乙二醇蓄冷库的设计和性能

2020-03-26王希卓庞中伟程勤阳

保鲜与加工 2020年1期

孙静，陈全，王希卓，杨琴，庞中伟，程勤阳

（1.农业部规划设计研究院，北京 100121；2.农业部农产品产后处理重点实验室，北京 100121）

我国是水果蔬菜生产和消费大国，每人每年消费果蔬的量约为1 t[1]，为保障新鲜水果和蔬菜的稳定供应，果蔬保鲜必不可少[2]。保鲜冷库是农副产品保鲜的主体设施，但因能耗大，运行成本高，增加了果蔬保鲜的成本，其推广应用受到影响。同时，我国正致力于发展节能型社会，传统保鲜冷库运行时，会显著加重用电高峰时的电网负荷，如何通过设计节能运行成本，减少电网负荷，是贮藏保鲜设施研究的重要方向之一。

蓄冷技术是利用某些工程材料的显热、潜热或化学反应热的特性，贮藏冷能并加以合理使用的一种实用贮能技术[3]。实际应用中是在夜间电力负荷低谷时，运行制冷设备并将其产生的冷量存储在蓄冷介质中，然后在白天电力负荷高峰时期释放此冷量，满足各种冷负荷需求[4-5]。上世纪70年代能源危机的出现，使蓄冷技术得到了快速发展，因其在节能、环保和降低制冷成本上的显著优势[6]，蓄冷技术已被广泛应用于暖通、食品、化工、医疗等许多领域[7-17]。

目前可以用于冷库设计的蓄冷技术包括冷凝水蓄冷技术、高温冷库冰蓄冷技术、蓄冰技术、蓄冷板蓄冰技术和湿冷技术[18-20]。其中冷凝水蓄冷技术带有蓄能型冰水循环冷却系统，应用最多，但因载冷剂是无机盐-水温合物，腐蚀性强，推广受到限制。乙二醇是一种常见的载冷剂，其腐蚀性弱于无机盐-水温合物，蓄冷能力强于无机盐-水温合物[21]，将其用于蓄冷制冷系统，运行成本更低[22]。目前乙二醇已被广泛应用于冰蓄冷空调系统[23]，但在果蔬贮藏保鲜蓄冷制冷系统方面还鲜有研究。

本研究以乙二醇为载冷剂，研制适用于果蔬贮藏的乙二醇蓄冷库，并对乙二醇蓄冷库的围护结构热流量、冷风机制冷量、温度波动性和耗电量等冷库热工性能进行了分析，为探讨此类冷库应用的可能性提供了科学基础。

1 乙二醇蓄冷系统原理

乙二醇蓄冷库制冷系统通过制冷循环系统、蓄冷剂循环系统和保鲜库制冷系统3个循环系统实现用载冷剂蓄冷，为果蔬保鲜提供冷源（图1）。压缩机组通过制冷循环将蓄冷剂循环系统中的蓄冷剂进行降温，并将冷能贮藏在蓄冷剂中，当蓄冷剂降到指定温度时，压缩机组停止工作。之后用蓄冷剂贮藏的冷能供应保鲜库制冷系统，直到蓄冷剂贮藏的冷能不再满足保鲜库的冷量需求，压缩机再次启动。

2 乙二醇蓄冷库试制

2.1 乙二醇蓄冷库设计

2.1.1 围护结构厚度

蓄冷库的围护结构主要是指蓄冷库选用的保温材料。研究中的蓄冷库为装配式冷库，北京地区常用的装配式冷藏库保温材料是聚氨酯泡沫塑料夹心板。按设计温度是0～5℃，参考李明忠[24]的方法，计算蓄冷库隔热材料厚度应大于94 mm。

2.1.2 冷藏间制冷负荷

根据郭孝礼[21]的方法，蓄冷库冷藏间的设备负荷由围护结构传热量、货物热量、通风换气热量、电动机运转热量、操作热量组成公式（1），各类热量的计算公式见公式（2）~（7）。

