1、本科毕业论文（20 届）新型材料和技术在船舶伙食冷库系统蒸发器结霜中的应用所在学院专业班级 轮机工程学生姓名指导教师完成日期新型材料和技术在船舶伙食冷库系统蒸发器结霜中的应用内容摘要摘要：“育鲲”轮伙食冷藏系统蒸发器出现结霜问题严重，针对这一问题，本文将采集各个库的结霜情况，结合“育鲲”轮冷库的融霜装置工作状况，介绍伙食冷库系统结霜的原理，分析伙食冷藏系统各库结霜严重的原因，以及结霜严重将会对“育鲲”轮伙食冷库系统产生的危害，进而介绍几种新型的蒸发器除霜和延缓蒸发器结霜的技术来解决以上问题，并探讨将这些技术应用到“育鲲”轮的伙食冷藏系统的可行性。关键词：蒸发器 结霜 除霜ABSTRACT：He
2、avy frost generated on evaporators in food refrigeration system on YUKUN ship, as for this trouble, this thesis will gather specific frosting situation; introduce frost melting devices and their working conditions, quote frosting theory so as to analyze why frost would form on evaporator and the har
3、m it will do to refrigeration system, moreover, introduce several new kinds of defrosting and delay frosting technologies to solve the problem, and the feasibility analysis of these technical innovations applied on training ship YUKUNs food refrigeration system. Keywords: evaporator frosting defrost
4、ing目录1 引言 .32 “育鲲”轮伙食冷藏系统蒸发器出现的问题 .32.1 “育鲲”轮冷库蒸发器结霜严重 .32.2 结霜严重给伙食冷藏系统带来的危害 .52.3 “育鲲”轮伙食冷藏系统结霜严重给船舶带来的害处 .63 “育鲲”轮伙食冷库系统结霜严重的分析 .63.1 结霜机理 .63.2 伙食冷库系统结霜影响的因素 .73.3 “育鲲”轮伙食冷库系统蒸发器结霜严重的原因 .74 “育鲲”轮伙食冷库系统蒸发器结霜严重的解决办法 .84.1 伙食冷库系统蒸发器的除霜 .84.1.1 常用的伙食冷库除霜方法介绍 .84.1.2 常用除霜控制的介绍 .94.1.3“育鲲”轮冷库制冷系统的融霜方式
5、与控制方法 .104.1.4 几种新型除霜方法的介绍 .114.2 延缓结霜技术 .114.2.1 伙食冷库常用延缓结霜的方法 .114.2.2 强亲水性涂料制作亲水表面抑制结霜方法 .124.2.3 超疏水低粘着铜表面制作蒸发器表面抑制结霜方法 .124.2.4 自然对流下含纳米 涂层表面抑霜方法 .1224.2.5 使用 纳米涂层表面抑制结霜方法 .144.3 除霜或延缓结霜方法应用于“育鲲”轮的可行性分析 .175 结论与展望 .17参考文献 .17致谢 .171 引言随着我国经济的快速发展，人民生活水平的不断提高，人们对冷冻、冷藏食品的依赖越来越高，食品冷冻冷藏的目的是尽量减少或者避免
6、各种营养成分的破坏和损失，保持食品的新鲜度和营养价值。但是由于目前我国的技术手段的弊端和人们对冷冻冷藏意识的淡薄，使得食品在冷冻冷藏过程中损耗相当严重，这对一个人口多和人均占有量相对较低的发展中国家来说，如何提高其冷藏利用率将关系到人民生活水平的进一步提高和国家经济发展的进程，所以食品的冷冻冷藏值得关注、前景广阔。能源问题是当今社会的热门的话题之一，随着全球经济的发展，人们对能源的需求将会进一步增大，所以能源问题必将成为制约各国经济发展的障碍。从今年我国电力不断涨价的呼声中我们更能感觉得到，对于我们这样一个能源相对匮乏，能源需求量不断增加的发展中国家来说，能源利用率将意味着什么。目前我们可以看
