果蔬運輸液氮充注氣調(diào)汽化器的設(shè)計與試驗

侯可明　王廣海　李慶　陸華忠　呂恩利

摘要：為了提高液氮充注式氣調(diào)保鮮運輸裝備的氣調(diào)效果，設(shè)計了液氮充注式汽化器，搭建了液氮汽化試驗平臺，通過改變汽化器翅片間距、迎面風(fēng)速進行液氮充注試驗，分析不同翅片間距、迎面風(fēng)速對汽化器出口溫度、壁面溫度和結(jié)霜量的影響。結(jié)果表明：迎面風(fēng)速越大，換熱效果越好，出口溫度越高，結(jié)霜厚度越小；汽化器迎面風(fēng)速對壁面溫度、出口溫度的影響權(quán)重高于翅片間距；當(dāng)汽化器迎面風(fēng)速為0 m/s時，翅片間距越大，出口溫度、壁面溫度越高，換熱效果越好；當(dāng)汽化器迎面風(fēng)速為0.8 m/s時，翅片間距越小，結(jié)霜速度越慢，出口溫度、壁面溫度越高，換熱效果越好。試驗結(jié)果為氣調(diào)保鮮運輸裝備的進一步開發(fā)設(shè)計提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：汽化器；翅片間距；迎面風(fēng)速；溫度；結(jié)霜

中圖分類號：S229 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1002—1302（2016）01—0386—03

液氮充注式氣調(diào)方式是國內(nèi)外較為先進的果蔬保鮮貯藏和運輸技術(shù)，具有效率高、成本低等優(yōu)點。但是液氮自身溫度較低，為了防止液氮充注式氣調(diào)對果蔬產(chǎn)生低溫傷害，在氣調(diào)過程中必須采用汽化器對液氮進行汽化。文獻(xiàn)[7-9]對汽化器的傳熱和結(jié)霜特性進行了分析和研究；文獻(xiàn)[10-14]分析了蒸發(fā)器的結(jié)霜和傳熱性能，而針對液氮汽化器設(shè)計和特性研究的相關(guān)文獻(xiàn)較少，因此有必要進一步對液氮汽化器的設(shè)計和試驗進行深入分析。本研究主要結(jié)合氣調(diào)保鮮運輸需求設(shè)計液氮充注式汽化器，并研究該汽化器在不同翅片間距、不同迎面風(fēng)速下對應(yīng)的溫度分布和結(jié)霜特性，為氣調(diào)保鮮運輸裝備的進一步開發(fā)設(shè)計提供參考。

1材料與方法

1.1試驗平臺

試驗平臺如圖1所示，試驗支架由鋁合金材料搭建而成，直流風(fēng)機（型號YM2420AXB1，最大流量16.84m³/min）由脈寬調(diào)速器控制，汽化器表面風(fēng)速由熱線式風(fēng)速儀（型號testo425，量程0～20 m/s，精度±0.03 m/s）進行測量，溫度用PT100溫度傳感器（測量范圍：-200～500℃，精度為±0.15℃）進行采集，用無紙記錄儀記錄各傳感器數(shù)值（數(shù)據(jù)記錄頻率1次/s），同時顯示并存儲于計算機內(nèi)。液氮罐（型號YDZ-100，最大出液壓力為0.09 MPa，容積為100 L）增壓電磁閥工作使罐內(nèi)出液壓力迅速達(dá)到并穩(wěn)定在0.09 MPa，出液電磁閥工作實現(xiàn)液氮充注。在汽化器出氣口處放置1個PT100溫度傳感器，并在汽化器壁面均勻放置4個PT100溫度傳感器。汽化器結(jié)霜厚度用木質(zhì)刻度尺（精度0.5 mm）進行測量，并通過相機定時記錄汽化器結(jié)霜狀況。