式中：Qq表示冷藏间设备负荷，W；Q1表示围护结构传热量，W；Q2表示货物热量，W；Q3表示通风换气热量，W；Q4表示电动机运转热量，W；Q5表示操作热量，W；P表示负荷系数。

式中：Q1表示围护结构传热量，W；k表示护围护结构的传热系数，W/(m2·℃)；A表示围护结构的传热面积，m2；α表示围护结构两侧温差修正系数；tW表示围护结构外侧的计算温度，℃；tN表示围护结构内侧的计算温度，℃。

围护结构的传热系数是k为0.33 W/(m2·℃)，围护结构的传热面积47 m2，围护结构两侧温差修正系数α=1.10，tW采用夏季空气调节日平均温度，北京地区为29℃，tN为0℃。根据公式（2），围护结构传热量Q1=0.33×47×1.1×（29-0）≈495 W。

式中：Q2a表示货物热量，W；Q2b表示包装材料和运输工具热量，W；Q2c表示货物冷却时的呼吸热量，W；Q2d表示货物冷藏时的呼吸热量，W；G’表示冷藏间每天进货量，kg；h1表示货物进入冷藏间初始温度时的含热量，kJ/kg；h2表示货物在冷藏间内终止温度时的含热量，kJ/kg；T表示货物冷却时间，h；B表示货物包装材料或运载工具重量系数；Cb表示包装材料或运载工具的比热容，kJ/(kg·℃)；t1表示包装材料或运载工具进入冷藏间的温度，℃；t2表示包装材料或运载工具在冷藏间内终止降温时的温度，℃；q1表示货物冷却初始温度时的呼吸热量，W/kg；q2表示货物冷却终止温度时的呼吸热量，W/kg；Gn表示冷却物冷藏间的冷藏量，kg。

按贮藏果品为苹果计算，Gn为10 000 kg，G’为贮藏量的10%，为1 000 kg；进货温度为25℃，对应的h1、t1和q1分别是 366.2 kJ/kg、25 ℃和 0.149 W/kg[21]；终止温度为0℃，对应的h2、t2和q2分别是271.9kJ/kg、0℃和0.010 7 W/kg；货物为鲜食水果时，B为0.25；冷却时间T为24 h；包装材料为瓦楞纸箱，Cb为1.47 kJ/(kg·℃)。因此，Q2=1/3.6×[1 000×（366.2-271.9）/24+1 000 ×0.25×（25-0）×1.47/24]+1 000 ×（0.149+0.010 7）/2+（10 000-1 000）×0.010 7≈1 374 W。

式中：Q3表示通风换气热量，W；Q3a表示冷间换气热量，W；Q3b表示操作人员需要的新鲜空气热量，W；hW表示室外空气的含热量，kJ/kg；hN表示室内空气的含热量，kJ/kg；n表示每天换气次数；V表示冷藏间内净容积，m3；ρn表示冷藏间内空气密度，kg/m3。

设计的乙二醇蓄冷库用于存放新鲜果蔬，操作人员停留时间短，所以Q3＝Q3a。计算时，hW按北京夏季通风室外温度和通风室外相对湿度取值71.162 kJ/kg；hN按冷藏间设计温度和相对湿度取值8.456 kJ/kg；每天换气次数2次，冷藏间净容积为5 m×3.5 m×2.8 m=49 m3，冷藏间内空气密度为1.29 kg/m3。根据公式（4）和（5），Q3＝1/3.6×（71.162-8.456）×2×49×1.29/24≈92W。

式中：Q4表示电动机运转热量，W；ρ表示电动机额定功率，kW；ζ表示热转化系数；ρ′表示电动机运转时间系数。

乙二醇蓄冷库冷藏间内的电动机只有冷风机上的电动机，电动机在冷藏间内，所以ζ和ρ′均取1。根据公式（6），Q4＝1 000×0.225×1×1＝225 W。

式中：Q5表示操作热量，W；Q5a表示照明热量，W；Q5b表示开门热量，W；Q5c表示操作人员热量，W；qd表示每平方米地板面积照明热量，W/m2；F表示冷藏间地面面积，m2；V表示冷藏间的公称容积，m3；n表示每天换气次数；hW表示室外空气的含热量，kJ/kg；hN表示室内空气的含热量，kJ/kg；M表示空气幕效率修正系数；ρn表示冷藏间内空气密度，kg/m3；nr表示操作人员数，人；qr表示每个操作人员产生热量，W/人。

