1、超市低温冷冻食品展示柜蒸发器的建模与性能分析 摘要 本文介绍了在超市行业 方便 低温下冷冻食品 的原位 展示柜蒸发器的 “ 建模和实验分析 ” 。 为了 测量存储 ， 展示柜相对湿度 ， 温度和压力 ， 温度和制冷剂的质量流率 关系，进行了 大量的实验。该数学模型采用传热系数各种经验 公式 和在一个翅片管式换热器结霜性能 是 为了研究室内条件对展示柜的性能的影响。该模型用 原位 机柜实验数据验证。该模型将是一个很好的指导工具， 用于 设计工程师评估各种存储条件下超市展示柜热交换器的性能。 关 键词 ： 冷冻产品，展示柜，蒸发器，建模，仿真，流量，制冷剂，温度，相对湿度，气压， 结 霜 1 介绍
2、 超市制冷系统，主要是冷藏 展示 的情况， 占储藏 消耗总能量的 20左右。除霜，防汗 ， 电阻炉，展示柜灯和风扇 这块导致 额外的 14 能量消费。建筑空调系统能源消 耗占 整个超市能源使用高达 17 份额 。 余下 超市能源 消耗的 大约 49 用 于热水和照明系统。超市经常使用的多压缩机系统 /架，分别位于远程机房。压缩机并联运行在相 同饱和吸气温度， 一般情况下连接在吸气管道和排气 管道 之间。 热 量不能 通过多风扇冷凝器，多风扇冷凝器通常 设在超级市场建筑物的屋顶上。来自冷凝器的液体制冷剂通过一个 储液器 被分配 和 一个分配管 道 网 流到 展示柜的蒸发器。中温橱柜（ 零下 10
3、 ） 的制冷 通常由 来自 低温柜系统（ 40 ） 的 独立制冷 系统提供 。制冷超市展示柜 所需冷量多数来自 直接 或 多路制冷系统，但是，它需要大量的制冷剂。 每当一个冷藏展示柜在商店 /超市的环境 下 运行， 都会 有 一个存储 环境热量和水分的交换。在超市开放型 陈列柜 严重影响水分的量，而玻璃的易感性门展示柜的水分是高度依赖于使用频率，即玻璃门展示高使用率 可导致大量水分传输到蒸发器。积聚在蒸发器 面的水分表面温度 下结霜 。卖场内的相对湿度是展示柜蒸发器霜增长主要的贡献者。 虽然 是 一个空调系统 对其进行 调节， 但 它 也 会带来额外的经营成本。 Faramarzi 等。 2调
4、查了用玻璃门改造 过的 中温开放型五甲板乳制品 和 熟食店灯具的性能。这 分别 减少 90 潜热和 59 感载。 ASHRAE的研究项目 RP- 622由铝木塔瓦等。 3E7 采用了特殊的测试设备来确定与相关联的实际除霜负载磨砂工业冷冻线圈。 TASSOU 和达塔 8 进行实地和环境室为基础的测试，证明相对湿度和存储温度 对 中等温度橱柜蒸发器 盘管的影响。也有一些研究结霜条件下的热交换器的表现。 Kondepudi等。 9报道不同翅片结构的影响，即平翅片，波纹翅片和百叶窗翅片上的表现翅片管式换热器。他们的结论是，对于同样的迎风面积和翅片管间距，百叶窗翅片类型有最大的霜冻积累，随后的是 波浪形
5、和扁平翅片类型。同样，燕等人。 10相比翅片管式换热器的三个表现不同类型的翅片（平板散热片，片面的百叶窗翅片和重定向百叶窗翅片）磨砂条件下。他们发现，热结霜量最大相比于换热器与重定向百叶窗翅片换热器与其它类型的散热片在相同的操作条件。 虽然有进行热交 换器上结霜的几项研究，最结果涉及到的唯一的评价与 具体的实验室规模或中温性能热交换器 有关 。因此，必须格外小心执行应用这些研究的结果与实际前低下一个商业工作温度热交换器环境。此外，适当的蒸发器模型通常要求传热系数的智能应用。例如，总的传热阻力蒸发器的可变化最高达 20的变化制冷剂侧的传热系数（ 阿德米拉尔 和布拉德 11） 。因此，一些研究人员
