基于自然冷資源利用的濕冷系統(tǒng)設(shè)計及性能試驗(yàn)

潘小莉，王文明，周福君（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱　150030）

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基于自然冷資源利用的濕冷系統(tǒng)設(shè)計及性能試驗(yàn)

潘小莉，王文明，周福君*
（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱150030）

摘要：利用自然冷資源保鮮具有安全、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。綜合傳統(tǒng)冰水濕冷系統(tǒng)特點(diǎn)，設(shè)計噴霧式冷風(fēng)機(jī)濕冷系統(tǒng)，分析和測試噴淋水量、迎面風(fēng)速、濕球溫度對濕冷系統(tǒng)制冷性能影響。結(jié)果表明，當(dāng)噴淋水量從0.08 m3·h-1增至0.20 m3·h-1，制冷量平均變化率增加60.7%，確定最小噴淋水量為0.14 m3·h-1；迎面風(fēng)速取1.5~ 4.0 m·s-1，總換熱系數(shù)增加46%，空氣對流傳質(zhì)系數(shù)增加43%，能效比（EER）增加5%；當(dāng)空氣濕球溫度從12℃增至24℃時，制冷量和能效比分別減少5.0%和5.3%，表明該系統(tǒng)適合氣候干燥地區(qū)使用；不必對噴霧水降溫，使用過濾后的自來水，干工況下總換熱系數(shù)比全工況總換熱系數(shù)下降75%；該濕冷系統(tǒng)預(yù)冷時間短，可實(shí)現(xiàn)低溫（水為介質(zhì)3.8℃，鹽水為介質(zhì)1.9℃）、高濕（92%RH~100%RH）且相對穩(wěn)定的保鮮環(huán)境。

關(guān)鍵詞：濕冷系統(tǒng)；自然冷資源；噴霧式冷風(fēng)機(jī)；能效比

潘小莉,王文明,周福君.基于自然冷資源利用的濕冷系統(tǒng)設(shè)計及性能試驗(yàn)[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2016, 47(2): 96-101.

Pan Xiaoli, Wan Wenming, Zhou Fujun. Design and experimental of humidicooling system based on the natural cool resource utilizations[J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2016, 47(2): 96-101. (in Chinese with English abstract)

近年來，中國果蔬產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速[1]，采摘后果蔬預(yù)冷方式及時間對果蔬品質(zhì)有重要影響[2-4]。溫、濕度是保證農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素[5-6]。濕冷技術(shù)是新興冷藏保鮮果蔬技術(shù)，利用低溫、高濕空氣與果蔬傳熱傳質(zhì)，最大程度保持果蔬水分，實(shí)現(xiàn)果蔬、鮮花預(yù)冷、冷藏保鮮。尤其對含水量大、水分易散失的果蔬、花卉等保鮮優(yōu)勢突出[7]。

目前常用的機(jī)械冷庫具有“二循環(huán)”特點(diǎn)，利用制冷劑流經(jīng)蒸發(fā)器排管冷卻庫內(nèi)空氣。冷卻盤管表面溫度低于0℃，低于露點(diǎn)溫度，水分不斷在盤管表面冷凝、結(jié)霜，庫藏產(chǎn)品經(jīng)一段時間冷藏后發(fā)生水分損失[8-9]；同時頻繁停機(jī)除霜，使冷庫內(nèi)溫、濕度波動較大，制冷壓縮機(jī)效率下降，耗電量增加，庫內(nèi)濕度僅維持在8%左右[10-11]。傳統(tǒng)濕冷系統(tǒng)具有“三循環(huán)”特點(diǎn)，即制冷劑、載冷劑、濕空氣循環(huán)。采用制冷壓縮機(jī)組，制冷劑流經(jīng)水箱中的蒸發(fā)器制冰，冰水混合后近0℃冷水噴淋到混合換熱器中，與儲藏室內(nèi)空氣熱質(zhì)交換，冷卻果蔬產(chǎn)品。邵永華應(yīng)用濕冷技術(shù)貯藏金柑，保鮮效果顯著[12]。劉曉軍在濕冷系統(tǒng)條件下結(jié)合臭氧殺菌技術(shù)可有效延長冬棗貯藏時間[13]。王日葵等利用濕冷通風(fēng)貯藏柑桔，可保持其良好品質(zhì)[14]。傳統(tǒng)濕冷系統(tǒng)也存在不足，使用制冷劑造成環(huán)境污染，濕度無法精確控制，需頻繁停機(jī)除霜[15]。

