預(yù)冷冷庫內(nèi)冰漿式濕冷蒸發(fā)器的性能實(shí)驗(yàn)研究

(上海理工大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200093)

中國是果蔬生產(chǎn)大國，但90%以上的果蔬為初級(jí)產(chǎn)品，采后腐損率達(dá)25%～30%，有的果蔬高達(dá)50%[1]。隨著生活水平的提高，人們對(duì)果蔬品質(zhì)的要求越來越高，促使果蔬冷鏈技術(shù)不斷發(fā)展[2]。預(yù)冷作為整個(gè)冷鏈環(huán)節(jié)中的第一步，對(duì)維持果蔬品質(zhì)方面發(fā)揮著極其重要的作用[3]，它可使采摘后的果蔬在運(yùn)輸之前，迅速降低呼吸作用和減少水分蒸發(fā)，從而延長貯藏時(shí)間[4]。在現(xiàn)有的預(yù)冷方式中，濕冷預(yù)冷由于對(duì)含水量大、水分易于散失的果蔬、花卉等的保鮮具有突出的優(yōu)勢，備受青睞[5]。濕冷預(yù)冷的原理是在濕冷蒸發(fā)器(又稱混合換熱器)內(nèi)空氣和冷水的直接接觸實(shí)現(xiàn)熱質(zhì)交換，獲得低溫高濕的空氣，再經(jīng)過強(qiáng)制通風(fēng)與入庫的果蔬進(jìn)行換熱，使之在較短的時(shí)間內(nèi)得到冷卻[6-7]。

濕冷蒸發(fā)器作為濕冷系統(tǒng)中關(guān)鍵部件之一，成為業(yè)界和學(xué)者們研究的重點(diǎn)。J. R. Camargo等[8]采用數(shù)值模擬方法研究了空氣-水混合換熱器傳熱傳質(zhì)的性能。A. R. Al-Badri等[9]建立了一種基于直接蒸發(fā)冷卻器中空氣與水熱質(zhì)平衡的數(shù)學(xué)預(yù)測模型，計(jì)算并分析了進(jìn)風(fēng)干球溫度、相對(duì)濕度、水的過冷度和氣水質(zhì)量比等參數(shù)對(duì)其性能的影響。倪春麗等[10]基于Poppe方法，構(gòu)建了空氣和水混合換熱器的數(shù)學(xué)模型，模擬計(jì)算了不同空氣條件和噴淋水量對(duì)換熱器傳熱性能的影響。簡棄非等[11]利用CFD模擬計(jì)算了混合換熱器填料中氣流速度、壓力、溫度和含濕量，得出空氣和水熱質(zhì)傳遞效果最佳時(shí)的填料間距、氣流速度和噴淋流量。

冰漿是一種含有懸浮冰晶粒子的水溶液，溫度和流量相同情況下的冰漿(含冰率5%～20%)載冷能力是冷水的1.8～4.3倍[12]，有良好的流動(dòng)性和相變換熱性能。N. Haruki等[13]采用簡化單相流的方法研究了冰漿在螺旋盤管換熱器中的傳熱系數(shù)，結(jié)果表明，冰漿在層流中的傳熱系數(shù)明顯高于冷水的。S. Renaud-Boivin等[14]實(shí)驗(yàn)研究了冰漿在管殼式換熱器內(nèi)的傳熱特性，結(jié)果表明含冰率為25%的冰漿較冷水的傳熱系數(shù)和傳熱效率分別高33%和18%。但是目前有關(guān)冰漿用于濕冷蒸發(fā)器的研究較少。

本文提出了一種冰漿式濕冷蒸發(fā)器(將動(dòng)態(tài)冰漿噴淋于濕冷蒸發(fā)器的填料上，與經(jīng)過填料的空氣直接接觸進(jìn)行熱質(zhì)交換)，并將其應(yīng)用于小型模擬冷庫。以庫內(nèi)溫度和相對(duì)濕度為指標(biāo)，通過改變填料類型和載冷劑在冷庫空載條件下進(jìn)行了性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并以娃娃菜為冷卻對(duì)象進(jìn)行了負(fù)載預(yù)冷實(shí)驗(yàn)。