6、使用不同的技术来开发蒸发器的模型。Seker 等 ， 12开发了一个短暂的半经验模型，它是专门针对家用冰箱装基于泛型方法狭缝蒸发器由热交换器被建模为一个单一的集总元件。在他们的模型中， Karata的相关性 13 应用到计算空气侧的传热系数，制冷剂侧传热系数是从皮埃尔的相关计算 14，和 Sander 的相关性 15来计算霜导电性。虽然，奥尼尔的 16 的方法是 用来计算水汽 促进 霜冻密度的增加，未提供资料以霜的密度是如何计算的函数时间。它也指定了分别在过热和两相区如何模拟霜的增长。此外，他们的模型并没有对超市展示验证柜蒸发器具有不同的几何形状。 Chandrasekharan 等。 17e
7、19 开发的准稳态状态模型（ s）的中温展示柜 和 蒸发器，通过处理直接扩展 技术蒸发器上的一排对排霜冻分布基础上，处理一个以上 的 具有不同的管间距和 肋片 参数模块。 Granryd20 ，Gnielinski 的 21和 Wattelet 等。 22用于空气和制冷剂侧的传热系数 的 相关性。霜密度的经验关系被采纳 23-24 和霜的导热性拍摄从 Yonko和 Sepsy 25 。然而，他们的模型缺乏该装置精确地确定的过热的面积分数和两相区中的蒸发器。他们的模型还进行只针对中温橱柜 的 验证，但不能 用 在低温展示柜 的 蒸发器。 Ge 和 TASSOU 26 利用一个集总元件技 术其中所
8、述蒸发器被分成过热和两相区。计算传热系数对于在管中的单相流是基于 DittuseBoelter 的相关的 Incropera和德威特 27 。冷凝和制冷剂在管 中 适当的蒸发 的 相关性从特拉维斯等人获得。 28和 29McQuiston的 30-31 的相关性被用于空气侧传热系数。报道一种半经验的关联 Oskarsson的等。 32-33 和克拉科夫等。 34 已 被 用用于计算霜密度和电导率 ， 道尔等 35采用一个标准的换热器建模技术来计算总的热传递系数。制冷剂侧的传热系数在他们的模 型，然而，只计算了内部基于豪森相关管单相流从查普曼获得的 36 。由于蒸发器管被假定没有散热片，他们的模
9、型中使用的丘吉尔和伯恩斯坦相关性（查普曼 36 ）来计算空气侧的传热系数。然而，没有任何信息是关于蒸发器结霜现象 的 模型。 为了评价二次回路制冷系统的数值模拟，由霍顿 37提出了的可行性系统 在 超市的应用。他们的二次回路系统 的 展示柜蒸发器的采用有限元技术，即每个在蒸发器内管被分成小的元素，这是单独分析。单相和两 相 分别计算相制冷剂的传热系数使用相关系数在陈 38 。空气侧传热计算使用由 Kim 等人提供的相关性系数。39 。不过，在 陈列 柜蒸发器 的 霜被忽略了。 现有的相关性传热中的应用系数需要彻底了解比热交换机的配置。此外，适当的证明过热和两相区是至关重要为正确的霜和传热系数相
10、关的应用的重要性。在一般情况下，在文献调查表明，一些研究人员集中在在发展中的展示柜 蒸发器模型干 /湿条件。别人开发的换热器模型适用于中等温度的应用。因此，有必要对数值模型的发展，以评价超级市场的热交换器的性能在一般和热交换器展示柜冷冻尤其是食品柜磨砂条件下。该这种模型的分析应以准确干扩张的面积分数（过热 /两相区 ）蒸发器。正是基于这种动机，这项研究有已经进行了其中的实验和建模技术对于冷冻食品展示柜蒸发器是为了研究室内的影响呈现他们在超市业绩条件环境。本机型适用于类似 Ge和 TASSOU 26 的技术。然而，传热系数为两相制冷剂从 Ohadi等通过。 40 ，而空气侧的传热系数是基于从 K
11、im等人的相关性。 39 。霜性质使用建议的经验公式计算 由 毛等人 提出 41 。 2 系统描述 低温直接膨胀制冷所考虑的系统示 意 图。 如下图 1所示 。 该玻璃门冷冻食品（ GFF ）展示柜的构造从绝缘壁，其包括 内层和外钢皮板和聚氨酯泡沫体绝缘。这些展示柜的总长度为 28.33米。建设通冷冻食品（ TFF）显示材料柜是一样的 GFF 但它具有较小的总长度 14.34 米蒸发器的尺寸 ， GFF 和 TFF 的橱柜分别列于表 1 和图 2 。展示柜的蒸发器由热力膨胀阀的和蒸发器压力调节阀 组成 。蒸发器压力调节阀的功能是保持各陈列柜在所要求蒸发温度。进压缩机气管中的压力和温度也通过这些
