血漿速凍柜設(shè)計和性能試驗研究

劉發(fā)柱，張芳，許仁續(xù)，徐桂杰

（大連三洋冷鏈有限公司，遼寧大連 116600）

0 引言

速凍設(shè)備研制之前，液氮因其具有優(yōu)良的物理和化學(xué)性能[1]，被用于醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)的快速冷凍和保存。速凍制冷設(shè)備的研制，國外起步較早，我國的速凍設(shè)備研制開始于20世紀80年代。速凍機是使被冷卻物質(zhì)在低溫環(huán)境中快速冷卻的裝置[2]，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域和食品領(lǐng)域，按照冷卻的類型，速凍機分為風(fēng)冷式速凍和接觸式速凍[3]。

血漿速凍柜是各大中城市血站和血液中心必備的設(shè)備之一。目前市場上使用較多的血漿速凍柜是接觸式速凍柜，其特點是水平金屬壓板直接接觸血漿、降溫速度快、凍結(jié)量大[4]，但其缺點是價格昂貴、運行時機組噪音大、散熱量大，高能耗等[5]。

為了改善機組運行時噪音大以及室內(nèi)散熱量大等問題，本文結(jié)合國內(nèi)制冷設(shè)備生產(chǎn)廠商的生產(chǎn)工藝特點，自制一種強制風(fēng)冷冷卻式血漿速凍柜，用來研究血漿速凍過程。其使用較大功率的雙級壓縮制冷機組進行強制制冷，蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度達到-50℃以下[6]，冷卻風(fēng)機將冷量快速傳遞分散到箱內(nèi)，使箱內(nèi)溫度迅速降低。

1 血漿及血漿速凍

1.1 血漿

血漿是血液的重要組成部分，包含了全部的凝血因子，特別是不穩(wěn)定的凝血因子[7]。其主要作用是運輸人體內(nèi)所需的營養(yǎng)成分和排出的物質(zhì)，并具有抗凝血功能。

1.2 血漿速凍

血漿經(jīng)過采集、運輸、分離、保存等處理過程，必須在6小時(全血保養(yǎng)液為ACD時)或者8小時(全血保養(yǎng)液為CPD，CPDA-1時)內(nèi)凍結(jié)成型[8-9]，并在-30℃以下保存。目的是為了防止血漿中不穩(wěn)定的凝血因子失效以及血漿中有效成分的損失。

2 制冷系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 熱負荷計算

血漿速凍柜的總熱負荷由以下部分組成：箱體的熱量損失 Q1、凍結(jié)血漿的熱量 Q2、門開時的熱量損失Q3、其他熱量損失Q4。由于血漿速凍過程中不需要開門，計算總熱負荷時只考慮箱體的熱量損失Q1和儲存物品的熱量Q2。

箱體的傳熱系數(shù)計算公式為：

式中：

aw——箱體外空氣對箱體外表面的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；

an——箱體內(nèi)表面對箱體內(nèi)空氣的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；

δ ——隔熱層厚度，m；

λ ——隔熱層的導(dǎo)熱系數(shù),硬質(zhì)聚氨酯發(fā)泡的導(dǎo)熱系數(shù)λ取 0.018 W/(m2·K)。

箱體結(jié)構(gòu)的漏熱量計算公式為：

式中：

k1——箱體的傳熱系數(shù)；

A1——箱體的傳熱面積，m2；

a ——修正系數(shù)；

tw——環(huán)境溫度，℃；

tn——箱內(nèi)溫度，℃。

凍結(jié)血漿的熱負荷 Q2分為凍結(jié)前的冷卻熱量Qd、凍結(jié)潛熱 Qe、凍結(jié)后的冷卻熱量 Qf。假設(shè)血漿凍結(jié)量為60袋，400 ml；整個冷卻過程時間為1 h。上述參數(shù)的計算公式為：

式中：

W ——凍結(jié)血漿的質(zhì)量；

C1——凍結(jié)前血漿的比熱；

C2——凍結(jié)后血漿的比熱；

T ——冷卻時間；

Δt ——冷卻溫差；

h ——血漿的冷卻潛熱。

總熱負荷：

2.2 蒸發(fā)器的設(shè)計和機組的選擇

蒸發(fā)器的制冷量Q為3834.1 W。

選定蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)：

選用φ15.88 mm×0.5 mm的紫銅管，翅片選用δf= 0.18 mm的鋁套片，翅片間距Sf= 10 mm，管簇按照正三角形差排方式排列，垂直于流動方向的管間距S1=38.1 mm，沿流動方向的管排數(shù)n=6。[10]

