冷藏陈列柜减湿预冷器对蒸发器性能的影响分析

张文慧 龚 毅 吕彦力

(郑州轻工业学院 郑州 450002)

根据食品储藏标准(GB/T 21001.2—2007)，冷藏陈列柜储藏易腐食品的温度必须保持在5℃以下，满足M1等级要求(-1～5℃)[1]。这就需要陈列柜制冷系统的蒸发器在较低的温度下运行。当陈列柜蒸发器表面温度降到0℃以下时，其表面开始有霜形成。由于霜层是由冰晶和湿空气组成的多孔物质，有效导热系数较小，所以霜层增加了蒸发器外侧的换热热阻，降低了传热系数；同时霜层会部分地堵塞空气侧通道，增大流动阻力，从而减小空气流量，导致蒸发器的换热量下降，和风幕封闭敞口能力的降低，严重时甚至导致系统失效。因此，蒸发器必须定期融霜，这样既消耗额外的能量，能耗增大，还会使系统运行不稳定。

但是，立式敞开式陈列柜可以让顾客自由地拿取货物，为顾客提供一个随意、轻松的购物环境，促进商品销售，所以在大型商场大量地使用。但是此类陈列柜有其自身致命的缺点：能耗严重。造成陈列柜能耗过大的原因主要有三点：1)周围环境对柜内食品表面的辐射热较大；2)通过风幕渗透进来的热湿空气较多，尤其是敞开式陈列柜；3)定期除霜消耗能量的同时又增加了陈列柜的热负荷。

为了减缓蒸发器结霜，降低结霜对陈列柜性能的影响，可采用过热器作为减湿预冷器[2-5]，承担风幕空气的预冷任务，使通过蒸发器的空气温度和含湿量降低，从而使得空气和蒸发器翅片间的传热温差减小，改善整个蒸发器的换热性能。同时，蒸发器的结霜量减少，从而延长融霜周期，降低了融霜加热量，增强冷柜内部温度的稳定性。

1 实验装置

实验台参照国家标准GB/T21001.1—2007[1]冷藏陈列柜实验条件搭建。实验以某公司型号为DEI-107的立式敞开式冷藏陈列柜为研究对象，该陈列柜是专门针对便利店开发的薄型立式风幕柜，搁架有多层，风幕为两层结构。减湿预冷器设于陈列柜底层搁架下方，如图1所示[2]。

图1 实验用陈列柜实物图Fig.1 Picture of the experimental cabinet

图2 陈列柜前风速测点Fig.2 Air movement measurement position of cabinet

根据GB/T 21001.2—2007[1]，实验将陈列柜布置在恒温恒湿空调室内。测试环境选择Climate class 3(测试环境温度为25℃，环境相对湿度为60%，湿球温度为17℃)，与柜体长度方向平行的风速为0.1～0.2m/s，测速位置及参考位置如图2所示。

2 实验结果分析

增设空气预冷器后，通过蒸发器的空气温度和含湿量均有所降低，使得空气和蒸发器翅片间的传热温差减小，由于随着传热温差的减小，换热系数呈递增趋势，相当于蒸发器有效换热面积增大，从而整个蒸发器的换热性能得到改善。同时，系统运行时，蒸发器的结霜量会有所减少，从而延长融霜周期，降低了融霜加热量，使陈列柜负荷降低，进而使陈列柜内部食品温度稳定性有所增强。

2.1 减湿预冷器对蒸发器进口空气状态的影响

陈列柜风幕回风通过减湿预冷器后温度降低，含湿量减少。从图3可以得到，通过减湿预冷器后空气温度降低2.4℃，并且一个融霜周期内(6h)减湿预冷器产生冷凝水3.9kg。陈列柜运行5h后随着蒸发器结霜量的增加，蒸发器换热性能下降，预冷器前后空气温度又逐渐上升。6h后，陈列柜开始融霜，压缩机关闭，因此减湿预冷器前后的温度开始趋于一致。

图3 减湿预冷器前后空气温度Fig.3 Air temperature before and after the pre-cooler

2.2 减湿预冷器对蒸发器结霜量及结霜速度的影响

改造前冷藏陈列柜样机工作2h后，就开始出现薄薄的霜层，4h后就会出现大量的霜，致使翅片几乎完全被封住。而使用除湿预冷器后，系统运行3h后开始出现很薄的霜层，随后霜层逐渐加厚，5h后，霜层变厚速度加快，蒸发器换热性能急剧恶化。

实验用陈列柜采用热气融霜方式，融霜时，压缩机停机，制冷剂不流动，只有风机正常工作。融霜周期设定为6h，以时间控制融霜，若时间到达或者柜内温度大于设定最高温度时，融霜结束。实验结果表明：实验用冷藏陈列柜使用减湿预冷器前后融霜水量减少5.9%。

