(上海理工大學(xué)能源與動力學(xué)院 上海 200093)

真空冷卻具有降溫速度快、溫度分布均勻等優(yōu)點，因此得到日益廣泛的應(yīng)用[1-3]。

真空冷卻中的能耗是人們所關(guān)心的關(guān)鍵問題之一。上海海事學(xué)院的韓厚德通過實驗得出壓縮機、真空泵和其他設(shè)備功耗分別占總能耗的68%、18%和14%，并指出在閃發(fā)后約10分鐘，若使壓縮機卸載25%，總裝置耗能可降低8%左右；真空裝置選用多臺小容量真空泵，在閃發(fā)前全部投入運行，加快抽真空速率，使壓縮機縮短空載運行時間，節(jié)約壓縮機總能耗，在閃發(fā)后減少投入工作的真空泵臺數(shù)，降低真空泵的總能耗[4]。上海理工大學(xué)的周冰等將不同樣品、不同工況下的真空冷卻能耗進行對比，闡述真空冷卻過程中的能耗分布情況，力圖從預(yù)處理方式、操作規(guī)程、冷卻效果等方面尋找真空冷卻的相對最佳節(jié)能點[5]。

真空冷卻的能耗與真空裝置中的系統(tǒng)匹配有關(guān)，當(dāng)裝置匹配確定后，還與真空冷卻中過程控制及被冷卻物體的物量有關(guān)。選用不同質(zhì)量的水，分別在不同溫度下開啟真空泵，通過測得的能耗值分析真空泵開啟溫度和被冷物質(zhì)量對真空冷卻系統(tǒng)能耗的影響。作為能耗的判斷依據(jù)，提出折算能耗與當(dāng)量能耗的概念，以減小不同實驗條件對實驗數(shù)據(jù)的影響。

1 真空裝置系統(tǒng)匹配依據(jù)

真空冷卻是利用低壓使被冷卻物品中水分在較低的溫度下蒸發(fā)并帶走汽化潛熱，從而使被冷卻物品溫度降低，蒸發(fā)水汽一部分被捕水器凝結(jié)成液體經(jīng)排水閥排出，一部分以蒸汽形式被真空泵抽出。蒸發(fā)水汽的量是確定真空裝置系統(tǒng)真空泵與制冷系統(tǒng)匹配的基本依據(jù)，從而決定裝置能耗。

根據(jù)能量守恒定律，被冷卻物因溫度下降所散發(fā)的熱量應(yīng)等于水分蒸發(fā)所吸收的熱量，即:

式中:C —被冷卻物冷卻前的比熱容，kJ/(kg.K) ；

G —被冷卻物的質(zhì)量，kg；

ΔT —被冷卻物真空冷卻前后的溫降，K；

γ —水分單位質(zhì)量的氣化潛熱，kJ/kg。

由此可得到被冷卻物品的理論失水為:

在真空冷卻過程中，由于液體會發(fā)生劇烈沸騰，導(dǎo)致水分飛濺出盛放液體的容器，造成大量失水，所以實際失水往往大于理論失水。

真空冷卻過程可分為三個階段。第一階段，真空冷卻室內(nèi)壓力從大氣壓降至被冷卻物品初溫所對應(yīng)的飽和壓力，此時真空室中壓力尚未低到足以使被冷卻物品中水分閃發(fā)的程度，制冷系統(tǒng)負荷極??；第二階段，閃發(fā)開始，被冷卻物品中的水分從物品本身吸收大量熱量而迅速汽化，捕水器必須及時將大量水汽凝結(jié)成液體，制冷系統(tǒng)的負荷最大；第三階段，水分蒸發(fā)明顯減慢，制冷系統(tǒng)的負荷明顯降低。系統(tǒng)的最大負荷出現(xiàn)在第二階段，若以此階段負荷設(shè)計系統(tǒng)，需要配置較大的制冷系統(tǒng)，現(xiàn)有裝置多采用蓄冷的方式，使用時先開啟制冷系統(tǒng)對載冷劑預(yù)冷，在捕水器溫降至某一點時開啟真空泵進入真空冷卻階段。

