預冷冷庫內冰漿式濕冷蒸發器的性能實驗研究

(上海理工大學制冷與低溫工程研究所 上海 200093)

中國是果蔬生產大國，但90%以上的果蔬為初級產品，采后腐損率達25%～30%，有的果蔬高達50%[1]。隨著生活水平的提高，人們對果蔬品質的要求越來越高，促使果蔬冷鏈技術不斷發展[2]。預冷作為整個冷鏈環節中的第一步，對維持果蔬品質方面發揮著極其重要的作用[3]，它可使采摘后的果蔬在運輸之前，迅速降低呼吸作用和減少水分蒸發，從而延長貯藏時間[4]。在現有的預冷方式中，濕冷預冷由于對含水量大、水分易于散失的果蔬、花卉等的保鮮具有突出的優勢，備受青睞[5]。濕冷預冷的原理是在濕冷蒸發器(又稱混合換熱器)內空氣和冷水的直接接觸實現熱質交換，獲得低溫高濕的空氣，再經過強制通風與入庫的果蔬進行換熱，使之在較短的時間內得到冷卻[6-7]。

濕冷蒸發器作為濕冷系統中關鍵部件之一，成為業界和學者們研究的重點。J. R. Camargo等[8]采用數值模擬方法研究了空氣-水混合換熱器傳熱傳質的性能。A. R. Al-Badri等[9]建立了一種基于直接蒸發冷卻器中空氣與水熱質平衡的數學預測模型，計算并分析了進風干球溫度、相對濕度、水的過冷度和氣水質量比等參數對其性能的影響。倪春麗等[10]基于Poppe方法，構建了空氣和水混合換熱器的數學模型，模擬計算了不同空氣條件和噴淋水量對換熱器傳熱性能的影響。簡棄非等[11]利用CFD模擬計算了混合換熱器填料中氣流速度、壓力、溫度和含濕量，得出空氣和水熱質傳遞效果最佳時的填料間距、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，結果表明，冰漿在層流中的傳熱系數明顯高于冷水的。S. Renaud-Boivin等[14]實驗研究了冰漿在管殼式換熱器內的傳熱特性，結果表明含冰率為25%的冰漿較冷水的傳熱系數和傳熱效率分別高33%和18%。但是目前有關冰漿用于濕冷蒸發器的研究較少。

本文提出了一種冰漿式濕冷蒸發器(將動態冰漿噴淋于濕冷蒸發器的填料上，與經過填料的空氣直接接觸進行熱質交換)，并將其應用于小型模擬冷庫。以庫內溫度和相對濕度為指標，通過改變填料類型和載冷劑在冷庫空載條件下進行了性能對比實驗，并以娃娃菜為冷卻對象進行了負載預冷實驗。

1 冰漿式濕冷蒸發器及工作原理

圖1所示為冰漿式濕冷蒸發器的結構。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，采用橫流式結構。外殼采用304不銹鋼材質；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；選擇金屬、塑料和紙質填料(7090普通型，比表面積450 m2/m3)3種常用填料進行對比研究，將軸流風機設計安裝于填料段出風側。

冰漿式濕冷蒸發器的工作原理：空氣在風機作用下進入濕冷蒸發器中，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，此時空氣得到高效降溫的同時，氣液邊界層的飽和水分子自由擴散進入空氣，空氣經過冰漿式濕冷蒸發器熱濕交換后，變成低溫高濕的狀態，傳熱傳質過程中伴隨有顯熱和潛熱變化。

圖1 冰漿式濕冷蒸發器的結構Fig.1 The structure of humidicooling evaporator with ice-slurry

2 實驗系統

2.1 實驗裝置

圖2 冰漿式濕冷蒸發器預冷冷庫系統原理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器預冷冷庫系統原理。在封閉的小型模擬冷庫(內部尺寸為800 mm×800 mm×900 mm的方形腔體)中，庫內空氣在循環風機的作用下，不斷被引入淋有載冷劑的填料中，經過熱濕處理后變成低溫高濕的空氣，與貨物進行熱濕交換后回到風機進風口，完成一個循環(如箭頭所示)。為控制噴淋流量不變，實驗中載冷劑不循環，蓄冰桶(有效容積約為160 L)內載冷劑通過水泵泵入噴淋器中，經熱質交換后在濕冷蒸發器底部出口處回收；最終庫內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 測量參數及儀表