qd为 2.3 W/m2；F=17.5 m2；V=49 m3；n为 2，hW和hN分别为71.162 kJ/kg和8.456 kJ/kg；乙二醇蓄冷库设有空气幕，M为 0.5；ρn为 1.29 kg/m3；nr为 2；qr为280 W/人。根据公式（7），Q5=2.3×17.5+0.277 8×49×2×(71.162-8.456)×0.5×1.29/24+3/24×2×280≈156 W。

单个冷藏间冷负荷Qq=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5＝495+1 374+92+225+156＝2 342 W。

2.1.3 压缩机功率

乙二醇蓄冷库制冷压缩机功率要满足波谷电时工作需要，此时段既要满足冷藏间的设备负荷，又要对载冷剂进行蓄冷以满足白天波峰电时冷藏间制冷设备负荷。公式（8）和（9）分别给出了波谷蓄冷时每小时设备负荷和非蓄冷时段总负荷的计算公式。

式中：Qg表示波谷时每小时的设备负荷，W；Qx表示波谷时给蓄冷剂降温的设备负荷，W；Qq表示冷藏间设备负荷，W；Uf表示波峰时期的总负荷，W·h；Tg表示波谷时间，h；Tf表示波峰时间，h。

根据北京市发展和改革委规定[25]，每天波谷时间8 h，波平、波峰和波尖峰时间共16 h，因此Qg=Qq×16/8+Qq≈7 026 W，即蓄冷库制冷压缩机的制冷量应达到7 026 W，才能保证蓄冷库的正常运转。

2.1.4 蒸发器蒸发面积

冷风机面积计算公式如下。

式中：F表示冷风机面积，m2；QL表示冷风机负荷，W；K表示冷风机传热系数，kJ/(m2·h·℃)；Δt表示库房空气温度与蒸发温度之差，℃。

按冷藏间用途QL＝Q2＝1 374 W，冷风机传热系数K取 43.2 kJ/(m2·h·℃)[24]，Δt库房空气温度与蒸发温度之差，取5℃，根据公式（10），冷风机的蒸发面积F＝1 374×3.6/(43.2×5)=23 m2。

2.1.5 蓄冷剂用量

蓄冷剂体积计算公式如下。

式中：Q表示热量，J；C表示比热容，J/(kg·℃)；E表示蓄冷工质密度，kg/m3；t2表示物体末温度，℃；t1表示物体初温度，℃。

根据公式（9），波峰时期的总负荷Uf=2 342 W×16 h≈37.5 kW·h=1.349×105kJ。蓄冷剂蓄冷量应大于等于波峰时期的总负荷，实际中使用37.8%的乙二醇溶液作为蓄冷剂，其比热容为3.5 kJ/(kg·℃)，密度为1 050 kg/m3左右。根据公式（11），蓄冷剂体积V≥1.349×105/(3.5×1 050×10)≈3.67 m3。

2.2 乙二醇蓄冷库试制

2.2.1 围护结构选型

为保证实际应用中冷库温度更加稳定，结合“2.1.1”的分析计算，围护结构选用150 mm厚聚氨酯泡沫塑料夹心板。

2.2.2 压缩机选型

选用比泽尔二缸压缩机（2DES-2）和“丹佛斯”制冷配件，匹配“V”型冷凝器，设计安装成BJ2DES-803FL风冷压缩冷凝机组，最大输入功率2.65 kW，所选制冷压缩机组在-10/40℃工况下产冷量为6 990 W，大于7 026 W，完全满足设计要求。

2.2.3 冷风机选型

选用嵊州市普迪制冷电器有限公司生产的型号为DD6.0/30，蒸发器的名义制冷量为6.0 kW，蒸发面积为30 m2，一台蒸发器有三个轴流风机，电动机功率合计225 W。