1 冰漿式濕冷蒸發(fā)器及工作原理

圖1所示為冰漿式濕冷蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)。主要由外殼、噴淋器、填料3部分組成。填料段尺寸為200 mm×200 mm×300 mm，采用橫流式結(jié)構(gòu)。外殼采用304不銹鋼材質(zhì)；噴淋器采用200 mm×200 mm的淋浴式噴淋頭，噴淋孔孔徑為3 mm，共100個(gè)；選擇金屬、塑料和紙質(zhì)填料(7090普通型，比表面積450 m2/m3)3種常用填料進(jìn)行對(duì)比研究，將軸流風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)安裝于填料段出風(fēng)側(cè)。

冰漿式濕冷蒸發(fā)器的工作原理：空氣在風(fēng)機(jī)作用下進(jìn)入濕冷蒸發(fā)器中，在填料處與由噴淋器噴頭噴淋出的冰漿溶液直接接觸，空氣的熱量傳遞到冰漿中，使冰漿的冰晶粒子融化和部分水分蒸發(fā)，此時(shí)空氣得到高效降溫的同時(shí)，氣液邊界層的飽和水分子自由擴(kuò)散進(jìn)入空氣，空氣經(jīng)過冰漿式濕冷蒸發(fā)器熱濕交換后，變成低溫高濕的狀態(tài)，傳熱傳質(zhì)過程中伴隨有顯熱和潛熱變化。

圖1 冰漿式濕冷蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of humidicooling evaporator with ice-slurry

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖2 冰漿式濕冷蒸發(fā)器預(yù)冷冷庫系統(tǒng)原理Fig.2 The principle of precooling storage system with humidicooling evaporator with ice-slurry

圖2所示為冰漿式濕冷蒸發(fā)器預(yù)冷冷庫系統(tǒng)原理。在封閉的小型模擬冷庫(內(nèi)部尺寸為800 mm×800 mm×900 mm的方形腔體)中，庫內(nèi)空氣在循環(huán)風(fēng)機(jī)的作用下，不斷被引入淋有載冷劑的填料中，經(jīng)過熱濕處理后變成低溫高濕的空氣，與貨物進(jìn)行熱濕交換后回到風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口，完成一個(gè)循環(huán)(如箭頭所示)。為控制噴淋流量不變，實(shí)驗(yàn)中載冷劑不循環(huán)，蓄冰桶(有效容積約為160 L)內(nèi)載冷劑通過水泵泵入噴淋器中，經(jīng)熱質(zhì)交換后在濕冷蒸發(fā)器底部出口處回收；最終庫內(nèi)空氣和貨物被不斷冷卻降溫，直到降低到一定的溫度并保持不變。

2.2 測量參數(shù)及儀表

實(shí)驗(yàn)測量的主要參數(shù)有：濕冷蒸發(fā)器進(jìn)出口空氣溫度和相對(duì)濕度、小型模擬冷庫庫內(nèi)溫度、貨物(娃娃菜)中心溫度和質(zhì)量、噴淋裝置入口載冷劑體積流量。數(shù)據(jù)采集的主要儀器有：溫濕度傳感器、T型熱電偶、體積流量計(jì)。傳感器的信號(hào)傳入安捷倫數(shù)據(jù)采集儀中，再通過數(shù)據(jù)線導(dǎo)入電腦，采用編制的集成采集程序，對(duì)所有的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行采集記錄，稱重用電子計(jì)重器示數(shù)可直接在其自帶的顯示屏上讀出。測量儀器關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 測量儀器關(guān)鍵參數(shù)Tab.1 Key parameters of measuring instruments