在真空冷卻過程中，捕水器的捕水能力直接影響著真空冷卻的效果。如果捕水器的導(dǎo)通能力好，比表面積大，管外表面與水汽碰撞幾率高，其捕水能力就高，才能保證真空泵的正常運轉(zhuǎn)，因此高效的捕水器能夠減少進入真空泵的水蒸汽量，從而有效地保護真空泵、防止水分再蒸發(fā)，同時降低能耗[6]。

2 實驗研究及數(shù)據(jù)處理

實驗在自行研制的真空冷卻裝置上進行。測控系統(tǒng)的核心為SIEMENS S7-200PLC，采用8775A數(shù)字電參量測試儀進行功耗和能耗的在線檢測。上位機為PC機，主要作用是對PLC進行監(jiān)控。試驗臺用西門子公司的Step7語言編寫PLC端的通信和控制程序, 在PC端用VB6.0實現(xiàn)串行通信的控制和監(jiān)控界面的顯示。在真空冷卻過程中，需要對溫度、壓力、重量進行檢測，對制冷機、真空泵和水泵進行控制并測試功率與能耗，以便比較分析。

2.1 能耗影響因素分析及數(shù)據(jù)處理依據(jù)

真空冷卻裝置主要耗能部件是制冷機、真空泵和水泵。

在真空冷卻過程中，先開啟水泵與制冷系統(tǒng)(圖1中的A-B)，通過載冷劑將捕水器預(yù)冷至預(yù)定溫度，此過程能耗稱為前級能耗Pq。然后開啟真空泵(圖1中C-D)，使樣品得到真空冷卻，此過程的能耗稱之為后級能耗Ph。

圖1 真空過程功率-能耗圖Fig.1 Power and energy consumption during vacuum cooling

前級能耗是將載冷劑的溫度從T0初(捕水器表面的初始溫度)降到T0啟(開啟真空泵時捕水器表面溫度)系統(tǒng)消耗的能耗。由于每次裝置啟動時T0初不同，前級能耗Pq會因此產(chǎn)生差異，對數(shù)據(jù)分析產(chǎn)生影響。為此特定一個初始溫度T0*，從T0初至T0*所消耗的能耗稱為附加能耗。若T0初＞T0*，則在前級能耗的測試值中，減去制冷系統(tǒng)從T0初到T0*所產(chǎn)生的附加能耗，得到折算能耗P*；反之若T0初＜T0*，則在前級能耗的測試值中，加上制冷系統(tǒng)從T到T*0初0所產(chǎn)生的附加能耗。所有實驗通過上述方法對實驗數(shù)據(jù)進行處理。附加能耗可在空載時制冷系統(tǒng)能耗的實驗結(jié)果中查得，如實驗曲線圖2所示。該圖為裝置空載時，將捕水器表面從25℃降至15℃的功耗。

圖2 捕水器表面溫降與能耗的關(guān)系Fig.2 Relationship between temperature drop of the capture of water and energy consumption

后級能耗Ph是從開啟真空泵至將被冷卻物品降至某一特定終溫所消耗的電能。后級能耗主要與T0啟、被冷卻物品的量以及初溫有關(guān)。在其它參數(shù)確定情況下，研究其中一個參數(shù)對能耗的影響。

總能耗為折算能耗P*與后級能耗Ph之和。

2.2 真空泵開啟溫度T0啟與裝置能耗的關(guān)系

將盛有2.5kg、初溫為23℃水的放入真空室，將熱電偶固定在容器內(nèi)測溫，蓋上真空室玻璃蓋板，開啟制冷系統(tǒng)和水泵，分別在捕水器表面降溫至-5℃、0℃、5℃、10℃、15℃時開啟真空泵，當(dāng)水溫降至8℃時結(jié)束試驗。實驗過程中由電腦進行功耗的數(shù)據(jù)采集，實驗結(jié)束后對實驗數(shù)據(jù)進行處理。取T0