實驗測量的主要參數有：濕冷蒸發器進出口空氣溫度和相對濕度、小型模擬冷庫庫內溫度、貨物(娃娃菜)中心溫度和質量、噴淋裝置入口載冷劑體積流量。數據采集的主要儀器有：溫濕度傳感器、T型熱電偶、體積流量計。傳感器的信號傳入安捷倫數據采集儀中，再通過數據線導入電腦，采用編制的集成采集程序，對所有的數據信號進行采集記錄，稱重用電子計重器示數可直接在其自帶的顯示屏上讀出。測量儀器關鍵參數如表1所示。

表1 測量儀器關鍵參數Tab.1 Key parameters of measuring instruments

2.3 實驗方法及測試工況

實驗方法及步驟：1)配置足夠的冷水(冰漿)放在蓄冰桶內。選取質量分數為3%的氯化鈉水溶液，并維持在此時鹽濃度的冰點溫度，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，再多次取樣用極細濾網過濾，將過濾前后的質量進行比對[15]，經測定所配置的冰漿含冰率為5.2%)；2)實驗開始前，關緊冷庫庫門，靜置一段時間，直到多個測點參數基本穩定(如做負載實驗，需將貨物稱重后裝入冷庫，并在貨物中心布置好溫度測點)；3)開啟水泵并調節變頻器，通過流量計示數來達到設計流量工況，并使其穩定；4)打開循環風機，通過數據采集軟件在線觀察各參數變化情況，實驗過程中觀察庫內溫度、貨物中心溫度、進出水(冰漿)溫度、進出風溫度和濕度等參數，直到庫內溫度或貨物中心溫度穩定在±0.5 ℃范圍內，結束實驗(如做負載實驗，需實驗結束后立即對貨物稱重，分析其失重率)。

失重率指實驗結束后蔬菜質量比實驗前減少的量占實驗前蔬菜質量的百分比[16]：

失重率=(G0-G)/G0×100%

(1)

式中：G0為樣品預冷前起始質量，kg；G為樣品預冷后實測質量，kg。

本文通過改變填料類型(金屬、紙質、塑料填料)和載冷劑(冷水、冰漿)等參數以及在空載和帶負載情況下對冷庫內的濕冷蒸發器進行性能對比實驗，具體的實驗測試工況如表2所示。

表2 濕冷蒸發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 實驗結果與分析

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器對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，庫內初始溫度為14 ℃。圖3所示為不同填料類型時，空載冷庫溫度和相對濕度隨運行時間的變化。

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

由圖3可知，庫內溫度在不同填料類型時均大幅度降低，30 min內庫內溫度依次降至2.5、2.8、3.0 ℃，并趨于穩定。由于金屬的傳熱性能較好，因此金屬填料填充的濕冷蒸發器降溫效果最好。以金屬填料為例，將整個庫內降溫過程分為3個階段(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，最終趨于穩定階段為第3階段，3個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，隨著庫內溫度的降低，降溫速率逐漸減小。

庫內相對濕度在不同填料類型時均先快速降低再逐漸上升，原因是由于風機開啟前(初始時刻)，噴淋載冷劑使濕冷蒸發器周邊的空氣被率先潤濕(達到高濕狀態)；當風機開啟后，庫內低濕度(約為55%)的空氣進入濕冷蒸發器，相對濕度先快速降低，隨著運行時間的增加，庫內空氣濕度增加，最后均穩定在90%以上。但庫內相對濕度到達90%所用時間分別為25、20、10 min，可知相對濕度回升最快的是塑料填料，趨于穩定后相對濕度大小順序：金屬填料<紙質填料<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構等因素的影響，鎖水能力強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行預冷對比實驗，控制噴淋體積流量為200 L/h，庫內初始溫度約為14 ℃，濕冷蒸發器用金屬填料填充，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濕度隨運行時間的變化。

