張佳馳，高恩元, ，梁彩華，呂寧，邵智博

(1.東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京，210096；2.中國(guó)制冷學(xué)會(huì)，北京，100142)

隨著人們生活水平的提高，冷庫(kù)冷鏈物流行業(yè)發(fā)展迅速，冷庫(kù)冷風(fēng)機(jī)作為這一產(chǎn)業(yè)鏈中不可缺少的配套設(shè)施被廣泛應(yīng)用于各環(huán)節(jié)中。冷庫(kù)冷風(fēng)機(jī)具有使用方便、成本低、制冷效果好、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)[1]。

冷庫(kù)中的冷風(fēng)機(jī)常處于低溫高濕的工況中，當(dāng)其換熱表面溫度低于空氣露點(diǎn)溫度并低于0 ℃時(shí)，換熱表面將出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象[2-4]。結(jié)霜給冷風(fēng)機(jī)造成諸多影響：換熱表面的霜層阻礙翅片間的空氣流通，造成進(jìn)風(fēng)量減小，同時(shí)還增大了冷風(fēng)機(jī)的導(dǎo)熱熱阻，使機(jī)組性能大幅下降[5-7]；在結(jié)霜工況下，進(jìn)風(fēng)量大幅度波動(dòng)，容易引發(fā)風(fēng)機(jī)喘振，縮短風(fēng)機(jī)壽命[8]；為保證設(shè)備的制冷效率，需適時(shí)對(duì)冷風(fēng)機(jī)進(jìn)行除霜，而除霜所消耗能量導(dǎo)致系統(tǒng)整體效率下降[9-12]，同時(shí)，融霜熱將進(jìn)入冷庫(kù)內(nèi)部，造成庫(kù)溫波動(dòng)，影響冷庫(kù)能耗及貯藏產(chǎn)品質(zhì)量[13-14]。

為降低結(jié)霜造成的系統(tǒng)性能衰減，學(xué)者們進(jìn)行了諸多方面的研究。王厚華等[15]通過(guò)正交試驗(yàn)與仿真模擬相結(jié)合的方式，對(duì)穿孔型翅片管式換熱器的孔型、孔幾何尺寸及開(kāi)孔位置等片型參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究，結(jié)果表明翅片表面開(kāi)橢圓孔其換熱性能最好。金磊等[16]利用冷風(fēng)機(jī)模型對(duì)不同流程分布的冷風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行仿真模擬，得出在單排管雙流程的布管方式下冷風(fēng)機(jī)性能最優(yōu)。趙蘭萍等[17]利用k-ε模型，研究了橫、縱向管間距對(duì)矩形橢圓管換熱管束換熱性能的影響，并得出橫向管間距是影響換熱管束換熱性能的主要因素；屠琦瑯等[18]通過(guò)模型仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，研究并得到了不同空氣雷諾數(shù)范圍內(nèi)翅片結(jié)構(gòu)對(duì)雙向開(kāi)縫翅片管換熱器阻力特性及性能的影響規(guī)律；黃東等[19]對(duì)不同片型的熱泵空調(diào)器動(dòng)態(tài)結(jié)霜性能的影響展開(kāi)實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)波紋/開(kāi)縫翅片的性能參數(shù)衰減最早，且衰減幅度最大，波紋翅片次之，平直翅片衰減最晚且幅度最??；ZHANG等[20]對(duì)空氣源熱泵機(jī)組室外盤管換熱器在不同翅片間距的結(jié)霜分布展開(kāi)定量研究，結(jié)果表明3.2 mm 翅片間距的熱泵系統(tǒng)供熱更穩(wěn)定。

由以上研究可知，優(yōu)化翅片管換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)可有效抑霜并提升系統(tǒng)性能，然而目前多數(shù)研究主要圍繞空氣源熱泵及其運(yùn)行工況展開(kāi)，而針對(duì)各種不同冷庫(kù)工況下的冷風(fēng)機(jī)結(jié)霜問(wèn)題研究相對(duì)較少。傳統(tǒng)冷風(fēng)機(jī)大都采取單一翅片結(jié)構(gòu)滿足各種不同庫(kù)溫的冷庫(kù)需求，而研究表明不同冷庫(kù)環(huán)境溫度下冷風(fēng)機(jī)具有不同的結(jié)霜特性，由此導(dǎo)致冷風(fēng)機(jī)難以兼顧不同庫(kù)溫不同結(jié)霜特性下的性能最優(yōu)。因此研究并深入揭示不同庫(kù)溫下冷風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其結(jié)霜特性的影響規(guī)律，可為冷風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、提升不同庫(kù)溫下的機(jī)組性能提供理論支撐和指導(dǎo)。