本試驗(yàn)引入自然冷資源，冬季儲冰、夏季利用，冰水混合后冷水代替制冷劑，既節(jié)能環(huán)保又降低耗電成本，冰水混合后溫度0.5℃，換熱盤管表面不結(jié)霜，無需停機(jī)除霜，可準(zhǔn)確控制冷藏濕度。為北方寒冷干燥地區(qū)濕冷系統(tǒng)研究與應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1噴霧式冷風(fēng)機(jī)濕冷系統(tǒng)設(shè)計

利用北方冬季寒冷漫長的氣候特點(diǎn)，將冬季自然冷資源以冰的形式貯存并引入濕冷系統(tǒng)中，在綜合傳統(tǒng)濕冷系統(tǒng)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，設(shè)計噴霧式冷風(fēng)機(jī)濕冷系統(tǒng)，具有濕空氣、冷水和噴霧水循環(huán)等“三循環(huán)”特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。冬季大量儲冰全年利用，冰與水接觸后形成接近0.5℃冷水，通過水泵進(jìn)入換熱器盤管內(nèi)流動。環(huán)境熱空氣經(jīng)霧化降溫后，在風(fēng)機(jī)強(qiáng)制作用下橫掠翅片管，冷水流經(jīng)紫銅管內(nèi)壁時吸收管外表面和翅片表面的顯熱而升溫，入水口與出水口的溫差2~3℃。霧滴撞擊盤管及翅片表面形成薄水膜，空氣與霧滴、水膜直接熱濕交換，經(jīng)冷卻加濕的空氣吹入貯藏間。當(dāng)相對濕度低于預(yù)設(shè)范圍時，自動開啟噴霧裝置，實(shí)現(xiàn)濕度自動控制。換熱器加裝翅片，使空氣和霧滴接觸面積增加。本系統(tǒng)與傳統(tǒng)濕冷系統(tǒng)比較優(yōu)點(diǎn)為：①采用冬季儲冰代替?zhèn)鹘y(tǒng)濕冷系統(tǒng)機(jī)械制冰，能耗少、無污染、成本低廉；②利用傳感器和虛擬儀器VI （virtual instrument）技術(shù)自動控制噴嘴啟閉，精確控制環(huán)境濕度[16-17]。

2試驗(yàn)裝置與方法

試驗(yàn)用密閉保鮮庫尺寸2 m×2 m×2 m。內(nèi)置翅片管式換熱器、水泵、風(fēng)機(jī)、空氣壓縮機(jī)、噴嘴及輔助設(shè)備。采用扇形扁頭空氣霧化噴嘴二流體噴頭，精確控制空氣和水混合比例，空氣接口連接空氣壓縮機(jī)，產(chǎn)生幾十微米霧滴，霧化效果極佳。噴淋水管處安裝玻璃轉(zhuǎn)子流量計測噴水量。翅片管式換熱器采用直徑10 mm紫銅圓管，管束按正三角形叉排排列，縱向間距25 mm，橫向間距21.65 mm，翅片間距4 mm，每排16根共四排，采用常見的整體式平直翅片管。迎風(fēng)面積為0.16 m2，管外傳熱面積7.89 m2。試驗(yàn)利用RMA411遠(yuǎn)端輸入采集模塊數(shù)據(jù)采集，可采集16路模擬量。采用RM4024遠(yuǎn)端模擬量輸出模塊數(shù)據(jù)輸出，可實(shí)現(xiàn)4路電壓信號輸出，采集與輸出模塊均通過RS485串口與上位機(jī)實(shí)時通訊。分別使用Pt100溫度傳感器、SC系列濕度傳感器溫、濕度采集，保鮮庫內(nèi)共布置8個溫、濕度測試點(diǎn)取平均值。儀器儀表均經(jīng)過校正，滿足試驗(yàn)精度要求。在換熱器出風(fēng)口截面設(shè)置5個風(fēng)速探頭取平均值測迎面風(fēng)速，通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率控制風(fēng)機(jī)的風(fēng)速及水泵流量[18]。