2.2.4 蓄冷箱选型和实际尺寸

蓄冷箱外部尺寸1 800 mm×1 800 mm×2 300 m，蓄冷箱的材料选用304不锈钢，每个侧面设计了三道加强筋，箱体内壁均采用硬质聚氨酯保温板进行了保温处理，有效容积3.94 m3；箱体外部安装了玻璃的液位计，可随时显示箱体内乙二醇的液位高度；同时在箱体的侧面还设置了测温口，后部下方设置放液口，上部侧面设置溢流口，顶部设置可进行人工检修和实验入口。整个箱体都进行了一定程度的密封处理。

2.2.5 乙二醇蓄冷库试制

根据设计选型研究结果，在北京顺义建设乙二醇蓄冷保鲜库一座。冷库外框尺寸5 040 mm×3 510 mm×2 800 mm，库内净尺寸 4 705 mm×3 204 mm×2 500 mm，容积37.69 m3，维护结构实际平均厚度157 mm。乙二醇供液泵选用南方泵业有限公司的CHL2-20LSWSC水泵，流量为2 m3/h，扬程为15 m，功率为0.37 kW，均大于设计数值。

3 乙二醇蓄冷库性能分析

3.1 仪器与设备

MW100型数据采集器，日本横河电机株式会社；HMT100型温湿度传感器，芬兰VAISALA仪器有限公司；37000-00型风速计，美国TRI-SENSE仪器有限公司；ZW3432BT型数字电量表，青岛青智仪器有限公司；FLCS2011型超声波流量计，日本FUSI株式会社。

3.2 方法

3.2.1 围护结构传热系数

采用GB/T 30103.3—2013[26]中的热平衡法测定蓄冷库围护结构热流量。

3.2.2 冷风机制冷量

采用GB/T 30103.2—2013[27]中的方法测定并计算蓄冷库冷风机制冷量。

3.2.3 耗电量

采用GB/T 30103.3—2013[26]附录A的方法测定并计算蓄冷库的耗电量。工况设定为库内贮存葡萄，库内加热功率（等同于葡萄的呼吸热）平均值为0.92 kW，库内容积利用系数为0.40，库内葡萄计算密度为 350 kg/m3。

3.2.4 温度

采用GB/T 30103.1—2013[28]中的方法测定蓄冷库库内温度。

3.3 结果

3.3.1 围护结构传热系数

根据传热学对传热系数的定义可知，围护结果传热系数表征了冷库的保温性能，数值越大，说明冷库保温性能越差，反之说明保温性能越好。研制的乙二醇蓄冷库设计温度是0～5℃，根据SB/T 10797—2012[29]的规定，此设计温度的冷库传热系数应当小于等于0.34 W/(m2·℃)。实际中，研制的乙二醇蓄冷库传热系数为0.20 W/(m2·℃)，低于标准值41.1%，已达到-23℃冷库的要求（表1）。

表1 库体的传热系数和面积热流量Table 1 Heat transfer coefficient and heat flow per unit area of storehouse

3.3.2 冷风机制冷量

研制的乙二醇蓄冷库冷风机进风口平均风速为3.18 m/s，出风口平均风速为10.22 m/s，冷风机制冷量为5.4 kW，接近冷风机铭牌标定值6.0 kW。

3.3.3 耗电量

如表2所示，按照每天压缩机工作8 h，水泵和蒸发器工作24 h计算得到研制的乙二醇蓄冷库的耗电量为35.48 kW·h·d-1，与容积为40 m3的传统装配式冷库相比（用电量45 kW·h·d-1），耗电量降低21.16%。

表2 研制的乙二醇蓄冷库耗电量Table 2 Power consumption of the cold storage with ethylene glycol as refrigerant

3.3.4 库内温度

库内温度的不均匀性是指库体内部各处温度一致性的程度，该值越小，表征库内温度越均匀；库内温度波动值是指库体内部温度波动情况，反应库体的温度控制精度和控制能力，波动值越小，说明库内温度越稳定。研制的乙二醇蓄冷库温度不均匀性检测结果如表3所示，通过比较可知，研制的乙二醇蓄冷库的温度不均匀性和温度波动值均符合标准技术要求[29]。