為此，本文作者針對(duì)冷庫(kù)冷風(fēng)機(jī)應(yīng)用條件多變、溫度跨度大的特點(diǎn)，結(jié)合數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)建立冷庫(kù)冷風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)霜模型，研究不同庫(kù)溫下冷風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)(主要為翅片間距)對(duì)冷庫(kù)冷風(fēng)機(jī)結(jié)霜特性及機(jī)組性能的影響規(guī)律，并提出不同庫(kù)溫下的冷風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化建議。

1 冷風(fēng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)霜模型建立

冷庫(kù)制冷系統(tǒng)主要由冷風(fēng)機(jī)、冷凝器、壓縮機(jī)、膨脹閥及其他配套部件構(gòu)成，本文將對(duì)主要部件分別建立模型并最終形成整套制冷系統(tǒng)模型。

1.1 冷風(fēng)機(jī)模型建立

建立冷風(fēng)機(jī)模型時(shí)進(jìn)行以下假設(shè)：1) 每個(gè)微元段內(nèi)的空氣側(cè)、制冷劑側(cè)物性保持不變；2) 流動(dòng)截面上的汽、液壓力相同；3) 不考慮重力對(duì)水平管的影響。

1.1.1 管外側(cè)空氣換熱模型

干工況下空氣換熱系數(shù)ha按下式進(jìn)行計(jì)算：

結(jié)霜工況下空氣換熱系數(shù)hfr表達(dá)式為

式中：a為因霜層表面粗糙而使換熱系數(shù)增強(qiáng)的系數(shù)，取1.25；ξfr為結(jié)霜工況下的析濕系數(shù)；λfr為霜層導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

1.1.2 管內(nèi)側(cè)制冷劑換熱模型

過(guò)熱區(qū)制冷劑的對(duì)流換熱系數(shù)hi按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：λi為過(guò)熱蒸汽導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；Die為冷風(fēng)機(jī)換熱管內(nèi)徑，m；Pr為普朗特?cái)?shù)。

兩相區(qū)沸騰換熱系數(shù)htp按下式進(jìn)行計(jì)算：

1.1.3 結(jié)霜模型

結(jié)霜過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)熱濕傳遞過(guò)程，在結(jié)霜過(guò)程中霜層的物性參數(shù)隨時(shí)間變化。建模時(shí) 進(jìn)行以下假設(shè)：1) 結(jié)霜過(guò)程為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過(guò)程；2) 換熱表面結(jié)霜均勻，每處厚度相同；3) 忽略霜層與空氣之間的輻射換熱；4) 僅考慮垂直方向的導(dǎo)熱。

在霜層積累過(guò)程中，霜的增長(zhǎng)速率mfr可由冷風(fēng)機(jī)進(jìn)出口的空氣含濕量及進(jìn)風(fēng)量計(jì)算得到：

式中：ma為空氣質(zhì)量流量，kg/s；Xao為冷風(fēng)機(jī)出口空氣含濕量，kg/kg。

增長(zhǎng)的霜用以增加霜層密度和霜層厚度，因此霜的增長(zhǎng)速率還可表示為

改變霜層密度的mρ計(jì)算公式推導(dǎo)如下：

式中：Qf為空氣與霜層之間的總換熱量，W；R為氣體常數(shù)，J/(mol·K)；Tf為霜層表面溫度，K；vv為水蒸氣的比容，m3/kg；vi為冰的比容，m3/kg；Ds為霜層表面水蒸氣的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；pv為霜層表面飽和水蒸氣分壓力，Pa；ρfr為霜層密度，kg/m3；ρi為冰的密度，kg/m3。