7、到各个国家的竞争还表现在能源的控制和利用上，所以我们国家必须在坚持不断开拓能源海外市场的同时合理利用能源，做到开发与节约并重，提高能源的利用效率势在必行。冷冻冷藏就是将食品置于低温(0或者低于 0) 的环境中，使得一般的易腐食品能够获得较长时间的储藏，但是作为流通中枢的冷库来说，目前的能耗消耗相当大。标准冷库的能耗分配应该是制冷系统 68，办公及办公设备 4，照明 11,蓄电池充电 4，其他用电 13 % 。而以往的冷库在设计时广泛采用静态集中参数法甚至预留一部分裕量，造成设计参数和实际生产不相匹配，导致能源利用率低，生产成本过高。另外我国的冷库还广泛存在智能化程度低，管理不规范，机械化程度低
8、等现象，所以对于寻求冷库在运行及管理中的节能途径变得尤为重要。2 “育鲲”轮伙食冷藏系统蒸发器出现的问题2.1“育鲲”轮冷库蒸发器结霜严重（结合照片和文字解释等）2.2 结霜严重给伙食冷藏系统带来的危害在船舶伙食冷库制冷装置中，往往是采用翅片管蒸发器作为集中冷源为被冷却空间提供冷量，当蒸发器外侧空气温度同时低于露点温度和零摄氏度时，翅片管表面将会出现结霜现象。结霜对翅片管蒸发器的性能有重要影响。由于霜的导热性较差，霜层增加了空气侧的换热热阻，同时霜层也会堵塞空气流道，增大空气的流动阻力和风机功耗，影响空气流量，最终导致制冷能力下降。顾永明（1）等针对 R404 制冷系统结霜工况和无霜工况做了对
9、比实验研究，得出以下结论：( 1)当霜层厚度为 1.5mm 时，无霜工况的传热系数比结霜工况的传热系数大，5时两者相差最大，为 13.6W /( ) 。2( 2)当霜层厚度为 1.5mm 时，结霜工况下制冷量和 COP 比无霜工况都有减少，制冷量和 COP 分别最大减少了 11.9和 5.9。结霜的出现还会迫使蒸发器温度下降，导致整个系统的运行工况改变，最终由于制冷系统运行工况恶化而不得不进行周期性化霜。这种附加的化霜工作不仅中断了制冷循环还需通过增加能耗使结霜消除。再者，霜的产生源于冷库中的水蒸汽，因此，霜的产生即意味着冷库湿空气含湿量的降低，冷藏的物品如: 鲜果、蔬菜、鱼和肉等，风干就在所
10、难免，这会对食品的口味和营养价值带来很大的损害。因此，对蒸发器结霜状况进行理论分析和对蒸发器融霜、延缓结霜问题的研究是非常必要的。2.3“育鲲”轮伙食冷藏系统结霜严重带来的害处经过与大管轮和大厨的探讨和交流，了解到“育鲲”轮伙食冷藏系统蒸发器结霜严重导致了冷冻、冷藏食品包括肉、鱼、新鲜蔬菜等出现了不同程度的损害，食品的口感较原来差很多，这就使原本高价买来的营养价值高、新鲜程度好的食品没有物尽其用。同时，为改善此种情况，有时冷库不得不进行额外的人工除霜和电热融霜，人工除霜无疑加重了船舶工作人员的负担，低温的肉库在除霜时需要较长时间的工作，工作环境极不舒适，对身体有一定程度的伤害。电热融霜有时不能
11、很合适的选择最佳除霜时间和除霜结束点，除霜时间长则额外增加热负荷，不节能，不经济；除霜时间短则导致霜层不能除净，蒸发器下部留有大面积厚的霜层，低温的霜层将融霜泄水口冻裂、冻坏，损坏船舶设备。综合上述的各种危害分析，研究有效、高效节能的除霜技术和延缓结霜涂层或材料来解决上述问题是极有意义的。 3 “育鲲”轮伙食冷库系统的结霜分析3.1 结霜机理霜的形成过程是由水蒸汽直接形成冰晶的过程，它符合结晶的一般规律，若从其外部特征以及结晶生长的机理可分三个阶段。初始期从冰核的形成直到壁面冷却冰核与空气隙组成的覆盖为止。由于固体表面吸附水蒸汽分子，并在一定尺寸的表面粗糙度上构成具有某一最小临界半径的凝华核心
12、上，才能成长冰核（2） ，因此凝华形成冰核必须具有的内因是水蒸汽的温度及其分压力，其外因是壁面性质、粗糙度、温度等等。根据晶体生长的原理可知，任何固体表面由于结构上的缺陷而存在能量上的不均匀性。不均匀性这一特征用表面势能表示。水蒸汽分子受表面势能作用层的吸引而被吸附到壁面上。由于水蒸汽分子和壁面的温度不同，在壁面间的能量传递使得分子的动能下降直至趋于零。在低温并具有一定粗糙的壁面上，凝华成冰晶的晶体群形成树枝状的晶体复合物。它又作为后续冰晶形成的凝华核心。根据在汽相生长系统中结晶的相变驱动力理论，要进行凝华这一相变，水蒸汽在凝华核心处必须处于过饱和状态。相变驱动力为= P1P0式中， 单个原子
