ。电热融霜时水的冻 结速率：冻结水在第２１４２７ｓ时达到冰点温度Ｏ￣Ｃ， 在第２４８８５ｓ时达到一１０℃，（２４８８５—２１４２７）ｓ／ ３６００＝１．Ｏｈ，即Ｖ＝３５ｍｍ／１．Ｏｈ＝３５ｍｍ／ｈ。 时Ｉ司／ｓ 图７第３瓶水冻结曲线 Ｆｉｇ．７ Ｔｈｅ ｆｒｅｅｚｉｎｇ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｉｒｄ ｂｏｔｔｌｅ ｏｆ ｗａｔｅｒ 由以上数据可得，液体冷媒融霜时水的冻结 速率大于电热融霜时水的冻结速率并且在两种融 霜方式的情况下，水的冻结速率都比不融霜时水 的冻结速率高，由图还可以看出冻结水在Ｏ￣Ｃ时 的平缓阶段，液体冷媒融霜要小于电热融霜。 由以上曲线可以看出冻结水温度在Ｏ￣Ｃ～一 ＩＯ￣Ｃ之间的融霜过程中，液体冷媒融霜会出现两 个波峰，电热融霜则出现一个波峰。电热融霜时 由于压缩机停机所以库温有所上升进而导致冻结 水温度上升，而液体冷媒融霜时压缩机不停机另 外一台不融霜的冷风机继续工作，因此库温没有 明显波动反而呈下降趋势，当融霜的冷风机结束 融霜切换到制冷状态时，由于此时刚融霜结束蒸 发管内的制冷剂温度高于库温，会使库温出现短 暂的波动进而导致冻结水曲线出现波峰，当切换 到另一台蒸发器融霜时会出现同样的情况，所以 液体冷媒融霜会出现两个波峰，并且波峰是在融 霜结束时出现而电热融霜的波峰则是在融霜过程 中出现，针对液体冷媒融霜的这一问题应采用时 间继电器，延迟冷风机的开机时间（由于篇幅有 限，本文不再阐述）。 ５结论 通过实验数据分析冻结水分别在冷媒融霜及 电热融霜过程中的冻结曲线及冻结速率得出以下 结论： ①冻结水在液体冷媒融霜过程中的冻结速率 高于电热融霜，此系统可以用于低温冷冻。 ②液体冷媒融霜时仍有一台冷风机在制冷且 冻结水的冻结速率高于电热融霜时冻结水的冻结 速率，因此冷风机翅片间距可以缩小，从而减小冷 风机尺寸，并且缩小后的冷风机依然满足我们对 冷冻效果的要求。这样就可以减少制造材料的费 用、占据空间费用、维护结构耗能费用和冻结装置 电能消耗。 参考文献 ［１］臧润清，方筝，李景丽．恒温恒湿在结霜工况下运行 试验研究［Ｊ］．低温工程，２００５（３）． ［２］赵荣文，范存养．空气调节［Ｍ］．北京：中国建筑工业 出版社，１９９４． ［３］刘凤珍，连添达，周志鹏．低温工况下结霜对翅片管 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