霜層密度ρfr按下式進(jìn)行計(jì)算：

采用Sander關(guān)聯(lián)式計(jì)算霜層導(dǎo)熱系數(shù)λfr：

1.1.4 風(fēng)量計(jì)算模型

冷風(fēng)機(jī)換熱表面的霜層生長(zhǎng)導(dǎo)致空氣側(cè)的壓力損失的增加，壓降Δpa表達(dá)式如下：

式中：Amin為最小流通面積，m2。

風(fēng)機(jī)性能曲線如下：

式中：ps為風(fēng)機(jī)靜壓；C1～C4為風(fēng)機(jī)性能參數(shù)。

將風(fēng)機(jī)性能曲線與空氣側(cè)壓降公式聯(lián)立，即可求出風(fēng)量及風(fēng)速變化。

1.2 冷凝器模型建立

1.2.1 管外側(cè)空氣換熱模型

冷凝器管外側(cè)的空氣換熱能量方程如下：

式中：Atc為蒸發(fā)器空氣側(cè)換熱面積，m2。

1.2.2 管內(nèi)側(cè)制冷劑換熱模型

制冷劑進(jìn)入冷凝器后隨著相態(tài)變化先后經(jīng)歷過(guò)熱區(qū)、兩相區(qū)及過(guò)冷區(qū)，可根據(jù)制冷劑工質(zhì)不同的相態(tài)分段建模。

過(guò)熱區(qū)與過(guò)冷區(qū)為單相區(qū)，其制冷劑換熱系數(shù)求解方式與冷風(fēng)機(jī)相同。

兩相區(qū)換熱系數(shù)hrtp按照Shah傳熱公式計(jì)算：

式中：hrl為制冷劑飽和液體換熱系數(shù)，W/(m·K)；εp為工作壓力與臨界壓力的比值，εp=pc/pcr；pc和pcr分別為冷凝壓力和臨界壓力，Pa。

1.3 壓縮機(jī)模型

采用穩(wěn)態(tài)效率法對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行建模，在建模時(shí)進(jìn)行以下假設(shè)：1) 忽略吸、排氣壓力損失；2) 忽略壓縮機(jī)外壁與環(huán)境空氣的熱交換；3) 不考慮壓縮機(jī)多變指數(shù)及電效率隨工況的變化。

壓縮機(jī)的理論輸氣量Vth為

式中：Mr為制冷劑流量，kg/s；vsuc為壓縮機(jī)吸氣比容，m3/kg；λ為輸氣系數(shù)。

壓縮機(jī)理論功率Pth為

式中：m為壓縮過(guò)程中的多變指數(shù)；pe為蒸發(fā)壓力，Pa；pc為冷凝壓力，Pa。

壓縮機(jī)實(shí)際功率Pcom為

式中：ηe為壓縮機(jī)電效率。

1.4 膨脹閥模型

由熱力學(xué)第一定律可知，制冷劑節(jié)流前后的焓不變，因此膨脹閥能量方程如下：

式中：Hin為膨脹閥入口處制冷劑的焓，J/kg；Hout為節(jié)流閥出處制冷劑的焓，J/kg。

2 系統(tǒng)結(jié)霜模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試?yán)滹L(fēng)機(jī)性能及霜層物性參數(shù)，并對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果，驗(yàn)證模型精度。

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，兩個(gè)相鄰的房間分別作為冷庫(kù)內(nèi)側(cè)與外側(cè)。冷庫(kù)內(nèi)外側(cè)空氣狀態(tài)參數(shù)通過(guò)空氣再處理機(jī)組調(diào)控，再處理機(jī)組包括制冷機(jī)組、電加熱器、加濕器及風(fēng)機(jī)。工況穩(wěn)定時(shí)，實(shí)驗(yàn)室的溫度控制誤差為±0.1 ℃，濕度控制誤差為±2%。

圖1 模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Model validation experimental system

實(shí)驗(yàn)中，冷風(fēng)機(jī)進(jìn)出口空氣溫濕度、進(jìn)風(fēng)量、冷風(fēng)機(jī)進(jìn)出口制冷劑壓力和溫度等參數(shù)可直接測(cè)量。其中，冷風(fēng)機(jī)進(jìn)出口的空氣溫濕度可分別通過(guò)溫度與濕度傳感器測(cè)得，溫度傳感器允許誤差為±0.1 ℃，濕度傳感器允許誤差為±3%；風(fēng)量采用噴嘴差壓法測(cè)量，噴嘴安裝在風(fēng)量測(cè)量裝置內(nèi)，測(cè)試過(guò)程中可根據(jù)風(fēng)量變化適時(shí)改變噴嘴開(kāi)關(guān)，風(fēng)量箱的測(cè)量范圍在200～3 000 m3/h，精度等級(jí)為±1%；冷風(fēng)機(jī)進(jìn)出口處的制冷劑壓力則由壓力傳感器測(cè)量，壓力傳感器允許測(cè)量范圍為0～5 MPa，測(cè)量精度為±0.25%。