2.3 實(shí)驗(yàn)方法及測試工況

實(shí)驗(yàn)方法及步驟：1)配置足夠的冷水(冰漿)放在蓄冰桶內(nèi)。選取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的氯化鈉水溶液，并維持在此時(shí)鹽濃度的冰點(diǎn)溫度，然后將制取的冰晶粒子倒入，并通過攪拌將其混合均勻，制取冰漿，再多次取樣用極細(xì)濾網(wǎng)過濾，將過濾前后的質(zhì)量進(jìn)行比對(duì)[15]，經(jīng)測定所配置的冰漿含冰率為5.2%)；2)實(shí)驗(yàn)開始前，關(guān)緊冷庫庫門，靜置一段時(shí)間，直到多個(gè)測點(diǎn)參數(shù)基本穩(wěn)定(如做負(fù)載實(shí)驗(yàn)，需將貨物稱重后裝入冷庫，并在貨物中心布置好溫度測點(diǎn))；3)開啟水泵并調(diào)節(jié)變頻器，通過流量計(jì)示數(shù)來達(dá)到設(shè)計(jì)流量工況，并使其穩(wěn)定；4)打開循環(huán)風(fēng)機(jī)，通過數(shù)據(jù)采集軟件在線觀察各參數(shù)變化情況，實(shí)驗(yàn)過程中觀察庫內(nèi)溫度、貨物中心溫度、進(jìn)出水(冰漿)溫度、進(jìn)出風(fēng)溫度和濕度等參數(shù)，直到庫內(nèi)溫度或貨物中心溫度穩(wěn)定在±0.5 ℃范圍內(nèi)，結(jié)束實(shí)驗(yàn)(如做負(fù)載實(shí)驗(yàn)，需實(shí)驗(yàn)結(jié)束后立即對(duì)貨物稱重，分析其失重率)。

失重率指實(shí)驗(yàn)結(jié)束后蔬菜質(zhì)量比實(shí)驗(yàn)前減少的量占實(shí)驗(yàn)前蔬菜質(zhì)量的百分比[16]：

失重率=(G0-G)/G0×100%

(1)

式中：G0為樣品預(yù)冷前起始質(zhì)量，kg；G為樣品預(yù)冷后實(shí)測質(zhì)量，kg。

本文通過改變填料類型(金屬、紙質(zhì)、塑料填料)和載冷劑(冷水、冰漿)等參數(shù)以及在空載和帶負(fù)載情況下對(duì)冷庫內(nèi)的濕冷蒸發(fā)器進(jìn)行性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)，具體的實(shí)驗(yàn)測試工況如表2所示。

表2 濕冷蒸發(fā)器在小型冷庫中的測試工況Tab.2 Test conditions of humidicooling evaporator with ice-slurry in small-scale cold storage

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 空載冷庫在不同填料類型下的降溫增濕特性

選取金屬、紙質(zhì)和塑料3種填料，厚度均為200 mm，研究不同填料類型濕冷蒸發(fā)器對(duì)空載冷庫降溫增濕的影響。載冷劑為冷水，噴淋體積流量為150 L/h，庫內(nèi)初始溫度為14 ℃。圖3所示為不同填料類型時(shí)，空載冷庫溫度和相對(duì)濕度隨運(yùn)行時(shí)間的變化。

圖3 不同填料類型時(shí)，空載冷庫溫度和相對(duì)濕度隨運(yùn)行時(shí)間的變化Fig.3 Temperature and relative humidity of no-load cold storage change with running time under different packings

由圖3可知，庫內(nèi)溫度在不同填料類型時(shí)均大幅度降低，30 min內(nèi)庫內(nèi)溫度依次降至2.5、2.8、3.0 ℃，并趨于穩(wěn)定。由于金屬的傳熱性能較好，因此金屬填料填充的濕冷蒸發(fā)器降溫效果最好。以金屬填料為例，將整個(gè)庫內(nèi)降溫過程分為3個(gè)階段(圖3中用虛線劃分)，溫度降至8 ℃為快速降溫階段，溫度降低到4 ℃為第2階段，最終趨于穩(wěn)定階段為第3階段，3個(gè)階段的平均降溫速率分別為3.0、0.4、0.1 ℃/min，可知初期降溫明顯，隨著庫內(nèi)溫度的降低，降溫速率逐漸減小。