12、阀来确定。服务 GFF膨胀阀的尺寸和 TFF展示柜被认为是完全相同的。因此，在测得的质量流量的量常见的管连接两个展示柜是在两个机柜之间平分的缘故简单。机架系统由一个科普兰 的D6DT -300X 和两个谷轮 D4D- 220X半封闭往复式压缩机有六个和四个气缸。空气冷却的冷凝器，其几何参数被包括在表 1 中，是铜管和翅片。液体过冷器（板式热交换器） ，这是连接到冷凝器帮助的出口管降低过冷却的制冷剂的温度 从 25 C 到 5 C 左右 。这 是 发生在过热制冷剂之间 的 中温热交换和过冷却的制冷剂低温制冷系统。 3 数据 搜集 测量是从原位超市在奥克兰显示器（被控 R404A制冷剂）的情况下，
13、多台并联压缩机 /机架和冷凝器 在 2004年 12 月期间。测量点（见图 1）包含（ 1）吸入温度和压力，（ 2）排出温度，（ 3）冷凝器入口温度和压力，（ 4）冷凝器出口温度，（ 5）子冷却器入口温度，（ 6）亚冷却器出口温度，压力和质量流率，（ 7）质量流量的制冷剂的速率进入冷冻食品展示柜， （ 8）的质量流率制冷剂进入冷冻室，和（ 9 ）质量流量率制冷剂进入鱼 /肉展示柜。一个 CR23X Micrologger 用于记录温度从超市和相对湿度数据超过 15在第16号的间隔天。一个 PT878便携式超声波液体流量计是用来记录从肉 /鱼流入的制冷剂（ R404A ）的质量 流量 ，冷冻食品
14、，冷冻室“和共同的液体管道低温制冷系统。对于管道直径 150毫米，精确 度通常为 2 ，与校准。流量计在实验室进行校准， 用于 植物前 。测量精度（ 2E5 ）是通过比较质量流率确定从测得的电算出的制冷剂的机架的功率消耗（考虑压缩机效率），并与所测得的焓变质量流率从流量计。 K 型热电偶，具有所声称的贝克的？ 0.6 的精度 用等。 42 ，分别用来测量超市不同的部分温度。表 1 在玻璃门和通冷冻食品柜用换热器的细信息几何参数热电偶（间 40 13 C 和 10 ）进行了校准 通过 用干冰和乙醇混合物而高温的 部分 （在 0摄氏度和 80 ）用冰和水的混合物进行了校准 ，并用水箱 控制热输 入
15、。热电偶是的精度 正负0.1 K， 相对湿度分别为使用 HIH- 3610系列湿度传感器，其测量使用CONTHERM进行校准， 用 精度 2为正负 的 1050-1400CSL 柜和工厂校准参考湿度传感器。手持式压力计，使用校准 。 该 Budenberg自重测试仪，用于测量在机房和屋顶压风冷冷凝器。机架系统的温度和压力低温制冷系统的测定使用手持式数字温度计（型号N19Q 1437 ），其包括 K 型热电偶和压力衡量。热电偶被牢牢 固定 到管子的表面和一个 25毫米厚的乘 150毫米长福乐斯保温被 。 温度的测定结果， 相对湿度， 压力和制冷剂质量流速， 分别在 表 4和表 5中的附录 TFF
16、和 GFF柜给出 这些测定温度和相对湿度 在展示柜的入口和出口 用于计算以估计湿度比的 量在蒸发器盘管结霜的积累。该 霜堆积进而被用来计算霜的厚度， 这影响了热交换器的效率。 热电偶和相对湿度的位置传感器，用于两个 TFF和 GFF示于图 3 。热电偶 被牢固地保持在管道的表面和 25毫米厚的 150 毫米长福乐斯保温被应用在每个测量点。的位置和地点在展示柜的所有传感器经过广泛的测定对于均匀性的初步调查的测量。空气温度（ Tain中 TAOUT ） ，制冷剂 温度（ Texvin ， TEIN ， Teout ）和压力（ Pexvin ， Peout ）测定在显示屏的几个部分。 发现 计算出的