此外，冷風(fēng)機(jī)結(jié)霜量需通過(guò)測(cè)量風(fēng)量及空氣溫濕度獲得空氣質(zhì)量流量及冷風(fēng)機(jī)空氣進(jìn)出口的絕對(duì)含濕量，進(jìn)而間接獲得結(jié)霜量Mfr：

式中：Δτ為時(shí)間步長(zhǎng)，s。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所用冷風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。冷凝器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2 所示。壓縮機(jī)型號(hào)為QXASH50sH345A，適用冷媒為R410A，額定頻率為 50 Hz。

表1 冷風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Air cooler structural parameters

表2 冷凝器結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Condenser structural parameters

2.3 模型驗(yàn)證

利用該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分別驗(yàn)證了不同工況下的冷庫(kù)冷風(fēng)機(jī)系統(tǒng)模型精度，實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)Table 3 Experimental operating condition parameter

冷風(fēng)機(jī)開(kāi)機(jī)階段參數(shù)波動(dòng)劇烈，對(duì)模型驗(yàn)證不具參考性，故本文僅對(duì)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行期間的結(jié)霜特性進(jìn)行驗(yàn)證。圖2～5 所示分別為制冷量、風(fēng)量、輸入功率和結(jié)霜量隨時(shí)間的變化。由圖2～5可知：制冷量、進(jìn)風(fēng)量、輸入功率及結(jié)霜量的模擬值與實(shí)驗(yàn)值的偏差均在5%以內(nèi)，模型精度較高。

圖2 制冷量隨時(shí)間的變化Fig.2 Variation of cooling capacity with time

圖3 風(fēng)量隨時(shí)間的變化Fig.3 Variation of air volume with time

3 仿真結(jié)果分析

本文對(duì)不同庫(kù)溫下冷風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其結(jié)霜特性的影響展開(kāi)研究，在改變結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)僅調(diào)整冷風(fēng)機(jī)翅片間距，迎風(fēng)面積及其他結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變。

3.1 翅片間距對(duì)冷風(fēng)機(jī)結(jié)霜特性的影響

圖4 輸入功率隨時(shí)間的變化Fig.4 Variation of input power with time

圖5 結(jié)霜量隨時(shí)間的變化Fig.5 Variation of frost quantity with time

在庫(kù)內(nèi)環(huán)境溫度為2 ℃，相對(duì)濕度為90%，庫(kù)外環(huán)境溫度為25 ℃的工況下對(duì)不同片距的冷風(fēng)機(jī)進(jìn)行仿真模擬。

圖6所示為不同片距的冷風(fēng)機(jī)風(fēng)量衰減率隨時(shí)間的變化。從圖6可知：隨著翅片間距的增加，空氣流道變寬，空氣阻力的增加速度減緩，風(fēng)量衰減也隨之變緩。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到90 min時(shí)，翅片間距為2 mm的冷風(fēng)機(jī)風(fēng)量衰減率為82.78%，片距為7 mm的冷風(fēng)機(jī)風(fēng)量衰減率為35.71%，僅為前者的0.43。

圖6 不同片距的冷風(fēng)機(jī)風(fēng)量衰減率隨時(shí)間的變化Fig.6 Variation of air volume loss rate with different fin pitch with time

