水产品蒸煮设备中CO2热泵蒸发器仿真试验

轩福臣， 谢 晶,2,3，顾 众

(1 上海海洋大学食品学院，上海冷链装备性能与节能评价专业技术服务平台，上海 201306；2 上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心，上海 201306；3 食品科学与工程国家级实验教学示范中心(上海海洋大学)，上海 201306)

现代水产品加工装备的研发始于20世纪初[1]。进入21世纪，由于中国海洋渔业发展迅速，对水产品加工装备的依赖程度不断提高，使得水产品加工装备向高效化、智能化、科技化快速发展[2-3]。水产品加工装备以提升水产品的品质、安全性、加工效率为工程技术目标[4]。在水产品蒸煮加工过程中，蒸煮温度达到100 ℃[5]，常用的水产品蒸煮加工装备有燃煤锅炉、燃气锅炉、燃油锅炉、电加热装置、CO2热泵装置[6-7]。在用于水产品蒸煮加工的CO2热泵中，CO2制冷剂在高压侧放热过程中有较大的温度变化(约80～100 ℃)，非常适合在水产品蒸煮加工中用于制取高温热水[8-9]，与其他水产品蒸煮加工装备相比较，CO2热泵具有制热效率高、年耗费用低的优点[10-12]，且CO2热泵不会产生污染环境的气体，可以高效连续制取高温热水，能够满足水产品蒸煮加工的要求[13-15]。蒸发器是CO2热泵蒸煮设备中的重要部件之一，用于制冷剂与外界环境进行热量交换，蒸发器换热效率的高低对蒸煮设备的效率有着很大影响[16-18]。近年来，国内外学者对蒸发器性能进行了大量的仿真与试验。孙帅等[19]研究了制冷剂侧流速对蒸发器换热特性的影响，结果表明流速增加，进出口压降变大，传热效果加强。Haruhiko等[20]对蒸发器换热通道进行了设计，解决了蒸发器换热效率低的问题。方雷等[21]对太阳能-空气复合热泵进行模型计算，得出了最佳的蒸发器翅片间距和翅片高度。阳豪等[22]研究得出蒸发器面积增大一倍，蒸发器表面温度提高2.4 ℃，结霜时间减少2.89%～13.38%。蒸发温度的变化对热泵蒸煮装备的结霜性能、制热量、热泵系数、压缩比也有很大的影响[23-26]。

Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是基于MATLAB框图环境，进行建模、仿真的软件。借助Simulink动态仿真技术，在水产品蒸煮装备中，以跨临界CO2热泵为研究对象，计算仿真热泵蒸煮设备的结霜过程，并用蒸煮装置进行试验验证，研究系统中蒸发温度对结霜性能、热泵运行的影响。

1 水产品蒸煮装备与试验方法

1.1 水产品蒸煮装备

根据GB21362—2008《商业或工业用及类似用途的热泵热水机》[27]，搭建了水产品蒸煮用的跨临界CO2热泵试验台，满足水产品加工需求。水产品蒸煮装备由压缩机、气冷器、蒸发器、膨胀阀等主要部件构成(图1)。压缩机采用都凌的CO2活塞式压缩机，规格型号CD750H，额定功率5.5 kW，排气量4.74 m3/h，运行频率50 Hz，转速1 450 r/min；气冷器采用SWEP生产的板式换热器，通道数为3个，翅片数量为49片；膨胀阀采用丹佛斯生产的CCMT4电子膨胀阀，最大开启压差91.8 kg/m2；蒸发器采用SWEP生产的翅片式蒸发器，管道材质为铜，管道排数为4排，孔数为60个，换热面积为3.2 m2，翅片间距3 mm，管道直径7 mm。

1.2 水产品蒸煮装备的仿真模型

基于对水产品蒸煮装备运行特点的分析，引用相关文献[28-29]，压缩机、蒸发器结霜的数学模型见公式(1)～(4)。

霜密度变化引起的结霜量变化率：

(1)