庫內(nèi)相對(duì)濕度在不同填料類型時(shí)均先快速降低再逐漸上升，原因是由于風(fēng)機(jī)開啟前(初始時(shí)刻)，噴淋載冷劑使?jié)窭湔舭l(fā)器周邊的空氣被率先潤濕(達(dá)到高濕狀態(tài))；當(dāng)風(fēng)機(jī)開啟后，庫內(nèi)低濕度(約為55%)的空氣進(jìn)入濕冷蒸發(fā)器，相對(duì)濕度先快速降低，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，庫內(nèi)空氣濕度增加，最后均穩(wěn)定在90%以上。但庫內(nèi)相對(duì)濕度到達(dá)90%所用時(shí)間分別為25、20、10 min，可知相對(duì)濕度回升最快的是塑料填料，趨于穩(wěn)定后相對(duì)濕度大小順序：金屬填料<紙質(zhì)填料<塑料填料。原因是不同填料的鎖水能力差異較大，鎖水能力受填料本身材料和結(jié)構(gòu)等因素的影響，鎖水能力強(qiáng)的填料可保留載冷劑中更多的液體，空氣在熱濕交換過程中可獲得更高的濕度。

3.2 空載冷庫在不同載冷劑下的降溫增濕特性

本文分別采用冰漿和冷水作為載冷劑在小型模擬冷庫中進(jìn)行預(yù)冷對(duì)比實(shí)驗(yàn)，控制噴淋體積流量為200 L/h，庫內(nèi)初始溫度約為14 ℃，濕冷蒸發(fā)器用金屬填料填充，其他條件不變。圖4所示為不同載冷劑下，空載冷庫溫度和相對(duì)濕度隨運(yùn)行時(shí)間的變化。

圖4 不同載冷劑下，空載冷庫溫度和相對(duì)濕度隨運(yùn)行時(shí)間的變化Fig.4 Temperature and relative humidity of no-load cold storage change with running time under different coolants

由圖4可知，不同載冷劑下，庫內(nèi)溫度大幅度降低，庫內(nèi)相對(duì)濕度先快速降低再逐漸上升，最后均穩(wěn)定在90%以上。以冷水為載冷劑時(shí)，庫內(nèi)溫度約降至2 ℃，相對(duì)濕度達(dá)到92%；以冰漿為載冷劑時(shí)，庫內(nèi)溫度約降至1.3 ℃(降低了0.7 ℃)，相對(duì)濕度可達(dá)到90%(降低了2%)，且冰漿濕冷蒸發(fā)器的降溫速率比冷水濕冷蒸發(fā)器的降溫速率更快。原因是冰漿的溫度較冷水低，且單位體積制冷量更大，降溫速率較快，因此庫內(nèi)溫度更低。相對(duì)濕度略低的原因是由于冰漿的載流體為氯化鈉鹽溶液，具有一定的吸濕性，空氣不易從氣液邊界層得到水蒸氣分子，導(dǎo)致出風(fēng)相對(duì)濕度略低。

3.3 負(fù)載冷庫在不同載冷劑下的降溫增濕特性

以金屬填料填充的濕冷蒸發(fā)器應(yīng)用于小型模擬冷庫中，控制噴淋體積流量為150 L/h，選擇8顆娃娃菜作為冷卻對(duì)象進(jìn)行負(fù)載預(yù)冷實(shí)驗(yàn)測試。圖5所示為不同載冷劑下，冷庫中蔬菜溫度(中心溫度)隨運(yùn)行時(shí)間的變化。由于娃娃菜在預(yù)冷溫度低于5 ℃時(shí)出現(xiàn)凍害，故預(yù)冷溫度約為5 ℃時(shí)結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

圖5 不同載冷劑下，冷庫中蔬菜溫度隨運(yùn)行時(shí)間的變化Fig.5 The vegetable temperature in cold storage changes with running time under different coolants

由圖5可知，當(dāng)蔬菜初始溫度相同時(shí)，兩種不同載冷劑下，冷庫內(nèi)蔬菜溫度均快速下降，均能滿足樣品蔬菜的預(yù)冷溫度要求。以冷水為載冷劑時(shí)，蔬菜溫度從22 ℃預(yù)冷到5 ℃所需時(shí)間為240 min；以冰漿為載冷劑時(shí)，蔬菜溫度從22 ℃預(yù)冷到5 ℃所需時(shí)間為200 min，較冷水的預(yù)冷時(shí)間縮短了40 min(縮短約1/6)。

冷庫內(nèi)空氣的相對(duì)濕度對(duì)果蔬預(yù)冷效果影響較大[17]。圖6所示為不同載冷劑下，冷庫內(nèi)空氣相對(duì)濕度隨運(yùn)行時(shí)間的變化。