17、质量流率从这些展示柜阵容运行参数与轻微差异是一致的。代表在 TFF 和 GFF的切片最终选择考虑沿着线圈的平均质量流量（即质量流量随时间变化） 。测量在每个展示柜的膨胀阀出口点分别位于 100mm 和 150mm 10mm 之间距离阀门。基于制冷剂的测量质量流率并假设传热之间的差别可以忽略不计在空气和制冷剂侧的速率，空气的质量流率在热交换器被计算 如下： 5 用文献 数据验证 结 霜模型 本仿真模型研制那些在超市常用制冷系统的蒸发器。然而，没有可用的实验数据 用于 这类蒸发器除总的测量每日平均（未每小时）霜冻积累的TFF ， GFF ，鱼 /肉柜，并进行冷冻室“蒸发器。因此，本准稳态霜冻对TF
18、F 和 GFF 蒸发器的状态模型进行了对毛等人的实验数据验证。 41 在平板（ 600毫米 280公厘） ，其中激光束是用于测量结霜厚度。二十瞬态霜生长进行了实验和数据集收集。所述第一数据集的平均值从前缘（莱夫）和板表面的距离温度（ Ts ，大街） ，和霜的最大值质量（ MFST ，最大值）的积累和霜冻厚度 （ TFST ，最大值） （见表 3）被采取来验证本模型。其他参数如空气入口湿度比（ uain ）雷诺数（ ReDH ）和空气入口温度（覃） 保持恒定。验证后，霜模型被用来分析性能的 TFF和 GFF蒸发器在目前的研究中。图 5a示出结霜质量的预测的平均距离（莱夫 .0.24米）的平板前缘
19、 板。在第一个 1 小时的差异所造成的错误测量和预测结果之间约 6 。然而，随着霜堆积的时间增加误差上升到约 10。主要的原因对于这种高误差包括：（ 1）在计算误差霜 /空气界面温度 ; （ 2 ）中的计算错误的空气质量流量，以及（ 3 ）的模 型假设所有的从空气流中的水分 /霜积聚在平台 板。霜也可沉积在墙壁上风管。这种情况变得更坏，特别是当空气是连续冷却相对于自空气通道延长的时间被冷却，从而对更多的水分沉积所述管道的壁。结霜厚度的验证是示于图图5b 从领先的相同的平均距离（莱夫 .0.24 米） 到 平板的边缘。该模型预测的结霜厚度在霜冻年初增长有37 的误差较以所测量的霜的厚度。图 5
20、（二）预测和测量结霜厚度 ;和（ c ）测定霜（一）预测和测量霜冻质量累积比较基于平板上测定霜冻质量累积（在同一时间标度）的厚度和计算霜的厚度。变得更大于结霜期结束与 50 的误差。在预测结霜厚度较高的错误属性为霜质量累积指定的相同原因上面和霜冻密度。相关联的错误霜密度可以使用图最好的证明。 5C 。该点图显示了通过将确定的霜层厚度 每平方米的测定霜冻质量累积（在表 3中给出）与计算出的霜密度使用霜密度的经验公式。固体图表显示实际的结霜厚度，这是通过实验获得的。当两个图形进行比较，之间的误差衡量 模型预测的有效性 图 7存储 条件 影响 霜冻的增长，抗冻耐热性和 TFF展示柜热交换器空气压降。
21、 测量状态点的制冷剂的质量流量穿过热交换器） ，和模拟效果（计算基准的传热 系数的相关性和列在表 2 中的 3 -NTU方程）。对于在预测换热器的效力（图 6a） 错误 范围从 0.1到 15。但是，在预测（ GFF）热交换器是的有效性的误差带介于 0.3 和10 。对于在预测换热器效能的误差范围 在 TFF 热交换器的情况下，主要是因为 更高的误差，包括计算的霜层厚度，这是在第 5 节中讨论。另一点，可从图观察。图 6a和 b 是 TFF 热交换器的有效性，无论是在实验条件及模拟结果 都 比 GFF 热交换器更高该系统的运行周期的较大部分。 TFF 热交换器更高的有效性是主要原因，热传递单元
22、的平均数（ NTU ），它是表 面面积的函数，总的热传递系数，并在两最小热容量相位区域（见表 2） ，远远大于（ 1.244 ） GFF 热交换器（ 0.386 ）的。 图。 8 。 储藏 条件对霜冻增长 影响 ，抗冻耐热性和 GFF 展示柜换热器空气压降。 7 结果和讨论 该验证霜的增长模式（见第 5 章）在平坦 板被用来评价该热交换器的性能坐落在两个 TFF 和 GFF 展示柜。店内空气绝对湿度，结霜厚度的变化霜的热阻和空气压降低温展示柜的蒸发器是图中所示。这样做的原因是 储存 期间所采取的计算两个机柜的相应除霜周期。图 7和 8 还显示，在 TFF 蒸发器的霜 层厚度增长是高达 1.1