1.2汽化器的設(shè)計

如圖2所示，液氮充注式汽化器主要由盤管、翅片、進液管、出氣管和兩端的端板組成，通過機械脹管的方式在盤管的基礎(chǔ)上加裝翅片，以增大傳熱面積、提高汽化器的換熱效果，使液氮能夠得到更好的汽化。汽化器的結(jié)構(gòu)參數(shù)：管束選用直徑9.5 mm的紫銅管，單根管長850 mm，總管數(shù)為16根，沿空氣流動方向的管排數(shù)為2，管束按正三角形叉排排列；翅片為平翅片，翅片長度200 mm，寬45 mm，厚度0.3 mm；根據(jù)試驗需要，按翅片間距不同共設(shè)計加工了4套汽化器，其翅片間距分別為4、5、6、7 mm。

2結(jié)果與分析

試驗在室內(nèi)進行，環(huán)境溫度為（16±1）℃，相對濕度為（65±5）%。以汽化器翅片間距、迎面風(fēng)速為試驗因素，連接好液氮罐，開啟出液電磁閥、增壓電磁閥進行液氮充注試驗。每組試驗持續(xù)進行30 min，用無紙記錄儀將溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)記錄并保存在計算機中，結(jié)霜厚度每30 s拍照并記錄1次。

汽化器迎面風(fēng)速的測定：在汽化器表面均勻布置30個測點，每個測點通過熱線式風(fēng)速儀讀取3個風(fēng)速值，最后對所有風(fēng)速值取平均值，作為其迎面風(fēng)速。

汽化器壁溫的測定：在汽化器表面均勻布置4個溫度測點，取4個壁面溫度的平均值來表征汽化器的壁面溫度。

汽化器翅片結(jié)霜厚度的測定：在汽化器上表面均勻布置3個厚度測點，每個測點重復(fù)測量5次，取其平均值作為該測點的結(jié)霜厚度。

2.1溫度的分布特性

取翅片間距為5 mm的汽化器，測量其在不同迎面風(fēng)速下的液氮出口溫度、壁面溫度，試驗結(jié)果見圖3、圖4。

從圖3、圖4可以看出，迎面風(fēng)速對汽化器壁面溫度的影響較大，當(dāng)風(fēng)速為0 m/s時，汽化器表面結(jié)霜較為嚴(yán)重，換熱效果差，試驗結(jié)束時液氮出口溫度低至-60℃，壁面平均溫度低至-56℃；當(dāng)迎面風(fēng)速為0.4 m/s時，試驗結(jié)束時液氮出口溫度、壁面平均溫度比風(fēng)速為0 m/s時高，分別為3.9、-18.4℃；當(dāng)迎面風(fēng)速分別升至0.8、1.2、1.6 m/s時，試驗結(jié)束時液氮出口溫度、壁面平均溫度均有不同程度的升高，但隨著風(fēng)速的增大，液氮出口溫度、壁面平均溫度的增量逐漸減小，當(dāng)風(fēng)速為1.2、1.6 m/s時，液氮出口溫度相差較少且接近室溫。因此，液氮汽化效果隨著汽化器迎面風(fēng)速的增大而越趨良好。

分別設(shè)置汽化器迎面風(fēng)速為0、0.8 m/s，選取不同翅片間距汽化器進行試驗，試驗結(jié)果見圖5、圖6。

從圖5、圖6可以看出，當(dāng)迎面風(fēng)速為0m/s時，汽化器表面結(jié)霜嚴(yán)重，出口溫度、壁面溫度的總體趨勢是隨著翅片間距的增大而升高，即翅片間距越大，換熱性能越好。原因是翅片間距越小結(jié)霜越嚴(yán)重，換熱面積越小，結(jié)霜造成的熱阻也越大，換熱性能也就越差，所以壁面溫度、出口溫度總體偏低。當(dāng)迎面風(fēng)速為0.8 m/s時，汽化器表面結(jié)霜量較少，出口溫度、壁面溫度的總體趨勢是隨著翅片間距的增大而降低，其中壁面溫度的變化趨勢較為明顯，出口溫度的變化較小。原因是汽化器迎面風(fēng)速高，致使表面結(jié)霜量減小，結(jié)霜造成的熱阻也減小，翅片間距越小、翅片數(shù)目越多，換熱面積越大，換熱性能越好，所以壁面溫度及出口溫度總體偏高。因此，汽化器迎面風(fēng)速對壁面溫度、出口溫度的影響權(quán)重高于翅片間距。

