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摘 要：为研究船舶冷库低温库融霜的能效，对船舶冷库低温库进行热气融霜与电热融霜的对比试验.在相同边界条件下，对相同工况的两低温库进行制冷和融霜试验.研究结果表明：热气融霜的热源来自蒸发盘管内部；与电热融霜相比，热气融霜耗时短、能耗少、引入库房的热负荷小、对冷库内温度波动影响小；低温库库温越低，热气融霜节能效果越突出.该研究结果可为船舶冷库设计及低温库融霜方式的选择提供参考.
关键词：工程热力学；船舶冷库；热气融霜；电热融霜；节能
中图分类号：U664.52；TB661；TB611 文献标志码：A
Experimentalcomparisonresearchonhotgasandelectricitydefrost inlowtemperaturemarinecoldstorage
KANAnkang，TANGWei
（MerchantMarineCollege，ShanghaiMaritimeUniv.，Shanghai201306，China）
Abstract：Inordertodiscusstheefficiencyandenergyconsumptionofthedefrostinthelowtemperature marinecoldstorages，anexperimentalcomparisononthehotgasdefrostandtheelectricitydefrostiscon�ductedinthelowtemperaturemarinecoldstorages.Underthesamethermalboundaryconditions，there�frigeratinganddefrostexperimentsareconductedinthetwolowtemperaturestorageswiththesamedi�mension.Theresultsshowthatheatresourceofhotgasdefrostisfromtheinterioroftheevaporation coils；comparedwiththeelectricitydefrost，thehotgasdefrosttakeslesstime，consumeslessenergy，bringslessheatloadintothecoldroom，andcauseslessvibrationoftemperatureinsidethecoldstorage；thelowerthetemperatureofthecoldstorageis，themoreapparenttheenergyconservationeffectis.The researchprovidesareferenceforthemarinecoldstoragedesignandthechoiceofthedefrostmethod.
Keywords：engineeringthermo�physics；marinecoldstorage；hotgasdefrosting；electricitydefrost；en�ergyconservation
当低温库蒸发器翅片温度低于0℃时，翅片表面易于结霜.由于空气中的水蒸气在传递压力的作用下不断向冷表面移动并凝结，表面霜层厚度不断增加.霜的热导率为0.116～0.139W／（m・℃），其热阻比盘管材料的热阻大94～443倍［2］，严重影响蒸发器热交换性能.表1给出－18℃库房内蒸发器盘管结霜厚度对制冷系数（CoefficientOfPerformance，
由此可知，要求低温冷库制冷系统保持高效、稳定运行，对冷库实施及时且适当的融霜措施必不可少.冷库制冷系统目前广为采用的除霜方式［11�15］主要有：人工除霜、水冲融霜、热气融霜、电热融霜、空气自然回温除霜等.船舶冷库除霜方式目前以热气融霜和电热融霜为主.笔者在上海海事大学船舶冷库实验室，对热气融霜和电热融霜两种方式就相同试验工况进行试验比较研究，探讨融霜耗时、耗能及融霜过程对低温库温度场分布的影响.
1.1 试验装置简介
试验在上海海事大学船舶冷库实验室进行.实验室完全仿造实船冷库建设，并增设自动控制和数据采集系统以便进行相关科学研究.该系统为二机四库，低温和高温冷库各两个，低温库设计温度调节范围为－20～－5℃，见图1. 房内的相对湿度.库房内温度采用PT100（精度±0.1℃）电阻温度传感器采集，温度传感器设置在库房中心，距地面约1.5m，并可通过R232／485通信模块与计算机相连.3号库冷风机排管上温度测点采用热电偶温度传感器采集，在冷风机与蒸发盘管之间距离盘管10mm处均匀布置6个点.4号库蒸发盘管周围采用同样方法均匀布置6个温度采集点.蒸发器下设有集水盘，可将融霜后的水采集后称重，留作分析用.测点布置情况见图2.
记录当前实验室初始库温，将库房内相对湿度调节为（85±1）%，让库房处于相同的试验工况，关闭高温库的供液电磁阀，仅对3号库和4号库制冷.分别设置库温在－20，－18，－15和－12℃4种工况时进行试验，按照制冷系统操作要求启动制冷压缩机，待冷库库温稳定一段时间后开始融霜试验.
对3号库，关闭供液电磁阀，停止风机，开启电加热装置（加热功率为3kW）进行加热融霜和数据采集.对4号库，通过阀件及管系操作，将冷凝器与蒸发器功能转换，开始数据采集.试验中，以冷库内蒸发盘管上6个测点的温度均高于0℃的时刻作为融霜结束时刻.融霜结束后，按照操作规程关闭试验装置，并收集融霜水称重.
2 试验资料及结果分析
表2和3分别给出电热融霜和热气融霜两种方式在制冷开始和融霜结束时刻的一些参数.
下面对电热融霜和热气融霜两种方式进行具体分析.