蒸發(fā)器所需的換熱面積：

式中：

K——基于蒸發(fā)器外表面積的換熱系數(shù)，K取58 W/(m2·K)；

Δt——柜內(nèi)溫度與蒸發(fā)溫度差，取為10℃。

蒸發(fā)器幾何參數(shù)：

套片后的管外徑：

沿氣流流動方向的管間距：

每米管長翅片的外表面積：

每米管長翅片間的銅管表面面積：

每米管長的總外表面積：

蒸發(fā)器所需傳熱管長度：

取蒸發(fā)器寬為 B=330 mm，高 H=762 mm，迎風(fēng)面積Af=0.2362 m2。

已選定垂直于氣流方向的管間距為 s1=38.1 mm，則垂直于氣流方向的每排管數(shù)：

傳熱管的實際總長：

參考蒸發(fā)器設(shè)計的各項參數(shù)，選擇型號為FE031-4DA.0C.A7型風(fēng)機，其功率為0.12 kW，轉(zhuǎn)速為1410 r/min。

根據(jù)制冷量要求，選擇某公司型號為CMU-50MSN的一體式機組。

3 試驗研究與數(shù)據(jù)分析

血漿速凍裝置搭建好以后，布置測試點，主要進行空負荷降溫速度試驗和實負荷降溫速度試驗，并對數(shù)據(jù)進行分析探討。

3.1 試驗裝置

本文所研究的血漿速凍柜尺寸內(nèi)部尺寸為490 mm×600 mm×1140 mm,內(nèi)容積為 330 L,內(nèi)部擱架分為四層。主要由冷凍機組和冷凍箱體兩部分組成，制冷機組的壓縮機功率選為 5600 W,制冷機組主要由雙級制冷壓縮機、翅片盤管式冷凝器、冷凝風(fēng)機、儲液罐及壓力保護裝置等輔助部件組成，安裝時置于室外，降低了運行噪音和對室內(nèi)的熱量排放。冷凍箱體由發(fā)泡箱體、門組合、蒸發(fā)器、冷卻風(fēng)機及擱架等部件組成。根據(jù)到血漿速凍的溫度、凍結(jié)速度和制冷量的要求，按照ODP值和GWP值越小越好的原則[11]，本試驗選用R-404A作為制冷劑，其蒸發(fā)溫度為-46.1℃，制冷性能良好。血漿速凍柜的箱體和制冷機組如圖1和圖2所示，制冷原理圖如圖3所示。

圖1 血漿速凍柜箱體

圖2 血漿速凍柜機組

圖3 血漿速凍柜制冷原理圖

根據(jù)速凍柜箱體結(jié)構(gòu)特性，箱內(nèi)有三個擱架共分隔為4層，在每層擱架上分別布置3個測定點，測試點布置在血袋的幾何中心位置，測定點具體位置如圖4所示。

圖4 試驗測定點位置

3.2 空負荷降溫速度試驗

試驗環(huán)境30℃，箱內(nèi)無負荷，溫控器短路，機組持續(xù)運轉(zhuǎn)。試驗過程中記錄了相關(guān)測點的溫度隨時間的變化情況。圖5為各層中間溫度隨時間變化曲線、圖6為蒸發(fā)器出入口溫度隨時間變化曲線。

圖5 30℃時各層中間溫度隨時間變化曲線

圖6 蒸發(fā)器出入口溫度隨時間變化曲線

從空負荷降溫速度試驗曲線可知，速凍柜箱體內(nèi)各檢測點溫度從 30℃降到-30℃約 10分鐘，15分鐘后最低溫度可達到-45℃以下，說明機組的冷卻性能滿足血漿速凍要求。而蒸發(fā)器入口最低溫度-58.42℃，蒸發(fā)器出口最低溫度-49.38℃，蒸發(fā)器換熱溫差約為10℃，同時也滿足設(shè)計要求。