圖4 不同載冷劑下，空載冷庫溫度和相對濕度隨運行時間的變化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，庫內溫度大幅度降低，庫內相對濕度先快速降低再逐漸上升，最后均穩定在90%以上。以冷水為載冷劑時，庫內溫度約降至2 ℃，相對濕度達到92%；以冰漿為載冷劑時，庫內溫度約降至1.3 ℃(降低了0.7 ℃)，相對濕度可達到90%(降低了2%)，且冰漿濕冷蒸發器的降溫速率比冷水濕冷蒸發器的降溫速率更快。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，因此庫內溫度更低。相對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，導致出風相對濕度略低。

3.3 負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器應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象進行負載預冷實驗測試。圖5所示為不同載冷劑下，冷庫中蔬菜溫度(中心溫度)隨運行時間的變化。由于娃娃菜在預冷溫度低于5 ℃時出現凍害，故預冷溫度約為5 ℃時結束實驗。

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

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

冷庫內空氣的相對濕度對果蔬預冷效果影響較大[17]。圖6所示為不同載冷劑下，冷庫內空氣相對濕度隨運行時間的變化。

圖6 不同載冷劑下，冷庫內空氣相對濕度隨運行時間的變化Fig.6 The relative humidity of air in cold storage changes with running time under different coolants

由圖6可知，預冷開始后，不同載冷劑下，冷庫內的相對濕度均可快速達到90%，并最終趨于穩定，一直保持在90%以上，以冰漿為載冷劑的庫內空氣相對濕度較冷水為載冷劑的相對濕度僅低了約1%。

預冷前后果蔬的失重率是評價果蔬預冷效果的重要指標[18]。因此，按式(1)對每組負載實驗前后的樣品蔬菜進行失重率計算。以冷水為載冷劑的實驗：娃娃菜初始質量為5 220 g，預冷后質量為5 187 g，減少了33 g，失重率約為0.63%；以冰漿為載冷劑的實驗：娃娃菜初始質量為4 765 g，預冷后質量為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驗相比，以冰漿為載冷劑時，庫內相對濕度穩定值略低，約為1%。但是以冰漿為載冷劑時，庫內降溫速率比以冷水為載冷劑的快，即縮短了果蔬預冷時間。此外，以冰漿為載冷劑的濕冷蒸發器也能使庫內相對濕度快速達到該工況下的最高值并維持穩定。綜合以上因素，實現了果蔬的高效預冷，即冷得快、失水少。

4 結論

本文提出了冰漿式濕冷蒸發器并應用于小型模擬冷庫。以庫內溫度和相對濕度為指標，通過改變填料類型和載冷劑在空載冷庫內進行了性能對比實驗，并以娃娃菜作為被冷卻對象進行了負載預冷實驗，得出如下結論：

1)采用金屬和紙質填料填充的濕冷蒸發器降溫速率相當，且都比以塑料填料填充的降溫快，趨于穩定的庫內溫度也更低。庫內相對濕度主要受材料本身結構的影響，庫內相對濕度在3種填料類型下，均可穩定在90%以上。

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

3)負載冷庫在以冰漿為載冷劑時的預冷時間，比以冷水為載冷劑時的預冷時間縮短了1/6，且預冷過程中庫內相對濕度能保持在90%以上，使樣品蔬菜的失重率為0.44%，以冷水為載冷劑時的失重率減小了0.19%。

4)在本實驗工況下，以冰漿為載冷劑的濕冷蒸發器可以在冷庫內穩定運行，比以冷水為載冷劑的濕冷蒸發器更高效地實現預冷過程的低溫(3～6 ℃)高濕(>90%RH)環境，適用于果蔬預冷和保鮮。