13、的相变驱动力，远离冷壁面的蒸汽分压力;1相对于冷壁面的温度的水蒸汽饱和压力。0相变驱动力愈大，在汽相生长系统中均匀成核的冰核临界半径愈小，也就是愈易于形成冰核。以上基于物理基础的理论有助于我们理解形成冰核的有关条件及其作用，初始阶段终止于整个壁面完全覆盖了霜层为止。（1）生长期在霜层的冰晶上再结晶，具有一定的霜层生长速率。在这一阶段霜层增厚的速率 .取决于湿空气的湿度、温度、流速、流动方向以及霜层表面温度、霜的密度、导热系数等等。换句话说霜层生长的快慢及其结构决定于流向霜表面以及扩散进入霜的孔隙中的水蒸汽量多少和结晶时放热的快慢有关。正因为条件是多种多样的，所以霜层的形状、密度也不大一样。有近
14、似于颗粒状的较致密的霜层，也有针状、锥状，树枝状和平板状的霜结晶。霜层内只要存在温度梯度、霜表面温度低于 273K 以及湿空气的露点高于霜表面温度，霜层就会继续增厚。终止期由于霜层增厚致使霜表面温度增高到不再结霜或霜表面温度被湿空气加热到高于冰点。在霜层不再增厚的终止期，霜表面温度若高于冰点，则霜会融解掉一薄层，则水将渗入霜层中结冰，以提高导热系数。若冰壳上的温度低于凝华温度，新的霜层又会在冰膜上重新增加起来又进入生长期，若在冰壳上只发生水蒸汽冷凝，这就属于膜层凝结的传热问题。3.2 伙食冷库系统结霜影响的因素大体说来, 影响结霜速率主要有以下三个方面的因素（3）: 环境工况、换热器的形状以及
15、换热器冷壁表面状况1 环境工况对结霜速率的影响环境工况指的是环境空气的温度、湿度、空气流速以及换热器的壁温等，其中环境空气温度低和湿度大是两大促进结霜的因素。改变环境工况中的任何一个因素, 其结霜速率明显不同。换热器形状对结霜速率的影响换热器的形状不同, 对霜生长速率的影响也不一样。当换热面积相同时, 简单形状换热器( 如平板、圆管、平行板、圆形管等 )的结霜速率要大大低于复杂形状换热器 (如翅片管) 的结霜速率。对同一种换热器而言 , 沿气流方向的不同位置, 其结霜速率也不一样, 一般在入口气流处霜生长速率明显高于出口气流处结霜速率。另外, 不同翅片形状的换热器的结霜速率也不一样, 换热强的
16、表面明显高于换热弱的。换热器的冷壁表面状况对结霜速率的影响霜层形成和霜层结构机理的观察和研究表明: 霜层形成开始和形成过程除与环境参数有关外,还与冷壁表面状况有关。根据冰核生长理论: 冰晶在壁面上是以球冠状与壁面粘着的,能够形成冰核的最低条件是壁面温度低于湿空气水蒸气分压力所对应的饱和温度,并要使壁面温度低于 0 。冰核对壁面粘着力的大小与接触面积和表面粗糙度有关。由于水分子为极性,冷壁金属表面也为极性,因而水分子极易吸附到冷壁表面结霜。另外,换热表面越粗糙,越易形成霜生长初期所要的冰核,从而也就加剧了霜的形成。3.3“育鲲”轮伙食冷库系统蒸发器结霜严重的原因经过咨询大管轮孙广辉老师与自己的单
17、独分析思考，得出“育鲲”轮伙食冷库系统蒸发器结霜严重的原因主要有 3 点： 采购的新鲜肉类和蔬菜中含水量太大，这导致了冷库中的含水量大大增加，相对湿度很大，这是目前“育鲲”轮伙食冷库系统蒸发器结霜严重的最主要因素。 “育鲲”轮作为一艘教学实习船舶拥有其独特的特点，人员多，伙食冷库大，在准备船员和学生的饮食时，要频繁且长时间从冷库内向外搬运冷冻食品，为了学生和厨师的安全（防止冷剂泄漏引发事故）以及方便，搬运冷冻食品时会将冷库门长时间敞开，这无疑增加了额外的热负荷，外界空气的进入也同时带来了水蒸汽，使冷库的湿度增加，最终增大了结霜的机会。长时间观察压缩机工作发现压缩机的高压和低压（配合数据采集和图
18、像）均偏低，分析其原因为制冷剂量少导致蒸发压力低，最终造成局部过冷结霜。4 “育鲲”轮伙食冷库系统蒸发器结霜严重的解决办法冷库是食品冷冻加工、储存与流通的重要设施，在国民经济中占有重要地位。能源是国家经济建设的基本条件之一，节约能源是国家经济建设的长远战略方针。作为耗能大户的冷库，搞好节能工作将对冷库使用的经济效益提高发挥重要作用。因此分析、研究并最终完善冷库行业制冷系统结霜问题，探讨制冷系统操作运行中的节能措施与方法，引进先进的除霜方法和延缓结霜技术并应用于冷库系统当中去，对节约能源、降低冷库使用的生产成本，提高经济效益具有很大的现实意义。为最终解决冷库系统蒸发器结霜严重的问题，我们从采取有效措施对蒸发器进行除霜和引进先进技术延缓蒸发器结霜两个方面入手，以期最终目标得以实现。4.1 伙食冷库系统蒸发器的除霜4.1.1 常用的伙食冷库除霜方法介绍适时地进行除霜，准确地控制蒸发器运行和除霜循环中除霜的时间和次数，是维持低温冷库正常运行的关键。除霜效果的优劣亦是充分发挥制冷设备能力，减少维修费用，节约用电和保证温、湿度要求的关键。目前对于蒸发器盘管表面除霜方法主要有停机人工除霜、淋水除霜方式、电热除霜方式和热气除霜等。