*為20℃，若T0初＞20℃,附加能耗為負，即需減去捕水器表面由T0初至20℃系統(tǒng)能耗；若T0初＜20℃,附加能耗為正，即需加上捕水器表面由20℃至T0初系統(tǒng)能耗。

數(shù)據(jù)結(jié)果處理如圖3所示。

圖3 開啟真空泵溫度與總能耗的關(guān)系Fig.3 Relationship between temperature the vacuum pump turned on and energy consumption

再分別選取2.0kg、1.5kg，初溫為23℃的水按上述方法進行實驗，可得出同樣結(jié)論，因此得出結(jié)論:對實驗裝置，在10℃時開啟真空泵系統(tǒng)總能耗最小。

預(yù)冷應(yīng)使捕水器表面溫度低于水汽對應(yīng)的露點溫度，同時要滿足真空冷卻過程中捕水器凝結(jié)的水量。若捕水器表面溫度太高，則會降低凝結(jié)水量，增加了真空系統(tǒng)的負荷，甚至達不到降溫的目的；而溫度太低，又會過多消耗制冷系統(tǒng)能量，甚至在捕水器表面結(jié)冰，增加了熱阻而使凝結(jié)性能降低。因此，真空泵開啟時刻取決于捕水器表面溫度，合理控制捕水器表面溫度將是一種有效的節(jié)能途徑。

2.3 被冷物質(zhì)量與裝置能耗的關(guān)系

進行能耗的實驗研究，需要對不同的實驗條件進行比較，這不僅包括以上所述的不同的真空泵開啟溫度T0啟，還包括不同的樣品質(zhì)量G以及不同的降溫幅度ΔT。為便于比較，提出當(dāng)量能耗的概念，即:

當(dāng)量能耗P當(dāng)量就是將不同的G與ΔT的實驗結(jié)果換算成單位質(zhì)量、單位溫降的能耗。

分別選取質(zhì)量1.5kg、2.0 kg、2.5kg、3kg的水為實驗樣品，樣品初溫統(tǒng)一為23℃，實驗方法同上。開啟制冷系統(tǒng)和水泵，當(dāng)捕水器表面降溫至10℃時開啟真空泵，當(dāng)水溫降至8℃時結(jié)束試驗。

同樣取T0*為20℃，同樣方法對實驗數(shù)據(jù)進行處理。結(jié)果如表1所示。

表1 被冷物質(zhì)量與能耗的關(guān)系Tab.1 Relationship between mass and energy

由表1可以明顯看出，隨著被冷物質(zhì)量增加，被冷卻物品發(fā)生相同溫降需要散發(fā)的熱量增大，對應(yīng)的蒸發(fā)水量增大，根據(jù)能量守恒定律，總能耗必然增加。對當(dāng)量能耗來說，被冷物的量過小，“閃發(fā)”水汽較少，捕水器的捕水能力大于水汽的蒸發(fā)量，制冷系統(tǒng)處于部分“空載”狀態(tài)，造成被冷物品當(dāng)量能耗增大；當(dāng)被冷物質(zhì)量過大時，“閃發(fā)”水汽較多，捕水器的捕水能力小于水汽的蒸發(fā)量，制冷系統(tǒng)處于 “超載”狀態(tài)，捕水器不能及時將蒸發(fā)水汽凝結(jié)成液體，造成真空系統(tǒng)工作時間延長，總能耗增加，同時被冷物品當(dāng)量能耗增大。就裝置而言，最佳負載在2.5kg，應(yīng)盡量使裝置在該負載附近運行。

3 結(jié)論

蒸發(fā)水量是確定真空裝置系統(tǒng)匹配的基本因素，是裝置的能耗的一個關(guān)鍵因素。當(dāng)裝置匹配確定后，采用折算能耗與當(dāng)量能耗便于進行能耗的分析與比較研究，得出合適的真空泵開啟溫度與被冷物質(zhì)量是節(jié)能的有效方法。

(本文受上海市重點學(xué)科建設(shè)項目(S30503) 資助。The project was supported by Shanghai Leading Academic Discipline Project (S30503).)

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