水冷管式換熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與性能研究

楊雷(山西太原市陽(yáng)煤化工機(jī)械（集團(tuán)）有限公司)

普通機(jī)械冷庫(kù)在工作時(shí)相應(yīng)的半冷時(shí)間長(zhǎng)。為了增加對(duì)濕度，普通機(jī)械冷庫(kù)通常采用微量噴霧來(lái)防止蔬菜脫水。但在噴霧過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致冷庫(kù)內(nèi)形成大小不一的水滴，這些水珠附著于果蔬表面，果蔬出現(xiàn)水漬狀凹斑和萎縮，導(dǎo)致細(xì)菌繁殖，進(jìn)一步造成果蔬腐爛變質(zhì)。為了解決上述問(wèn)題，改進(jìn)的方法是采用濕冷空氣入庫(kù)進(jìn)行果蔬的濕冷保鮮。本文以果蔬保鮮為研究對(duì)象，采用濕冷庫(kù)系統(tǒng)研究水冷管式換熱器的設(shè)計(jì)和計(jì)算方法，為今后的普及和推廣應(yīng)用提供有效依據(jù)。

1 計(jì)算方法

1.1 貨架降溫速率

濕冷庫(kù)中的貨架采用的是不銹鋼材質(zhì)，不銹鋼貨架的質(zhì)量為30kg，相應(yīng)的比熱容數(shù)值大小為0.5kJ/(kg·K)，可以計(jì)算得出對(duì)濕冷庫(kù)中的不銹鋼貨架的降溫速率(Q2)為0.0375kW。此計(jì)算結(jié)果未考慮其他熱量損失。

1.2 濕冷庫(kù)庫(kù)體的冷量損失速率

在濕冷庫(kù)中通常采取PS材料作為庫(kù)體的保溫材料，PS即聚苯乙烯。絕熱泡沫PS的厚度為0.2m，PS泡沫的導(dǎo)熱系數(shù)為0.06W/(m·K)，保溫封裝用PS的長(zhǎng)、寬、高分別為2.5×2.5×2m。根據(jù)表面積計(jì)算公式得出濕冷庫(kù)的庫(kù)體表面積為28m2。最好計(jì)算得出庫(kù)體導(dǎo)熱引起的冷量損失速率(Q3)為0.190kW。此計(jì)算結(jié)果未考慮其他熱量損失。

1.3 換熱總速率的計(jì)算

水冷管式換熱器制冷機(jī)的冷凍工作條件如下:冷凝溫度為35℃，制冷劑的制冷溫度為2℃。最后計(jì)算得出水冷管式換熱器在標(biāo)準(zhǔn)工作狀況下其制冷量達(dá)到0.63kW。因此按此計(jì)算結(jié)果可以選用合適的制冷機(jī)(制冷機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)制冷量不應(yīng)低于上述計(jì)算結(jié)果0.63kW)來(lái)進(jìn)行果蔬的制冷保鮮。此計(jì)算結(jié)果未考慮其他熱量損失。

2 換熱器填料高度的計(jì)算

根據(jù)傳遞速率方程，濕冷換熱器的填料高度計(jì)算公式為：

傳遞速率方程表示傳遞體系溫度、焓變、溫度差與傳遞速率之間的定量關(guān)系。其中Ha表示氣相傳質(zhì)系數(shù)，kg/(m3·h)，G表示濕冷系統(tǒng)中空氣流速，kg/(m2·h)k，I表示濕空氣的焓，kJ/kg，Nf表示傳遞單元數(shù)，Hf表示濕冷系統(tǒng)傳遞單元高度，m，Ie表示飽和濕空氣的焓，I1表示濕冷系統(tǒng)換熱器底部中濕空氣產(chǎn)生的焓變，I2表示濕冷系統(tǒng)換熱器頂部濕空氣產(chǎn)生的焓變。濕空氣平均比熱容C=1.021kJ/(kg·K)，濕空氣進(jìn)出口溫度差Δt=2℃，最后計(jì)算得出濕空氣絕干空氣的質(zhì)量流量mg為0.612kg/s。此計(jì)算公式未考慮其他熱量損失。

3 濕冷系統(tǒng)試驗(yàn)

本文基于上述設(shè)計(jì)思路和實(shí)際計(jì)算結(jié)果，構(gòu)建出一套水冷管式換熱器冷凍保鮮系統(tǒng)。分別測(cè)試此水冷管式換熱器冷凍保鮮系統(tǒng)在不同狀態(tài)時(shí)的儀器參數(shù)，包括在剛開機(jī)和開機(jī)后的2.5h后的水箱溫度以及空氣的溫濕度等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

在本實(shí)驗(yàn)中，實(shí)際選用的制冷機(jī)的制冷功率在0.5kW以上，再加上水冷管式換熱器制冷體系中使用的循環(huán)水是低濃度的鹽水，因而水箱水溫和庫(kù)內(nèi)空氣溫度逐漸下降。研究數(shù)據(jù)表明，水冷管式換熱器冷凍體系中的庫(kù)內(nèi)的空氣流量、填料高度、水箱中的水流量是決定庫(kù)內(nèi)空氣狀態(tài)的主要參數(shù)，其調(diào)節(jié)目的是達(dá)到運(yùn)行安全，提高冷管式換熱器制冷系統(tǒng)的可靠性。

研究數(shù)據(jù)顯示，濕冷庫(kù)的預(yù)冷效果優(yōu)于普通冷庫(kù)。在設(shè)置好的工作狀態(tài)下，水冷管式換熱器的工作功率完全能夠抵消實(shí)際產(chǎn)生的熱量，因而使得水冷管式換熱器在工作時(shí)處于最佳的運(yùn)行狀態(tài)。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的水冷管式換熱器進(jìn)行了多種果蔬的保鮮保質(zhì)試驗(yàn)。

為了驗(yàn)證水冷管式換熱器對(duì)多種果蔬都具有保質(zhì)保鮮作用，因而采用經(jīng)改進(jìn)后的水冷管式換熱器進(jìn)行了獼猴桃的預(yù)冷試驗(yàn)。綜上所述，本文設(shè)計(jì)出的水冷管式換熱器冷凍系統(tǒng)對(duì)獼猴桃具有明顯的保鮮保質(zhì)作用。

4 結(jié)語(yǔ)

在果蔬的冷凍保鮮過(guò)程中，對(duì)于提高水冷管式換熱器殼體的使用承載能力，防止果蔬出現(xiàn)水漬狀凹斑和萎縮導(dǎo)致細(xì)菌繁殖有積極的作用,從而為水冷管式換熱器的設(shè)計(jì)制造、實(shí)際使用和后期維護(hù)、延長(zhǎng)使用壽命的關(guān)鍵技術(shù)研究提供了有益的指導(dǎo)。水冷管式換熱器尤其適用于新鮮果蔬采摘之后的預(yù)冷環(huán)節(jié)，對(duì)于新鮮果蔬的保質(zhì)保鮮也有一定的使用效果和意義。水冷管式換熱器不久將迎來(lái)豐碩的市場(chǎng)前景。

[1]張曉彥，劉偉民.國(guó)內(nèi)外果蔬涂膜技術(shù)動(dòng)態(tài).食品科技，2000(6):2-3.

[2]時(shí)鈞，汪家鼎，余國(guó)宗等.化學(xué)工程手冊(cè)(上卷).北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1996.