智能热气融霜在低温并联制冷系统中的应用

摘要：通过对冷库内负荷以及冷风机结霜情况的分析，计算出在融霜时，需要投入的热气负载的量。同时采用热回收装置，把系统废热储存起来，在需要融霜的时候，利用蓄能提供热气负载，从而实现真正意义上的按需融霜，解决了低温并联系统热气融霜过程中热气量不足这一难题。
关键词：并联系统；结霜；热气融霜；热回收；蓄能
中国分类号：TK-9 文献标识码：A   文章标号：2095-2104（2012）03-0001-02

Intelligent hot gas defrost application on low-temperature parallel compressors refrigeration system
Zhang Zhe-an
(Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030, China)
Abstract
    According to the analysis to the heat load of the cold storage and the frosting condition of the unit coolers, we figure out the heat load when defrosting. In the meantime, using heat reclaim device to collect the waste heat in the system, and release the stored energy as a heat load when defrost demand required. Thus we can realize a real sense of hot gas based on the demand, and solve the challenge of insufficient hot gas amount during hot gas defrosting in low-temperature parallel compressors system.
Key words: Parallel compressors system, frost, hot gas defrosting, heat reclaim, stored energy
 
0引言
热气融霜方式，是目前国内外公认的节能融霜方式。但对于大型并联制冷系统，系统虽然能够做到在进行制冷的同时，对部分冷风机进行热气融霜，但由于系统的负荷的不可预见性，会造成有些时候在需要融霜的时候，系统不能提供足够的热气量，从而不能达到预期融霜效果。系统的稳定性和可靠性受到了质疑，所以热气融霜在大型并联制冷系统中，还是无法得到推广。
    论文将讨论一种以回收系统中废热并用以热气融霜过程中的负载，通过对盘管结霜情况的分析，从而实现按需融霜，并提供足够的热气用以除霜。
1霜负荷的分析
由于冷风机的风量在整个盘管截面上分布并不均匀，结霜情况也是不均匀的，很难对霜层的厚度进行定量的测量。所以只能通过对冷风机盘管的冷量分析以及空气状态的分析，来定性的判断翅片上结霜的量。
    已知风速，进风温度t_in,进风相对湿度_in，出风温度t_out,进风相对湿度_out，盘管截面积S。此时可以计算出进出风的湿度，进而可知空气通过盘管后所析出的水汽量^[2,4]：
，（1）冰的融化热为336kJ/kg，冰的比热容2.1kJ/(kg·℃)
水结冰时所放出的热量：
（2）冰从0℃降至库温，也就是t_in，时所放出的热量：
（3）所以水从空气中析出，然后结冰再降温至库温一共需要放出的热量
（4）而这个热量Q正是热气融霜时所需要提供的最小负荷。
 
2融霜热气量的分析
    由空气能量方程可知，潜热负荷为2 501 d，这个数值大概是结霜负荷Q的6倍。同时，热气融霜作用时间短，整个过程只有10 min，而结霜负荷作用时长有5.5 h。
所以总的热气负荷为：
（5）
该负荷L_h即为热气融霜所需要投入的热气负载。
制冷循环过程中的制冷剂压焓图。不难看出，在融霜过程中，其实是利用了压缩机的排热，即为图1所示的1-4段。在忽略了系统中的阻力损失以后，可以认为1-4过程段中，制冷剂蒸汽压力是恒定不变的。
已知热气负荷L_h，以及热气起止比焓h₁”和h₄’
（6）
其中M为制冷剂的质量流量kg/s
（7）
此即单冷风机运行时所需要投入的热气量。
 
3融霜负载的确定
根据能量守恒定律可知：融霜时所需要的热量，必须从其他地方取得。如何在融霜的时候，能够同时保证有足够的负载可以提供融霜时所需的热气，这就是本课题的一个难点所在。
    这里我们将采用热回收装置对系统废热进行回收^[8,9]。系统的废热采用一种中间媒质来储存，同时该媒质所储存的能量，会在系统进行热气融霜的时候，作为融霜负载被释放出来。
    到底需要储备多少能量才能满足系统的融霜负荷呢？单台冷风机所需要的融霜负荷为35 Q。热气融霜按照1 d融霜4次，每次10 min进行计算，整个系统有n个冷风机，系统的排气温度在60 ℃左右，冷凝温度为45 ℃左右，取蓄能媒质的最高温度为30 ℃，最低温度为0 ℃。
    不难得出一个结论：在不考虑热量损失的情况下，热回收所蓄能量，足以应付系统融霜时所需要的所有负荷，即使所有冷风机同时融霜也是足够的。
    
4智能热气融霜控制
智能热气融霜的关键在于，如何确定融霜开始点和融霜终止点。
4.1融霜开始
实验表明^[1,3]，低温工况下，影响翅片管蒸发器换热效率的主要原因不是霜层热阻的增加，而是结霜造成的空气流动阻力的增加。由于结霜霜层厚度的不均匀性，很难用霜层厚度来作为融霜依据。不过当盘管翅片结霜时，对于蒸发器来说，不论是霜层的热阻增加还是空气流动阻力增加，结果就是盘管的传热效率会下降，对应的盘管的制冷能力也将下降，所以通过监测系统制冷量的衰减，能够间接的反映出冷风机盘管的结霜情况，并且以此作为融霜的控制参数容易控制、便于测量，可以很好的实现按需融霜。Sanders研究发现，在结霜工况下制冷系统的换热能力下降至少35%。所以判断融霜开始时间点为：当冷风机的制冷量衰减到额定制冷量的65%，并且盘管出口氟利昂过热度小于3 K时，盘管开始融霜。
4.2融霜终止
融霜终止时间的确定相对容易和灵活，最重要的是要保证霜层完全融化并排出到室外，如果融霜时间过长，会造成冷库内温度的较大温度波动，如果融霜时间不够，会造成融霜不尽，影响下一循环的制冷效果。研究表明^[5]，热气融霜时，当盘管温度达到10 ℃,盘管上的霜就已经融化殆尽了。所以用盘管的温度作为融霜终止的控制参数，即融霜开始以后，当盘管温度达到10 ℃时，停止融霜。
4.3整个系统融霜控制
当系统中的冷风机需要融霜时，对应的融霜冷风机的供液管路上的电磁阀会关闭，同时开启热气管路上的电磁阀，让热气直接进入盘管内。为了保证能够提供足够的热气量，此时要将蓄能回路蒸发器的供液电磁阀打开。通过对系统正在进行制冷的冷风机的统计，能够得知系统正常的热气供应量，通过对系统需要融霜的冷风机的统计，能够得知系统中用于融霜的热气供应量。将制冷用热气供应量与融霜用热气供应量相比较，就能够得知比例调节阀PM开启度的位置。
 
5结语
在低温冷库应用中，采用热回收形式对系统的废热进行回收，然后再在系统需要融霜的时候，将该部分的热量作为融霜负载释放出来。这样一来，就能够实现真正意义上的按需融霜。同时也解决了大型并联制冷系统，在保证其他冷风机正常工作的同时，能够提供足够的热气负荷给需要融霜的冷风机进行融霜。废热取之于系统，用之于系统，节能效果较普通的热气融霜更上一层楼。
 
参考文献:
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[3]刘风珍，陈焕新.影响翅片管换热器结霜因素研究[J].低温工程,2000,116(4):45-48.
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