圖7所示為不同片距的冷風(fēng)機(jī)制冷量衰減率隨時(shí)間的變化。由圖7可知：在結(jié)霜初期，冷風(fēng)機(jī)制冷量衰減率增長(zhǎng)速率較慢。風(fēng)量變化與霜層導(dǎo)熱熱阻共同影響制冷量的變化，在此階段，霜晶剛剛形成，風(fēng)量衰減不明顯，霜層導(dǎo)熱熱阻較小，因此制冷量衰減速度較慢。隨著霜層生長(zhǎng)，風(fēng)量變化成為影響制冷量衰減的主要因素，冷風(fēng)機(jī)的換熱性能加速衰減。由圖7 還可知：片距為2 mm的冷風(fēng)機(jī)在結(jié)霜初期時(shí)制冷量衰減最慢，隨著時(shí)間增加，制冷量衰減速率加快，其制冷量衰減速率超過(guò)其他冷風(fēng)機(jī)的制冷量衰減速率。該冷風(fēng)機(jī)換熱面積大，表面溫度最高，由密度計(jì)算公式可知，表面溫度越高，霜層密度越大，因此該冷風(fēng)機(jī)在結(jié)霜初期的表面霜層致密且薄，導(dǎo)熱熱阻與風(fēng)量衰減率均較小，性能衰減較慢。而隨著霜層生長(zhǎng)，該冷風(fēng)機(jī)風(fēng)道較窄，堵塞速度快，風(fēng)量衰減迅速，制冷量衰減率迅速增加。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行 90 min時(shí)，片距為2 mm的冷風(fēng)機(jī)制冷量衰減率為31.69%，而片距為7 mm的冷風(fēng)機(jī)制冷量衰減率僅為15.35%。

圖7 不同片距的冷風(fēng)機(jī)制冷量衰減率隨時(shí)間的變化Fig.7 Variation of cooling capacity decay rate with different fin pitch with time

在結(jié)霜過(guò)程中，伴隨著冷風(fēng)機(jī)制冷量減少，其蒸發(fā)溫度降低，進(jìn)而使得冷風(fēng)機(jī)換熱表面溫度降低?？諝馀c冷風(fēng)機(jī)換熱表面換熱，其出口溫度也隨之降低，冷風(fēng)機(jī)的空氣進(jìn)出口溫差大。圖8所示為不同片距的冷風(fēng)機(jī)空氣進(jìn)出口溫差隨時(shí)間的變化。結(jié)合圖6～8可知，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行90 min時(shí)，片距為4 mm的冷風(fēng)機(jī)制冷量衰減率為27.63%，而其空氣進(jìn)出口溫差由2.61 ℃增大至6.11 ℃，增大了2.34倍。

圖8 不同片距的冷風(fēng)機(jī)空氣進(jìn)出口溫差隨時(shí)間的變化Fig.8 Variation of air inlet and outlet temperature difference with different fin pitch with time

單位制冷量結(jié)霜量可反映出在獲得相同冷量時(shí)，不同冷風(fēng)機(jī)的結(jié)霜情況。圖9所示為不同片距的冷風(fēng)機(jī)單位制冷量結(jié)霜量隨時(shí)間的變化。由圖9可知：在系統(tǒng)運(yùn)行前期，各冷風(fēng)機(jī)的單位制冷量結(jié)霜量相近，隨著時(shí)間增加，單位制冷量結(jié)霜量隨片距增加而單調(diào)遞增。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行90 min 時(shí)，片距為2 mm 的冷風(fēng)機(jī)單位制冷量結(jié)霜量為 0.53 kg/kW，而片距為7 mm 的冷風(fēng)機(jī)單位制冷量結(jié)霜量為0.6 kg/kW。該值越大，則獲得同樣冷量的前提下，冷風(fēng)機(jī)結(jié)霜越多，除霜能耗越大。

圖9 不同片距的冷風(fēng)機(jī)單位制冷量結(jié)霜量隨時(shí)間的變化Fig.9 Variation of per cooling capacity frost quantity with different fin pitch with time

3.2 不同庫(kù)溫下不同片距冷風(fēng)機(jī)的結(jié)霜特性

為對(duì)不同庫(kù)溫下不同片距冷風(fēng)機(jī)的結(jié)霜特性進(jìn)行仿真研究，參考冷庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)的模擬工況如表4所示。