式中：At为蒸发器的换热面积，3.2 m2；R为水蒸气的气体常数，461.9 J/(kg.K)；Ts为霜层表面的温度，K；fr为霜与冰的密度比值；λfr为霜的导热系数，W/(m·k)；DS为霜表面水蒸气的扩散系数，0.22 cm2/s；iSV为水蒸气的升华潜热，J/kg；Qt换热器的换热量，W；V为空气进出口换热器的比体积差值，m3/kg。

霜厚度变化引起的结霜量(mδ)变化率：

mδ=mfr-mρ

(2)

式中：mfr为结霜变化率，g/s；mρ为霜密度变化引起的结霜量变化率，g/s。

(3)

式中：m为结霜量，g。

参考相关文献[29]，得公式(4)。

(4)

式中：C为热泵系数；P为压缩机输入功率，kW；W为制热量，kW。

根据此水产品蒸煮装备的工作原理，并依据跨临界CO2热泵压缩机、蒸发器结霜的数学模型，建立了水产品蒸煮系统仿真流程图(图2)，该流程可对蒸煮加工装备中的结霜变化率、结霜量、热泵性能进行仿真计算。

1.3 试验方法

根据浙江地区气象资料，在恒温恒湿(温度5 ℃，相对湿度65%)实验室中进行试验。在水产品蒸煮装备中，通过调节电子膨胀阀开度来改变蒸发温度(-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃)，在压缩机吸气口和出气口布置温度测点和压力测点，在蒸发器出口布置质量流量测点，在蒸发器翅片表面布置温度测点，另外，在压缩机电路中安装三相式多功能电表，通过数据采集仪进行监测与采集。压力传感器选用压阻式压力传感器，测量精度±0.5%FS(FS指全量程测量)；流量计选用玻璃转子流量计，测量精度±0.25%；温度传感器选用铜康铜T型热电偶，测量精度±0.5 ℃；电能表选用三相电子式多功能电能表，测量精度±0.5%。

仿真试验采用控制单一变量法，改变蒸发温度(-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃)，试验步骤：1)运行热泵装置；2)改变电子膨胀阀开度，调节蒸发温度；3)同一蒸发温度下，从开始运行计时，每隔10 min从数据采集仪中记录一组测点数据(吸气温度、排气压力、质量流量、翅片表面温度)，共记录7组；4)同一蒸发温度下，把7组数据分别输入Simulink仿真框图，计算仿真系统中的制热量、热泵系数(COP)、压缩比、结霜性能；5)改变蒸发温度，重复上述步骤。

热泵化霜处理：采用热气旁通化霜，化霜水用托盘盛接并称量，水的质量可定义为结霜量(误差±1 g)。在测量化霜水重量试验中，改变蒸发温度(-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃)。1)在蒸发温度-5 ℃时，从开始运行计时， 10 min后进行化霜，记录第一次化霜水质量；2)从开始运行计时，运行 20 min后进行化霜，记录第二次化霜水质量；3)以此类推，蒸发温度-5 ℃下，共记录7组不同结霜时间下的化霜质量；4)改变蒸发温度(-10 ℃、-15 ℃)，重复上述步骤，进行化霜试验。

1.4 数据处理

此水产品蒸煮加工试验中，在同一蒸发温度下，根据仿真的7组数据，结霜性能绘制成随时间变化的图表。其中，水产品蒸煮装备的制热量、热泵系数(COP)、压缩比选取7组数据的平均值，保留小数点后2位，并制作图表。

2 结果与分析

2.1 霜密度引起的结霜量的变化

由图3可知，不同蒸发温度下，由霜密度变化引起的结霜量变化率随时间的增加都呈现上升趋势，且蒸发温度越低，由霜密度变化引起的结霜量变化率越小；结霜50 min以后，结霜量变化率缓慢上升，说明由于蒸发器表面出现结霜，风量的流通面积减少，单位时间内风量也会随之减少，蒸发器表面热阻增加，影响传热效果，此时蒸煮装备系统运行效率会下降，压缩机耗功增加，水产品加工系统稳定性变差，这与相关的研究类似[28,30]；在结霜过程中，由于霜层表面的温度及水蒸气分压力为动态变化过程，从而会改变热边界层和扩散边界层，水蒸气在霜层表面凝结时，一方面增加了霜层厚度，使边界层发生移动，另一方面，水蒸气扩散进入霜层内部，增加了霜层密度[31]。