2.2結(jié)霜特性

取翅片間距為5 mm的汽化器，測定其在不同迎面風(fēng)速下對應(yīng)的結(jié)霜厚度，結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，汽化器在不同迎面風(fēng)速下結(jié)霜量均隨時間推移呈現(xiàn)增大趨勢，但對應(yīng)的結(jié)霜速率存在明顯差異。當(dāng)風(fēng)速為0 m/s時結(jié)霜最為嚴(yán)重，隨著迎面風(fēng)速的增大，結(jié)霜厚度變化逐漸減小，整體趨勢是風(fēng)速越大，結(jié)霜厚度變化越小。

取不同翅片間距的汽化器，測其在迎面風(fēng)速分別為0、0.8 m/s時對應(yīng)的結(jié)霜厚度，試驗結(jié)果如圖8、圖9、表1所示。

由圖8可以看出，當(dāng)汽化器迎面風(fēng)速為0 m/s時，在試驗的前半部分，結(jié)霜速率隨翅片間距增大而降低；在試驗的后半部分，結(jié)霜速率隨著翅片間距增大而升高。由圖9可以看出，當(dāng)汽化器迎面風(fēng)速為0.8 m/s時，整個試驗過程中汽化器結(jié)霜速率隨著翅片間距增大而升高。由表1可以看出，當(dāng)汽化器迎面風(fēng)速為0 m/s時，翅片間距為4 mm的汽化器開始結(jié)霜、結(jié)霜布滿翅片的時間均最早，分別為3.0、11.0 min，而翅片間距為7 mm的汽化器開始結(jié)霜、結(jié)霜布滿翅片的時間均最遲，分別為5.0、23.0 min。試驗過程中從汽化器開始結(jié)霜到結(jié)霜布滿翅片的耗時隨著翅片間距增大而增加，原因是當(dāng)汽化器迎面風(fēng)速較低時，翅片間距小的汽化器更容易結(jié)霜，致使結(jié)霜熱阻增大，影響汽化器的換熱能力，加快結(jié)霜速率；當(dāng)汽化器結(jié)霜厚度超過一定值時，結(jié)霜熱阻的影響因素降低，翅片間距小的汽化器換熱面積較大，提高熱交換效果，降低結(jié)霜速率。當(dāng)汽化器迎面風(fēng)速較高時，翅片間距越大，換熱面積越小，換熱性能越差，致使結(jié)霜速率升高。

3討論與結(jié)論

為了提高液氮充注式氣調(diào)保鮮運輸裝備的氣調(diào)效果，設(shè)計液氮充注式汽化器，通過搭建液氮汽化試驗平臺，選擇汽化器翅片間距和迎面風(fēng)速為試驗因素，針對溫度分布特性和結(jié)霜特性進行液氮充注試驗，結(jié)果表明：（1）相同翅片間距的汽化器，其迎面風(fēng)速越大，換熱效果越好，出口溫度越高，結(jié)霜厚度越小。（2）汽化器迎面風(fēng)速對壁面溫度和出口溫度的影響權(quán)重高于翅片間距。（3）當(dāng)汽化器迎面風(fēng)速為0m/s時，翅片間距越大，開始結(jié)霜的時刻越晚，汽化器出口及壁面溫度越高，汽化器換熱效果越好；當(dāng)汽化器迎面風(fēng)速為0.8m/s時，翅片間距越小，結(jié)霜速度越慢，結(jié)霜造成的風(fēng)阻及熱阻也越小，且換熱面積越大，使其換熱效果越好，出口溫度、壁面溫度也越高。