3數(shù)據(jù)處理計算

翅片管式換熱器換熱量根據(jù)冷水側(cè)溫度變化測定，假設(shè)冷流體吸熱量等于熱流體放熱量，計算公式為：

式中，ρw-密度（m3·L-1）；vw-水流速（m·s-1）；cp.w-平均定壓比熱（J·kg-1·℃-1；tw2-熱流體溫度（℃）；tw1-冷流體溫度（℃）。

從冷水通過管壁、翅片表面?zhèn)鬟f到水膜，水膜再與空氣進(jìn)行熱質(zhì)交換，總傳熱系數(shù)方程：

式中，F(xiàn)-傳熱面積（m2）；Δtm-對數(shù)平均溫差（℃）。

1-集水池；2-電磁閥；3-翅片管式換熱器；4-噴嘴；5-殼體；6-風(fēng)機(jī)；7-空氣壓縮機(jī)；8-流量計；9-閥門；10-水泵；11-濾網(wǎng)；12-冰水池1-Tank; 2-Magnetic valve; 3-Tube-and-fin heat exchanger; 4-Nozzle; 5-Shell; 6-Fan; 7-Air compressor; 8-Flowmetre; 9-Alve; 10-Pump; 11-Filter; 12-Ice-water tank圖1試驗(yàn)裝置Fig. 1 Experimental set-up

空氣對流傳質(zhì)系數(shù)計算公式[19]：

式中，α1ξ-空氣側(cè)對流換熱系數(shù)（W·m-2·k-1）；cp.wa-定壓比熱容（kJ·kg-1·K-1）。

濕冷系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)、水泵和空氣壓縮機(jī)均消耗電能，將濕冷系統(tǒng)能效比定義為：

式中，Pc-空壓機(jī)消耗功率，Pp-水泵消耗功率，Pf-風(fēng)機(jī)消耗功率。

4結(jié)果與分析

空氣流經(jīng)換熱器同時進(jìn)行熱濕交換。在霧滴表面形成一個溫度與霧滴表面溫度相等的飽和空氣層，當(dāng)未飽和空氣初始溫度高于邊界層，則邊界層吸熱而使空氣溫度降低；邊界層內(nèi)水蒸氣分子濃度高于空氣水蒸氣濃度，空氣中水蒸氣分子數(shù)增加而使其濕度增加，空氣經(jīng)歷降溫增濕過程[20]。換熱器出口濕空氣與庫內(nèi)空氣混合，混合后濕空氣吸收熱量再次進(jìn)入噴霧式冷風(fēng)機(jī)，如此反復(fù)直至溫度、濕度達(dá)到穩(wěn)定。

4.1噴霧水溫對空氣降溫影響

單因素試驗(yàn)確定冷水流量0.9 m3·h-1，繼續(xù)增大流量，對換熱影響小。迎面風(fēng)速取3 m·s-1，初始溫度26℃干空氣經(jīng)不同噴霧水溫、不同空氣濕度噴霧降溫后的溫度變化如表1所示。空氣初始相對濕度對噴霧降溫后影響顯著，相對濕度為85%空氣經(jīng)噴霧后溫度僅降低2.12℃，濕度為60%空氣降溫幅度為5.85℃?？諝獬跏枷鄬穸仍酱螅F滴的蒸發(fā)量越少，對空氣降溫影響越小，可見焓差值是推動熱交換動力。表明噴霧降溫在夏季干燥地區(qū)使用效果好，適應(yīng)北方地區(qū)夏季炎熱干燥氣候特點(diǎn)。通過調(diào)節(jié)流量使空氣和水保持較小的溫度差，對空氣起加濕作用。如果采用接近0℃冷水噴霧，霧滴和換熱盤管表面溫度均低于空氣露點(diǎn)溫度，空氣中水分不斷析出而使?jié)穸认陆?。本試?yàn)可知，噴霧水溫對空氣冷卻降溫后影響不顯著，使用溫度接近20℃自來水。

4.2噴水量對制冷量的影響

固定進(jìn)風(fēng)口濕球溫度12℃，迎面風(fēng)速分別取2.5、3.0、3.5 m·s-1，增大噴淋水量，對制冷量影響如圖2所示。當(dāng)噴淋數(shù)量分別取0.08、0.1、0.12、0.14、0.16、0.18、0. 2 m3·h-1，迎面風(fēng)速分別取2.5、3、3.5 m·s-1時，管外制冷量增加率分別為59%、63%、60%，平均增加率為60.7%。隨噴水量增加，制冷量先顯著增加后趨于平緩。自上而下噴霧水與水平流動空氣接觸提高翅片管式換熱器的換熱性能。當(dāng)噴淋水量大時，翅片管式換熱器管外表面及翅片表面會覆蓋一層薄薄水膜，不飽和空氣與水膜顯熱交換，與風(fēng)機(jī)強(qiáng)制流動的霧滴發(fā)生碰撞，強(qiáng)化換熱效果。制冷量隨噴水量增加而增大，達(dá)到最小噴水量后對換熱量影響不顯著。噴水量增加使霧滴與空氣接觸面積增大，蒸發(fā)水量增加，噴水量過大，過量水分不能蒸發(fā)，造成水泵功耗增加。存在一個最小噴水量使換熱性能最佳，如圖2可知，噴淋水量達(dá)到0.14 m3·h-1后，繼續(xù)加大噴水量時制冷量受迎面風(fēng)速影響小，變化不大[21]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，噴水量0.14 m3·h-1為最小噴淋水量。