2.3 减湿预冷器对蒸发器融霜时间的影响

使用减湿预冷器后，蒸发器融霜时间也发生变化。环境温度为25℃，相对湿度60%时，改造前陈列柜样机融霜时间为25min，使用除湿预冷器后，融霜时间降为18min。融霜水量的减少和融霜时间的缩短，也使柜内食品温度回升降低，从而为食品安全带来有利条件。

2.4 减湿预冷器对陈列柜负荷的影响

陈列柜冷藏空间内空气的热平衡关系如图4所示。由能量守恒关系可得：

其中陈列柜冷负荷可由下式表示：

冷藏陈列柜的负荷可以由下式计算得出[6]：

其中：Qcond—柜壁与外界的导热量；Qcur—风幕与外界的换热量；Qin—柜内热负荷(食品，照明，风扇等)；Qrad—柜壁与外界辐射换热量；Qinlet—风幕进口空气带来的热量；Qoutlet—风幕进口带走的热量；Q—陈列柜冷负荷；V－风量；ρi, ρo－进出口空气密度；hi, ho－进出口空气焓值。

图4 陈列柜冷藏区热平衡示意图Fig.4 Sketch map of the energy balance in display cabinet

图5为根据式(3)求出的冷藏陈列柜系统改造前后热负荷在一个周期内的变化曲线。结果表明，使用减湿预冷器后冷藏陈列柜热负荷有所降低，特别是系统运行2h后，相对于改造前的冷藏陈列柜来说，使用减湿预冷器后，冷藏陈列柜热负荷大大降低。一个运转周期内(6h)，改造前冷藏陈列柜热负荷平均为5.37kW，而系统改造后热负荷为4.34kW，降低19.2%。热负荷降低的原因主要有两点：1)使用减湿预冷器后，风幕的封闭敞口能力得到了提高，因此通过风幕的渗透负荷减少[4]；2)使用减湿预冷器后，蒸发器结霜量有所减少，从而减少了融霜加热量及融霜多余热，同时也减少了融霜时渗透负荷。

图5 冷藏陈列柜热负荷曲线Fig.5 Curves of the heating load in the display cabinet

3 结论

以一台DEI-107型立式敞开式中温食品陈列柜为研究对象，通过实验，研究减湿预冷器对蒸发器性能的影响。研究表明：1)使用减湿预冷器可降低蒸发器进口空气的温度和含湿量；2)减湿预冷器可减缓蒸发器的结霜速度，减少蒸发器的结霜量及融霜时间；3)减湿预冷器的使用可减少融霜渗透负荷，从而降低陈列柜负荷，有利于保持柜内食品温度的稳定性。

[1]中国制冷标准化技术委员会.GB/T 21001.2—2007冷藏陈列柜第2部分: 分类、要求和实验条件[S].北京: 中国标准出版社, 2007.(China Standardization Technology Assiciation of Refrigeration. GB/T 21001.2—2007 Refrigerated display cabinets—Part 2: Classification,requirements and test conditions[S].Beijing：China Standardization Publishing House.)

[2]张文慧, 龚毅, 吕彦力.环境温湿度对冷藏陈列柜空气预冷器性能的影响[J]. 制冷学报, 2008, 29(6): 57-60.(Zhang Wenhui, Gong Yi, Lu Yanli. Effect of Ambient Temperature and Humidity on Performance of Pre-cooler in Display Cabinet [J].Journal of Refrigeration, 2008, 29(6): 57-60.)

[3]Lv Y L, Zhang W H, Yuan P, et al. Experimental study of heat transfer intensi fi cation by using a novel combined shelf in food refrigerated display cabinets[J]. Applied Thermal Engineering, 2010, 30:85-91.

[4]杨晓明, 张文慧, 龚毅. 减湿预冷器对冷藏陈列柜风幕性能的影响分析[J].制冷，2007，26(3)：40-44.(Yang Xiaoming, Zhang Wenhui, Gong Yi. The Effect of Precooler to Air-curtains in Refrigerated Display Cabinets [J].Refrigeration,2007,26(3):40-44.)

[5]吕彦力.冷藏陈列柜食品强化传热及节能技术研究[D].西安：西安交通大学, 2008.(Lv Yanli. Investigation on Enhanced Heat Transfer of Food in Refrigerated Display Cabinets and Energy Saving Technologies[D]. Xi'an:Xi'an Jiaotong University,2008.)

[6]邓咏梅, 徐正本, 陈蕴光, 等. 确定陈列柜热负荷新方法的研究[J]. 制冷空调与电力机械, 2003,(5):7-9.(Deng Yongmei, Xu Zhengben, Chen Yunguang, et al. Research on a New Method of Calculating Heat Load of Display Cases[J]. Refrigeration Air Conditioning & Electric Power Machinery, 2003,(5): 7-9. )