超市低温冷冻食品展示柜蒸发器的建模与性能分析

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 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 ）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。 17e19 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Kim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25C到5C 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，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，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。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TFF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 （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。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TFF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，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