血漿速凍柜設計和性能試驗研究

劉發柱，張芳，許仁續，徐桂杰

（大連三洋冷鏈有限公司，遼寧大連 116600）

0 引言

速凍設備研制之前，液氮因其具有優良的物理和化學性能[1]，被用于醫療衛生行業的快速冷凍和保存。速凍制冷設備的研制，國外起步較早，我國的速凍設備研制開始于20世紀80年代。速凍機是使被冷卻物質在低溫環境中快速冷卻的裝置[2]，廣泛應用于醫療領域和食品領域，按照冷卻的類型，速凍機分為風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散熱量大等問題，本文結合國內制冷設備生產廠商的生產工藝特點，自制一種強制風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，蒸發器的蒸發溫度達到-50℃以下[6]，冷卻風機將冷量快速傳遞分散到箱內，使箱內溫度迅速降低。

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，特別是不穩定的凝血因子[7]。其主要作用是運輸人體內所需的營養成分和排出的物質，并具有抗凝血功能。

1.2 血漿速凍

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

2 制冷系統的設計

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。

箱體的傳熱系數計算公式為：

式中：

aw——箱體外空氣對箱體外表面的傳熱系數，W/(m2·K)；

an——箱體內表面對箱體內空氣的傳熱系數，W/(m2·K)；

δ ——隔熱層厚度，m；

λ ——隔熱層的導熱系數,硬質聚氨酯發泡的導熱系數λ取 0.018 W/(m2·K)。

箱體結構的漏熱量計算公式為：

式中：

k1——箱體的傳熱系數；

A1——箱體的傳熱面積，m2；

a ——修正系數；

tw——環境溫度，℃；

tn——箱內溫度，℃。

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

式中：

W ——凍結血漿的質量；

C1——凍結前血漿的比熱；

C2——凍結后血漿的比熱；

T ——冷卻時間；

Δt ——冷卻溫差；

h ——血漿的冷卻潛熱。

總熱負荷：

2.2 蒸發器的設計和機組的選擇

蒸發器的制冷量Q為3834.1 W。

選定蒸發器的結構參數：

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n=6。[10]

蒸發器所需的換熱面積：

式中：

K——基于蒸發器外表面積的換熱系數，K取58 W/(m2·K)；

Δt——柜內溫度與蒸發溫度差，取為10℃。

蒸發器幾何參數：

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：

蒸發器所需傳熱管長度：

取蒸發器寬為 B=330 mm，高 H=762 mm，迎風面積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：

傳熱管的實際總長：

參考蒸發器設計的各項參數，選擇型號為FE031-4DA.0C.A7型風機，其功率為0.12 kW，轉速為1410 r/min。

根據制冷量要求，選擇某公司型號為CMU-50MSN的一體式機組。

3 試驗研究與數據分析

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，并對數據進行分析探討。

3.1 試驗裝置

本文所研究的血漿速凍柜尺寸內部尺寸為490 mm×600 mm×1140 mm,內容積為 330 L,內部擱架分為四層。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的熱量排放。冷凍箱體由發泡箱體、門組合、蒸發器、冷卻風機及擱架等部件組成。根據到血漿速凍的溫度、凍結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

根據速凍柜箱體結構特性，箱內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

試驗環境30℃，箱內無負荷，溫控器短路，機組持續運轉。試驗過程中記錄了相關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。而蒸發器入口最低溫度-58.42℃，蒸發器出口最低溫度-49.38℃，蒸發器換熱溫差約為10℃，同時也滿足設計要求。

3.3 實負荷降溫速度試驗

試驗環境 30℃，箱內放置負荷，溫控器設定-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。由實驗數據可知，每層左側和右側溫度較低，中間溫度較高，原因是中間點處于冷卻風機扇葉中心，風量較小，導致冷卻速度慢，溫度較高；兩側處于冷卻風機扇葉邊緣，風量較大，冷卻速度快，所以溫度較低。速凍箱內溫度從上到下逐漸升高，主要是因為冷卻風機安裝在箱體上部，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，導致冷卻空氣無法充分冷卻，所以速凍速度變慢。

4 結論

通過對速凍柜的試驗研究，并對實驗結果的分析可知，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機直吹到被冷卻的血漿袋。本文所設計的血漿速凍柜制冷性能基本滿足血漿速凍要求。

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