利用鹽水冰點(diǎn)溫度低于冰水的特點(diǎn)，確定本試驗(yàn)鹽水濃度為5%，翅片管表面不結(jié)霜，入水口溫度為-2℃，室內(nèi)溫度可降至1.9℃?？倱Q熱系數(shù)隨迎面風(fēng)速的增加而加大，變化范圍136.75~ 202.14 W·m-2·k-1，換熱性能較冰水工況下提高約75%，室內(nèi)溫度大幅下降。

表1 26℃的空氣經(jīng)噴霧降溫最終溫度Table 1　 Final temperature of the 26℃air after spray cooling

圖2噴水量與制冷量關(guān)系Fig. 2 Relationship between spray water and cooling capacity

4.3迎面風(fēng)速對系統(tǒng)性能的影響

設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)20 min待系統(tǒng)相對穩(wěn)定時進(jìn)行參數(shù)測量。進(jìn)風(fēng)濕球溫度12℃，冷水流量0.9 m3·h-1時，噴淋水量分別選取0.1、0.12、0.14 m3·h-1，可反映變化規(guī)律。由圖3可知，迎面風(fēng)速1.5~3.0 m·s-1時，總傳熱系數(shù)隨迎面風(fēng)速增加而顯著增加，當(dāng)風(fēng)速大于3 m·s-1總傳熱系數(shù)變化不明顯，趨于平緩。噴淋水量分別0.10、0.12、0.14 m3·h-1時，總換熱系數(shù)平均增加率為46%。增加空氣的質(zhì)量流量，空氣與霧滴、水膜接觸過程中碰撞的強(qiáng)度增大，使熱交換效率系數(shù)和接觸系數(shù)變大，熱濕交換效果明顯。當(dāng)風(fēng)速過大，系統(tǒng)的功耗增加，霧滴、水膜與空氣接觸時間變短，換熱不充分對熱濕交換不利。本試驗(yàn)最佳迎面風(fēng)速為3 m·s-1，最小噴淋水量時可獲得較大換熱系數(shù)112.92 W·m-2·k-1。關(guān)閉噴霧加濕系統(tǒng)，只開啟風(fēng)機(jī)測定干工況參數(shù)。迎面風(fēng)速取最佳值3 m·s-1，干工況下總換熱系數(shù)變化范圍44.98~72.02 W·m-2·k-1，隨風(fēng)速增加而增大，提高風(fēng)速顯著增強(qiáng)換熱性能，但總換熱系數(shù)較噴霧全工況降低64%。說明利用水的潛熱可提高換熱性能。

由圖4可知，空氣對流傳質(zhì)系數(shù)隨迎面風(fēng)速增大而顯著提高，當(dāng)迎面風(fēng)速達(dá)1.5~4m·s-1時，噴淋水量分別取0.10、0.12、0.14 m3·h-1時，空氣對流傳質(zhì)系數(shù)平均變化率增加43%。迎面風(fēng)速的增加使氣液界面間的擾動劇烈程度加強(qiáng)，促使水膜、霧滴與空氣間熱質(zhì)交換程度加強(qiáng)，接觸面積增大，氣液界面水蒸氣分壓力下降水分蒸發(fā)。

圖3迎面風(fēng)速與總換熱系數(shù)關(guān)系Fig. 3 Relationship between head-on air velocity and overall heat transfer coefficient

圖4迎面風(fēng)速與空氣對流傳質(zhì)系數(shù)關(guān)系Fig. 4 Relationship between head-on air velocity and mass transfer coefficient

如圖5可知，迎面風(fēng)速1.5~3.0 m·s-1，能效比EER快速增加，達(dá)到最佳迎面風(fēng)速后，EER隨風(fēng)速增大而減小。噴淋水量分別取0.10、0.12、0.14 m3·h-1時，隨迎面風(fēng)速增加，能效比平均變化率增加5%。因?yàn)樵谧罴扬L(fēng)速之前，換熱器的換熱量隨風(fēng)速增加顯著，換熱性能占優(yōu)勢，而風(fēng)速達(dá)到最佳值后，換熱量增加不明顯，風(fēng)速增加風(fēng)機(jī)消耗功率增大，系統(tǒng)整體性能降低。