23、毫米，而 GFF 蒸发器是 0.75 毫米。这可以很容易地进行说明 的事实， GFF 柜不易受湿气转移 相 比 TFF柜。例如，如果一个比较排放和回风湿度绝对的变化对于图 TFF 机柜 。 可以观察到，水分返回空气的含量比排出空气的高得多， 在整个制冷周期。 有 不同的在两股气流（排出的水分含量和返回） ，主要是由于 储存 空气中的水分。霜的质量，这是积聚在热交换器从水分之间的差值而得在进气口，并假设该热交换器的出口处的产品的排汗是微不足道的。然而，所不同的在两股气流（排出的水分含量和回报）是非常小的 GFF 柜的情况下， 因为它可以从两图（放电重叠观察 和回风湿度绝对值图 ） 看出 这种 T
24、FF 蒸发器更高的霜层厚度增长导致较高的抗冻耐热性，它发源于 0.009 从 0.0017 到 0.0039平方米 / W C，而最高为 GFF 蒸发器的热电阻是约 0.001米 2 /W C。但是，冷却空气中的压力降 为 32 帕，直到除霜开始。在 TFF蒸发器的情况下的最大压力降大约是 5帕的主要 原因是 更高的压降在 GFF 柜是不只是由于霜的积累，但也高于平均的空气的质量流率（ 14.66 公斤 / s） 和 更小的干燥的自由 流区域中的蒸发器（ 3.1 平方米） 相 比 1.84千克 /秒和 4.4 平方米作 TFF 柜。 8 结论和建议 本文提出了低温超市展示柜蒸发器的数学模型 ，
25、该模型 基于传热系数 计算为 各种经验公式和在翅片管型热交换器结霜特性以根据预测磨砂的展示柜的性能条件。该模型能够预测结霜厚度以及展示柜热交换器效率。 该模型模拟结果表明，霜厚度，冷冻食品蒸发器霜冻热阻均高于玻璃的高门冷冻食品蒸发器的相对测量湿度（ 33-41 ）和温度（ 24.1-26.7 ） 。但是，空气压降远高于玻璃 doorfrozen -对 食物比通冷冻食品蒸发器。该主要的原因是在玻璃这种较高的压力降门冷冻食品柜，主要 是由于较高的质量流动的空气的速率（ 14.66 公斤 / s）和小的干燥的自由 flowarea 蒸发器的（ 3.1 平方米）相比， 1.84 千克 /秒和 4.4
26、平方米作 TFF柜。它也表明通过热交换器冷冻食品有效性， 图 9 所示 无论 是 术语实验和模拟的结果，较次的玻璃门，冷冻食品热交换器更高，一般来说冷冻食品热交换器用于较大 系统。这也是为什么通过每个冷冻食物传热单元热量是玻璃门的三倍。一般来讲，模型对于工程师评价不同条件下超市陈列柜换热器性能 模型将是非常有用的 。 参考文献 1【 超市低温制冷系统分析 】 （ 2002） 673-679 AUCK大学 3 【 线圈除霜的测定 】。 N.K.阿尔 - 木塔瓦， S.A.公司谢里夫， G.D.马图尔，机械工程，新西兰部， 4【 盘管除霜负载的测定 】 N.K.阿尔 - 木塔瓦， SA谢里夫， R
27、.A.哈克等人 。 5 【 线圈除霜负荷 】 第三部分：测试程序和数据测定 。 N.K.阿尔 - 木塔瓦， SA 谢里夫，广东马图尔。 6 【 线圈除霜负荷 】 第四部分：冷冻 /解冻 循环动力学， N.K.阿尔 - 木塔瓦， SA 谢里夫 7 【 线圈除霜的测定 负载 】 第五部分：分析负载 。 N.K.阿尔 - 木塔瓦， SA谢里夫 9 【 结霜条件下翅片管式换热器的性能 】D.L.奥尼尔 10 【 结霜翅片管式换热器 】 11 【 换热器模型 】 D.M. Admiraal ， C.W.布拉德 12 【 翅片管式换热器结霜建模 】 ，制冷杂志 13 【 理论上和实验研究 国内冰箱蒸发 】 H. Karata 技术 科学与技术 IstanbuleInstitute 大学 伊斯坦布尔， 1995 。 14 【 两相换热系数 】 K. Hambraeus 14 （ 1991） 。