2.2 霜厚度引发结霜量的变化

由图4可知，此水产品蒸煮装备中，不同蒸发温度下，由霜厚度变化引发的结霜量变化率随时间增加呈递减趋势，20～50 min期间，下降率逐渐变小，50 min以后结霜量变化率下降变缓，表明随着霜层积累，蒸发器的流通通道变窄，单位时间内流通风量也会随之减少，当霜层积累到50 min以后，由霜厚度变化引起的结霜量变化率缓慢降低，水产品蒸煮装备的制热效率下降，加工能耗逐渐增加，这与姚杨等[28,31]研究的结霜性能变化趋势一致。由于霜层的存在，使得蒸发器翅片表面粗糙度增加，气流组织与蒸发器表面的摩擦力变大，从而蒸发器进出口压差增大，压差增大会对水产品蒸煮装备的换热效果产生不利影响[32]。

2.3 结霜量的变化

从图5可知，此水产品蒸煮装备中，不同蒸发温度下，结霜量随结霜时间的增加而增加，在结霜0～50 min期间，结霜量随结霜时间迅速增加，50 min以后，结霜量缓慢增加，表明随着霜层的积累，霜层的密度、厚度、热阻都会增加，蒸发器换热量减少，结霜量增长率会逐渐变小，结霜量变缓；蒸发温度越低，相同时间下结霜量越多，蒸发器换热效果下降越明显，能耗更大；蒸发温度-15 ℃，运行50 min时，仿真和试验出现最大误差为15 g，误差率为9.10%，在允许误差以内，仿真结霜量和试验结霜量随时间变化的趋势有较好的吻合性。因此，建立的Simulink仿真模型能较好仿真蒸发器的结霜状态。

2.4 仿真与试验对比

由表1可知，此水产品蒸煮装备中，蒸发温度从-5 ℃变化到-15 ℃，仿真中的制热量从5.69 kW增加到6.42 kW，这说明蒸发温度越低，制冷剂与外界环境的换热温差加大，换热加剧，设备换热量增大。此外，热泵系数从3.23降低到2.94，压缩比从4.79增加到5.29，这表明蒸发温度越低，蒸发温度与冷凝温度之间温差变大，压缩机耗功增加，设备运行效率降低。其中，蒸发温度越低，压缩比越大，说明压缩机运行工况恶劣，设备不稳定性增加，这与仿真的结霜性能变化一致，制热量、热泵系数、压缩比的误差率分别控制在7.71%～8.17%、9.49%～11.79%、10.21%～11.09%。依据文献，仿真和试验的误差率控制在15%以内，说明仿真度较高[33-34]，所以本水产品蒸煮装备模型的建立在水产品加工中具有一定的工程应用意义。

表1 不同蒸发温度下热泵性能对比

3 结论

采用控制变量法，经计算仿真和试验验证，可得到如下结论。在蒸发温度-5 ℃时，热泵系数最大，压缩比最小，水产品蒸煮装备系统运行状况最优；水产品蒸煮装备在加热水至100 ℃过程中，蒸发温度越低，虽然此加工装备的制热量越大，但水产品加工系统的稳定性最低，压缩机能耗会增加，在满足水产品蒸煮需求的前提下，为提高水产品加工效率，减少加工过程中的蒸发器结霜量，要降低蒸发温度；计算仿真与试验结果最大误差率为11.79%，建立的水产品蒸煮装备Simulink仿真图可较好反映水产品加工设备的性能；利用建立的水产品蒸煮用CO2热泵仿真平台，并依据蒸发温度对水产品蒸煮装备性能影响的研究，对于提升水产品蒸煮装备性能及降低加工能耗具有重要意义。

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