水冷管式換熱系統的設計與性能研究

楊雷(山西太原市陽煤化工機械（集團）有限公司)

普通機械冷庫在工作時相應的半冷時間長。為了增加對濕度，普通機械冷庫通常采用微量噴霧來防止蔬菜脫水。但在噴霧過程中會導致冷庫內形成大小不一的水滴，這些水珠附著于果蔬表面，果蔬出現水漬狀凹斑和萎縮，導致細菌繁殖，進一步造成果蔬腐爛變質。為了解決上述問題，改進的方法是采用濕冷空氣入庫進行果蔬的濕冷保鮮。本文以果蔬保鮮為研究對象，采用濕冷庫系統研究水冷管式換熱器的設計和計算方法，為今后的普及和推廣應用提供有效依據。

1 計算方法

1.1 貨架降溫速率

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

1.2 濕冷庫庫體的冷量損失速率

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

1.3 換熱總速率的計算

水冷管式換熱器制冷機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℃。最后計算得出水冷管式換熱器在標準工作狀況下其制冷量達到0.63kW。因此按此計算結果可以選用合適的制冷機(制冷機的標準制冷量不應低于上述計算結果0.63kW)來進行果蔬的制冷保鮮。此計算結果未考慮其他熱量損失。

2 換熱器填料高度的計算

根據傳遞速率方程，濕冷換熱器的填料高度計算公式為：

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系。其中Ha表示氣相傳質系數，kg/(m3·h)，G表示濕冷系統中空氣流速，kg/(m2·h)k，I表示濕空氣的焓，kJ/kg，Nf表示傳遞單元數，Hf表示濕冷系統傳遞單元高度，m，Ie表示飽和濕空氣的焓，I1表示濕冷系統換熱器底部中濕空氣產生的焓變，I2表示濕冷系統換熱器頂部濕空氣產生的焓變。濕空氣平均比熱容C=1.021kJ/(kg·K)，濕空氣進出口溫度差Δt=2℃，最后計算得出濕空氣絕干空氣的質量流量mg為0.612kg/s。此計算公式未考慮其他熱量損失。

3 濕冷系統試驗

本文基于上述設計思路和實際計算結果，構建出一套水冷管式換熱器冷凍保鮮系統。分別測試此水冷管式換熱器冷凍保鮮系統在不同狀態時的儀器參數，包括在剛開機和開機后的2.5h后的水箱溫度以及空氣的溫濕度等實驗數據。

在本實驗中，實際選用的制冷機的制冷功率在0.5kW以上，再加上水冷管式換熱器制冷體系中使用的循環水是低濃度的鹽水，因而水箱水溫和庫內空氣溫度逐漸下降。研究數據表明，水冷管式換熱器冷凍體系中的庫內的空氣流量、填料高度、水箱中的水流量是決定庫內空氣狀態的主要參數，其調節目的是達到運行安全，提高冷管式換熱器制冷系統的可靠性。

研究數據顯示，濕冷庫的預冷效果優于普通冷庫。在設置好的工作狀態下，水冷管式換熱器的工作功率完全能夠抵消實際產生的熱量，因而使得水冷管式換熱器在工作時處于最佳的運行狀態。經過改進后的水冷管式換熱器進行了多種果蔬的保鮮保質試驗。

為了驗證水冷管式換熱器對多種果蔬都具有保質保鮮作用，因而采用經改進后的水冷管式換熱器進行了獼猴桃的預冷試驗。綜上所述，本文設計出的水冷管式換熱器冷凍系統對獼猴桃具有明顯的保鮮保質作用。

4 結語

在果蔬的冷凍保鮮過程中，對于提高水冷管式換熱器殼體的使用承載能力，防止果蔬出現水漬狀凹斑和萎縮導致細菌繁殖有積極的作用,從而為水冷管式換熱器的設計制造、實際使用和后期維護、延長使用壽命的關鍵技術研究提供了有益的指導。水冷管式換熱器尤其適用于新鮮果蔬采摘之后的預冷環節，對于新鮮果蔬的保質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豐碩的市場前景。

[1]張曉彥，劉偉民.國內外果蔬涂膜技術動態.食品科技，2000(6):2-3.

[2]時鈞，汪家鼎，余國宗等.化學工程手冊(上卷).北京:化學工業出版社，1996.