圖6 不同載冷劑下，冷庫內(nèi)空氣相對(duì)濕度隨運(yùn)行時(shí)間的變化Fig.6 The relative humidity of air in cold storage changes with running time under different coolants

由圖6可知，預(yù)冷開始后，不同載冷劑下，冷庫內(nèi)的相對(duì)濕度均可快速達(dá)到90%，并最終趨于穩(wěn)定，一直保持在90%以上，以冰漿為載冷劑的庫內(nèi)空氣相對(duì)濕度較冷水為載冷劑的相對(duì)濕度僅低了約1%。

預(yù)冷前后果蔬的失重率是評(píng)價(jià)果蔬預(yù)冷效果的重要指標(biāo)[18]。因此，按式(1)對(duì)每組負(fù)載實(shí)驗(yàn)前后的樣品蔬菜進(jìn)行失重率計(jì)算。以冷水為載冷劑的實(shí)驗(yàn)：娃娃菜初始質(zhì)量為5 220 g，預(yù)冷后質(zhì)量為5 187 g，減少了33 g，失重率約為0.63%；以冰漿為載冷劑的實(shí)驗(yàn)：娃娃菜初始質(zhì)量為4 765 g，預(yù)冷后質(zhì)量為4 744 g，減少了21 g，失重率約為0.44%，比以冷水為載冷劑的失重率約減小了0.19%。原因是與以冷水為載冷劑的實(shí)驗(yàn)相比，以冰漿為載冷劑時(shí)，庫內(nèi)相對(duì)濕度穩(wěn)定值略低，約為1%。但是以冰漿為載冷劑時(shí)，庫內(nèi)降溫速率比以冷水為載冷劑的快，即縮短了果蔬預(yù)冷時(shí)間。此外，以冰漿為載冷劑的濕冷蒸發(fā)器也能使庫內(nèi)相對(duì)濕度快速達(dá)到該工況下的最高值并維持穩(wěn)定。綜合以上因素，實(shí)現(xiàn)了果蔬的高效預(yù)冷，即冷得快、失水少。

4 結(jié)論

本文提出了冰漿式濕冷蒸發(fā)器并應(yīng)用于小型模擬冷庫。以庫內(nèi)溫度和相對(duì)濕度為指標(biāo)，通過改變填料類型和載冷劑在空載冷庫內(nèi)進(jìn)行了性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并以娃娃菜作為被冷卻對(duì)象進(jìn)行了負(fù)載預(yù)冷實(shí)驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

1)采用金屬和紙質(zhì)填料填充的濕冷蒸發(fā)器降溫速率相當(dāng)，且都比以塑料填料填充的降溫快，趨于穩(wěn)定的庫內(nèi)溫度也更低。庫內(nèi)相對(duì)濕度主要受材料本身結(jié)構(gòu)的影響，庫內(nèi)相對(duì)濕度在3種填料類型下，均可穩(wěn)定在90%以上。

2)采用冰漿和冷水為載冷劑的濕冷蒸發(fā)器均可使庫內(nèi)溫度快速降低，并保持較高的庫內(nèi)相對(duì)濕度?？蛰d冷庫在以冰漿為載冷劑時(shí)的溫度和相對(duì)濕度，比以冷水為載冷劑時(shí)的溫度和相對(duì)濕度分別降低了0.7 ℃、2%。

3)負(fù)載冷庫在以冰漿為載冷劑時(shí)的預(yù)冷時(shí)間，比以冷水為載冷劑時(shí)的預(yù)冷時(shí)間縮短了1/6，且預(yù)冷過程中庫內(nèi)相對(duì)濕度能保持在90%以上，使樣品蔬菜的失重率為0.44%，以冷水為載冷劑時(shí)的失重率減小了0.19%。

4)在本實(shí)驗(yàn)工況下，以冰漿為載冷劑的濕冷蒸發(fā)器可以在冷庫內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，比以冷水為載冷劑的濕冷蒸發(fā)器更高效地實(shí)現(xiàn)預(yù)冷過程的低溫(3～6 ℃)高濕(>90%RH)環(huán)境，適用于果蔬預(yù)冷和保鮮。