表4 模擬工況參數(shù)Table 4 Simulation working condition parameters

圖10所示為當(dāng)片距調(diào)節(jié)范圍在2～7 mm時(shí)，不同庫(kù)溫下冷風(fēng)機(jī)片距對(duì)其制冷量衰減率的影響規(guī)律。圖中：Tai為冷庫(kù)內(nèi)環(huán)境溫度；Φ為空氣相對(duì)濕度；t為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間。從圖10 可知：當(dāng)庫(kù)溫為10 ℃時(shí)，片距為2～4 mm 的冷風(fēng)機(jī)表面溫度大于0 ℃，冷風(fēng)機(jī)不結(jié)霜，性能無(wú)明顯衰減。同理，當(dāng)庫(kù)溫為5 ℃時(shí)，片距為2 mm的冷風(fēng)機(jī)不結(jié)霜。而當(dāng)庫(kù)溫再降低時(shí)，在該片距調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，所有冷風(fēng)機(jī)均結(jié)霜。由此可認(rèn)為，5 ℃為可通過(guò)調(diào)節(jié)冷風(fēng)機(jī)翅片間距避免結(jié)霜的最低溫度。當(dāng)庫(kù)溫大于等于5 ℃時(shí)，可選擇片距為2 mm的冷風(fēng)機(jī)，避免結(jié)霜的同時(shí)還可增大冷風(fēng)機(jī)制冷量。當(dāng)庫(kù)溫小于5 ℃時(shí)，無(wú)法通過(guò)改變片距避免結(jié)霜，此時(shí)制冷量衰減率隨冷風(fēng)機(jī)片距的增大而單調(diào)遞減，片距為 7 mm的冷風(fēng)機(jī)制冷量衰減率最小。

圖10 不同庫(kù)溫下不同片距的冷風(fēng)機(jī)制冷量衰減率隨時(shí)間的變化Fig.10 Variation of cooling capacity decay rate with different refrigerator temperature with different fin pitch with time

圖11 所示為不同庫(kù)溫下不同片距冷風(fēng)機(jī)單位制冷量結(jié)霜量隨時(shí)間的變化。由圖11 可知：當(dāng)庫(kù)溫為10 ℃時(shí)，片距為5 mm 的冷風(fēng)機(jī)單位制冷量結(jié)霜量最大。該冷風(fēng)機(jī)在此工況下的表面溫度較高且接近0 ℃，在霜層導(dǎo)熱熱阻及水蒸氣相變釋放潛熱等多重因素影響之下霜層表面溫度可能大于0 ℃，此時(shí)，霜層表面霜晶將出現(xiàn)“倒融”現(xiàn)象，使得霜層密度增加，而霜層厚度較薄。故在此工況下冷風(fēng)機(jī)表面生長(zhǎng)的霜層致密且薄，風(fēng)道堵塞不嚴(yán)重，進(jìn)風(fēng)量損失較小，而霜層生長(zhǎng)速率與進(jìn)風(fēng)量相關(guān)，進(jìn)風(fēng)量越大，霜層生長(zhǎng)速率越快，系統(tǒng)運(yùn)行到90 min 時(shí)，其單位制冷量結(jié)霜量為 0.74 kg/kW。在其他工況下，單位制冷量結(jié)霜量隨翅片間距的增大而單調(diào)遞增。片距為7 mm的冷風(fēng)機(jī)單位制冷量結(jié)霜量最大，該冷風(fēng)機(jī)蒸發(fā)溫度和表面溫度更低，更利于霜層生長(zhǎng)，同時(shí)其翅片間距較大使得風(fēng)量損失較小，因此其霜層生長(zhǎng)速率最快。

圖11 不同庫(kù)溫下不同片距冷風(fēng)機(jī)單位制冷量結(jié)霜量隨時(shí)間的變化Fig.11 Variation of per cooling capacity frost quantity with different refrigerator temperature with different fin pitch with time

4 結(jié)論

1) 給定工況下，在設(shè)備運(yùn)行前期，小片距冷風(fēng)機(jī)的導(dǎo)熱熱阻較小，性能衰減較慢。隨著運(yùn)行時(shí)間增加，片距越小，其風(fēng)道堵塞越嚴(yán)重，性能衰減越劇烈。單位制冷量結(jié)霜量的變化趨勢(shì)與制冷量衰減相反，片距越小，單位制冷量結(jié)霜量越小，獲得相同冷量的前提下，其除霜耗能越少。

2) 常規(guī)冷庫(kù)工況下，當(dāng)庫(kù)溫在5 ℃及以上時(shí)，選擇2 mm 片距的冷風(fēng)機(jī)，其換熱表面溫度高于0 ℃可避免結(jié)霜，減少了除霜環(huán)節(jié)，從而大幅度提升系統(tǒng)效率。

3) 當(dāng)庫(kù)溫小于5 ℃時(shí)，結(jié)霜無(wú)法避免，當(dāng)片距增大時(shí)，冷風(fēng)機(jī)制冷量衰減率減小，但其單位制冷量結(jié)霜量較大，增加了除霜能耗。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，需考慮二者的耦合關(guān)系，平衡性能衰減與除霜能耗。