2.1 融霜效率比较
以低温库蒸发盘管周围6个点全部达到0℃作为融霜结束时刻点，图3和4给出在－20℃试验工况下，3号和4号低温库蒸发盘管周围6点温度变
通过图3与4的对比可以发现：在各自融霜周期的相对融霜初期，电热融霜蒸发盘管周围温度变化较快，热气融霜变化不是很大.这主要是因为：蒸发盘管的电热融霜由外至内、盘管外围的霜层最先融化，霜层和周围的空气不断吸收电热丝的热能，盘管周围的温度不断上升，6个测点的温度变化比较均匀，最终几乎同时到达0℃；4号库的热气融霜，蒸发盘管获得的热量由内至外，融霜初期，蒸发盘管周围的6个测点温度变化不大，或者几乎没有变化；随着时间的推移，盘管出口处，即热气进口处的5和6两个点的温度上升，随后其余各点温度也开始上
从图5与6的对比情况可以看出：因电热融霜时间长，对库温影响较大，尤其是当库温较低时，融霜时间加长，一方面因电加热丝的热量不断向冷库中释放，另一方面外界热量不断渗入，致使库温上升，变化较大；热气融霜过程中，热气引起的热负荷主要用于融霜并被霜层所吸收，加上融霜时间较短，外界渗透热负荷甚至可以忽略，所以库温几乎没有上升.同一冷库的库温越低，其融霜所消耗的时间也就越长，因与外界温差较大，通过围护结构渗透的热量也就越多，所以温度上升值也会加大.
因融霜方式的不同、热源位置的差异，热气融霜所消耗的时间仅为电热融霜的1／10，而且因融霜所带来的库温变化不大，对保证冷藏货物的品质十分有利.
2.3 能耗比较
可以采用下列公式计算两种融霜方式的能耗：
从图7可以看出，在热气融霜过程中，压缩机消耗的能量存在一定的振荡区间.在融霜开始阶段，蒸发器内压力较低，而冷凝器内压力相对较高，压缩机只需消耗较少的能量即可完成排气过程；但随着蒸发器内温度和压力的上升，冷凝器内压力有所下降，导致压缩机消耗的能量随之增加，这一过程大约在40～45s内完成；在融霜过程中期，蒸发盘管因霜层剥落而裸露，其热阻大大减小，换热增加，压缩机消耗的能量有所下降；随后，由于盘管周围温度有所上升，压缩机消耗的能量也随之增加.
热气融霜过程中，压缩机消耗的能量是一个累积过程，可以根据图7中的曲线与横坐标围成的面积求解，也可以采用功率计计量.热气融霜采用恒功率，消耗的能量为加热功率与时间的乘积.两种融霜方式消耗的能量情况见表4.
在相同工况下，热气融霜消耗的能量远小于电热融霜.在－20，－18，－15和－12℃4种工况下，热气融霜耗能比电热融霜耗能减少92.5%，
3 结论与讨论
通过对船舶冷库低温库热气融霜和电热融霜两种方式的试验比较和分析，可知：
（1）热气融霜耗时少、效率高，热源来自盘管内部，数分钟就可以完成融霜；而电热融霜的热源来自盘管外部，融霜耗时长达30min.热气融霜，尤其是逆流融霜，不需要改变冷库内蒸发器的内部结构，仅仅在外部进行制冷剂流向的转换即可；而电热融霜需要在冷库风机盘管内增设加热管，并引入控制和加热电路，增大风机运行阻力，整体系统能耗增加.
（2）热气融霜引入负荷少，对冷库温度波动影响小.冷库内温度上升的重要因素之一是外部热负荷的渗入.本试验在实验室内进行，环境温度与实船相比要低.船舶冷库一般设置在机舱上一层的甲板上，有的甚至与机舱相邻，即便在设计时会增设隔离舱，但外部热负荷渗透仍然很大.热气融霜耗时短，外部热负荷渗入总量比电热融霜时所引入的热量少得多，冷库内冷藏货物受外界温度波动影响小，这对保证食品的冷藏品质极其重要.
（3）热气融霜能耗少.与电热融霜相比，热气融霜的能耗可节省92%左右.热气融霜，尤其是逆流热气融霜，可以冲刷掉蒸发器盘管中附着的油脂，降低盘管热阻，在下一次制冷工况开始时，可极大提高盘管的传热系数，这对整个系统的节能及降低运行成本非常有利.
在船舶冷库设计时，许多设计人员将低温库融霜形式设计为电热融霜，因为电热融霜可以采用自动控制方式，实现霜层厚度的自动判断和自动融霜，减少船舶轮机员的工作量，且安全可靠、便于维护和管理.笔者的研究仅仅是从能量的有效利用和对冷库融霜效果方面的探讨，供船舶设计人员参考，具体融霜方式还需要根据船舶实际情况而定.
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（编辑 廖粤新）
