立式玻璃门冷冻陈列柜热负荷分析

陈军

【摘 要】陈列柜的热负荷计算是陈列柜设计和制冷机组选配的基础，因此对陈列柜热负荷定性定量地分析有着非常重要的意义。立式玻璃门陈列柜热负荷可以分为两个区间分别分析：稳态运行区间和非稳态运行区间；其中稳态运行区间的热负荷包括传导热负荷和环境辐射热负荷和陈列柜自身热负荷三部分，非稳态运行区间的热负荷包括装卸货热负荷和融霜热负荷两部分； 在此基础上，对各部分热负荷分别测定和计算。通过实验验证，说明该分析方法是可行的并具有一定的实际应用价值。

【关键词】立式玻璃门陈列柜；热负荷；稳态；非稳态

0.引言

陈列柜通常用于商店和超级市场，它即具有低温保存易腐败商品和食品的功能，同时具有展示和销售商品或食品的功能。陈列柜的热负荷不仅是陈列柜设计和制冷机组选配的基础，而且通过对热负荷组成部分的定量分析，能够为陈列柜的节能和优化提供依据。

1.概述

由于影响敞开式陈列柜和封闭式陈列柜热负荷的因素不同，需对这两种柜型分别讨论。

首先，对于敞开式陈列柜而言，外界环境卷入的渗透热量是其主要部分，其次是外界的辐射热量；而封闭式陈列柜更类似冷冻冷藏箱，热负荷的主要部分集中在传导热负荷和陈列柜自身热负荷。

其次，由于陈列柜热负荷的主要部分都与环境有关，可见超市或商场的环境参数（温度和湿度）对陈列柜的热负荷影响很大。对于敞开式陈列柜而言，环境的湿度不仅对热负荷有很大影响，而且会影响蒸发器的结霜问题，因而控制环境的相对湿度对敞开式陈列柜的节能更具意义。对于封闭式陈列柜的热负荷，环境参数的影响相对较小，陈列柜的循环风量影响比较大；过大的循环风量会导致陈列柜热负荷增大，冷藏食品的干耗增大，但过小的循环风量也会使陈列柜降温缓慢，因而应选择合适的循环风量。

本文仅针对4门封闭式陈列柜热负荷展开研究，以24小时作为一个周期，对稳态运行和非稳态运行两个区间分别计算；其中包括1次装货和每小时每扇门开6次来卸货（每次开门持续6秒钟，共持续12小时），4次化霜（每次化霜持续0.58小时）；最后汇总得出陈列柜24小时的总负荷。

2.玻璃门陈列柜的热负荷分析

本文将陈列柜的热负荷分为稳态运行区间和非稳态运行区间分别研究。

2.1陈列柜稳态运行期间的热负荷

陈列柜稳态运行期间的热负荷Q4包括传导热负荷Q1，环境辐射热负荷Q2和陈列柜自身热负荷Q3。

2.1.1传导热负荷

柜壁与外界传导热负荷Q1是指柜内外空气通过柜壁的导热量，主要换热形式为热传导。它的大小与很多因素有关，包括：柜壁材料的导热系数、柜壁的厚度、柜壁外表面积、柜外环境空气温度、柜内空气平均温度等。Q1可由下式估算而得：

Q1=KF1（T1-T2）

式中：K—柜壁的总传热系数，kW/（M2·K）；

F1—柜壁外表面积，M2；

T1—柜外环境空气温度，K；

T2—柜内空气平均温度，K。

2.1.2环境辐射热负荷

从玻璃门进入的辐射热负荷Q2则主要与柜内食品及柜内壁的黑度、陈列柜玻璃门面积、柜外环境空气温度、柜内陈列物或柜内壁的表面温度等参数相关。Q2可由下式估算而得：

Q2=ε?C0F2[（T1/100）4-（T3/100）4]

式中：ε—柜内陈列物及柜内壁的黑度；

?—辐射角系数；

C0—绝对黑物体的吸收系数，kW/（M2·K）；

F2—陈列柜玻璃门面积，M2；

T1—柜外环境空气温度，K；

T3—柜内陈列物或柜内壁的表面温度，K。

2.1.3陈列柜自身热负荷

陈列柜自身热负荷Q3来自柜内照明和蒸发器风扇电机。主要包括风机发热量Qf、防露加热器发热量Qj和照明发热量Qz等，均可由各自功率计算而得。Q3可由下式估算而得：

Q3=2Qf+2Qj+Qz=2n1Nf+2k1Nj+n2Nz

式中：n1—陈列柜内风机数量；

Nf—风机电机消耗的电功率，kW；

k1—散入系数（电阻丝热量散入柜内的比率），%；

Nj—电阻丝的功率，kW；

n2—陈列柜内日光灯数；

Nz—日光灯的功率，kW。

综上可得24小时内稳态运行期间的热负荷Q4：

Q4=24（Q1+Q2）+12Q3

2.2陈列柜非稳态运行期间的热负荷

在陈列柜装卸货和融霜的非稳态运行期间，还有非稳态运行期间的热负荷Q8，包括装卸货热负荷Q5、Q6和融霜热负荷Q7。

2.2.1装卸货热负荷

装货热负荷Q5 是指当装入货物温度比陈列柜柜内空气平均温度高时，将其温度降到柜内空气平均温度的热负荷：

Q5=mCl（T4-T2）Δt

式中：m—装入货物质量，kg；

Cl—货物比热容，kW/（kg*k）；

T4—货物绝对温度，K；

T2—柜内空气平均温度，K；

Δt—降温时间，h。

卸货热负荷Q6 是指开门取货时环境中的热湿空气通过风幕渗入柜内的热负荷，由显热部分和潜热部分组成：

Q6=ρVCp（T1-T2）+ρVCp（W1-W2）hw

式中：ρ—空气密度，kg/m3；

V—卷入陈列柜的空气体积流量，m3/h；

Cp—空气比热容，kW/（kg*k）；

W1—环境湿度；

W2—柜内湿度；

hw—水蒸气潜热，kJ/kg。

2.2.2融霜热负荷

本文仅针对电热融霜进行热负荷计算：

Q7=W-Qm

式中：W—融霜输入功率，kW；

Qm—霜融解所需热量，kW。

综上可得24小时内非稳态运行期间的热负荷Q8：

Q8=Q5+12*6*6*Q6/3600+4*0.58*Q7

2.3陈列柜的总热负荷

陈列柜的总热负荷Q0等于稳态与非稳态运行期间的热负荷Q4、 Q8之和。

Q0=Q4+Q8

3.陈列柜热负荷计算结果与实验制冷量结果的比较分析

3.1陈列柜热负荷计算结果Q0=Q4+Q8=43.2kW·h

3.2陈列柜实验制冷量结果

Q0'=（24-4*0.58）*η*mr*Δh=50.75kW·h

式中：η—陈列柜电磁阀开启率；

mr—制冷剂流量，kg/h；

Δh—陈列柜进出口焓差，kJ/kg。

4.结论

本文对立式玻璃门冷冻陈列柜的热负荷进行分析，并进行了实验验证，通过与陈列柜实验制冷量结果的比较可以得出，该分析方法具有实际操作的可行性和应用价值。因此可以为新设计的陈列柜热负荷进行预测，同时为陈列柜设计、机组匹配以及陈列柜性能分析提供可靠的理论基础。

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