3.3 實負荷降溫速度試驗

試驗環(huán)境 30℃，箱內(nèi)放置負荷，溫控器設(shè)定-30℃。由于血漿中水分的含量為90%～92%，試驗時用水代替血漿。實負荷試驗分別放置30袋和60袋400 ml水負荷[12]。放置30袋水負荷時，25℃開始進行試驗。而放置 60袋水負荷時，考慮到負荷量較大，放置時水負荷之間貼合緊密，所用從保存溫度4℃開始試驗。圖7為25℃時各層中間溫度隨時間變化曲線。

圖7 25℃時各層中間溫度隨時間變化曲線

水負荷溫度為 4℃時速凍柜箱體各層中間溫度隨時間變化曲線如圖8所示。

圖8 4℃時各層中間溫度隨時間變化曲線

實負荷降溫速度試驗，速凍柜放置30袋400 ml水負荷時，60分鐘柜內(nèi)各測定點可以達到-30℃以下，最低溫度可達-47℃，滿足血漿速凍要求。從降溫曲線可知，負荷溫度下降過程中，有一段平緩的線，而且時間較長，主要原因是負荷從 0℃水變成0℃的冰需要吸收較多冷量，花費時間也較長。由實驗數(shù)據(jù)可知，每層左側(cè)和右側(cè)溫度較低，中間溫度較高，原因是中間點處于冷卻風(fēng)機扇葉中心，風(fēng)量較小，導(dǎo)致冷卻速度慢，溫度較高；兩側(cè)處于冷卻風(fēng)機扇葉邊緣，風(fēng)量較大，冷卻速度快，所以溫度較低。速凍箱內(nèi)溫度從上到下逐漸升高，主要是因為冷卻風(fēng)機安裝在箱體上部，冷空氣從上部吹出，從上而下空氣溫度逐漸升高，風(fēng)速逐漸減小。

血漿表面的熱量主要由制冷劑對流換熱方式帶走[13]，放置60袋400 ml水負荷時，雖然水負荷溫度從 4℃開始降溫，但部分監(jiān)測點溫度沒有達到-30℃以下，不滿足血漿速凍要求。原因是放置 60袋水負荷時由于空間過于擁擠，水負荷互相貼合，導(dǎo)致冷卻空氣無法充分冷卻，所以速凍速度變慢。

4 結(jié)論

通過對速凍柜的試驗研究，并對實驗結(jié)果的分析可知，為了保證血漿速凍效果，需要從以下兩方面考慮：一方面是保證血漿袋的放置空間，不能互相貼合；另一方面保證冷卻風(fēng)機直吹到被冷卻的血漿袋。本文所設(shè)計的血漿速凍柜制冷性能基本滿足血漿速凍要求。

[1] 劉貴慶. 液氮噴霧流態(tài)化速凍機的研制[J].冷飲與速凍食品工業(yè), 2004, 10(3): 28-30.

[2] 磨婭林. 一種新型板帶速凍機的研究設(shè)計[J]. 食品工業(yè)科技, 2006, 27(2):149-150.

[3] 徐世瓊. 我國速凍設(shè)備與凍干設(shè)備現(xiàn)狀[J]. 制冷技術(shù),2005, 25(1): 10-13.

[4] 陳興智, 韋常健, 梁智剛. 2種速凍技術(shù)在新鮮冰凍血漿制備中的應(yīng)用[J]. 臨床輸血雜志, 2011, 24(12):702-704.

[5] 杜英芬. 液態(tài)化速凍裝置的節(jié)能應(yīng)用研究[J].冷藏技術(shù),2010, 132(3): 22-27.

[6] 高峰. 臨床輸血與檢驗[M]. 北京: 人民衛(wèi)生出版社,2008.

[7] 田兆嵩. 臨床輸血學(xué)[M]. 北京: 人民衛(wèi)生出版社,2002.

[8] 《單采血漿站基本標準》（衛(wèi)醫(yī)發(fā) [2000] 424 號）[S].

[9] GB18469-2001. 全血及成分血質(zhì)量要求[S]. 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局, 2001.

[10] 吳業(yè)正. 小型制冷裝置設(shè)計指導(dǎo)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2004.

[11] 華澤釗, 李云飛, 劉寶林. 食品冷凍冷藏原理與設(shè)備[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社,1999.

[12] 莫巧頻. MBF21型血漿速凍機對冷沉淀質(zhì)量的影響[J].檢驗醫(yī)學(xué)與臨床, 2010, 7(12): 1211-1212.

[13] 華澤釗, 李云飛, 劉寶林. 食品冷凍冷藏原理與設(shè)備[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1999.