4.4濕球溫度對制冷量的影響

試驗(yàn)中固定噴淋水量0.14 m3·h-1，冷水流量0.9 m3·h-1，迎面風(fēng)速3 m·s-1，選取濕球溫度12~ 24℃，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。制冷量和能效比均隨入口濕球溫度升高而減小，制冷量從5.13 kW降到4.87 kW，減小比率為5%，能效比從3.93減少到3.72，減少比率為5.3%。說明進(jìn)風(fēng)濕球溫度升高，空氣焓值高，吸收水蒸氣能力減弱，使空氣與霧滴間的熱質(zhì)交換動力減弱。進(jìn)一步證實(shí)表1所示熱交換動力是焓差而非溫差。濕球溫度20℃時，制冷量、能效比減低顯著?？梢姖袂驕囟扔绊戄^大，說明該系統(tǒng)適合在氣候干燥地區(qū)使用。

圖5迎面風(fēng)速與能效比關(guān)系Fig. 5 Relationship between head-on air velocity and energy efficient ratio

圖6濕球溫度與制冷量、能效比關(guān)系Fig. 6 Relationship between web-bulb temperature of air and cooling capacity, energy efficiency ratio(EER)

5結(jié)　論

本試驗(yàn)利用北方豐富自然冷能，設(shè)計噴霧式冷風(fēng)機(jī)濕冷系統(tǒng)，在“三循環(huán)系統(tǒng)”各關(guān)鍵參數(shù)較好配合狀態(tài)下，獲得高濕（92%RH~100%RH）、低溫（冰水低至3.8℃、鹽水低至1.9℃）濕冷功能，全程實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)自動控制庫內(nèi)溫、濕度，預(yù)冷時間短且溫濕度波動小。迎面風(fēng)速和噴淋水量是影響濕冷系統(tǒng)主要因素，總換熱系數(shù)和制冷量均分別隨迎面風(fēng)速和噴淋水量增加先快速增加，到達(dá)最佳值后趨于平緩。本試驗(yàn)測量最佳風(fēng)速為3 m·s-1，噴淋水量為0.14 m3·h-1，可獲得較大換熱系數(shù)112.92 W·m-2·k-1，采用鹽水凍冰其換熱系數(shù)可達(dá)到202.14 W·m-2·k-1。噴霧水溫對空氣降溫影響不顯著，故噴霧水可采用過濾自來水。本試驗(yàn)結(jié)果表明，空氣濕球溫度對換熱效果影響顯著，濕球溫度高對換熱不利，此濕冷系統(tǒng)適合北方寒冷干燥地區(qū)使用。

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Design and experimental of humidicooling system based on the natural cool resource utilization

PAN Xiaoli, WAN Wenming, ZHOU Fujun(School of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract:Natural cool resource had many advantages, such as safety, energy conservation and environment protection. A new humidicooling system of water spraying air-cooler was designed based on the characteristics of the traditional ice water humidicooling system. The influence of web-bulb temperature, the spray water and the head-on air velocity on the performance of the system were analyzed in the experiments. Experimental results showed that when the spray water amount increased from 0.08 to 0.20 m3·h-1, the average cooling capacity rate increased by 60.7%, the minimum spray water amount was 0.14 m3·h-1; The experiments were conducted under the head-on air velocity increased from 1.5 to 4.0 m·s-1, and the results showed that the increased of the average overall heat transfer coefficient was 46%, the increases of the average air mass transfer coefficient was 43%, and the increases of the energy efficiency ratio(EER) was 5% . When the web-bulb temperature of air increased from 12 to 24℃, the cooling capacity and EER decreased by 5.0% and 5.3%, indicating that the humidicooling system especially adapted to the dry regions. Considering the economic aspect, the water of filtered tap could be used directly. Under the dry condition the overall heat transfer coefficient decreased by 75% than in the wet condition. The system precooling time was short, and could maintained low temperature(water was 3.8℃, salt water was 1.9℃), high humidity(92%RH-100%RH) and relatively stable condition in the process of cold storage for keeping vegetables.

Key words:humid-cool system; natural cold resources; water spraying air-cooler; energy efficiency ratio

*通訊作者：周福君，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械化工程、農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計、機(jī)電一體化。E-mail: fjzhou@163. com

作者簡介：潘小莉（1978-），女，講師，博士，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械化工程。E-mail: panxiaoli1025@126. com

基金項(xiàng)目：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)博士啟動基金（2012RCB65）

收稿日期：2015-10-30

中圖分類號：TK172

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1005-9369（2016）02-0096-06