低溫冷庫防凍脹技術分析

唐福波，李鵬，喻全龍，黎桂聰，羅曉生，李靜

（中建二局第一建筑工程有限公司，北京 100000）

1 引言

近些年，國內關于生鮮產品的運輸量飛速增長，每年均在3 億噸以上[1]。但在運輸過程中，不完善的冷鏈物流會導致大量果蔬在運輸途中損壞、腐爛，損耗量接近總量的20%～30%[2]。有學者研究得出，如果制定運輸過程中的預冷措施，能夠在很大程度上降低果蔬的損耗率，大大增加生鮮產品的質量[3]。在當前各種預冷方法里，對于水分含量較高且容易失去水分的果蔬，濕冷預冷有非常明顯的優勢[4]。冰漿濕冷換熱器作為新式濕冷預冷系統的重要部分[5]，在濕冷換熱器填料外部噴淋冰漿，和循環空氣接觸發生熱質交換。填料種類不同，其結構形式和特工性能也不同，所以填料類型會對上述熱值交換過程造成直接影響，也會對冰漿濕冷預冷系統的預冷效率造成較大的影響[6-7]。

基于此，為了分析各類填料對冷庫預冷效果的影響，本文以杏鮑菇為分析對象，通過室內模擬實驗的方式研究冷庫的內空氣溫降速度、溫降時間、相對濕度的變化趨勢。

2 填料選擇和實驗方式

2.1 填料選擇

填料的種類一共有4 種，分別是波紋絲網、紙質濕簾、金屬孔板以及陶瓷波紋填料，各類填料的相關指標如表1 所示。

表1 各類填料的相關指標

2.2 實驗裝置的設置

實驗裝置具體由循環水泵、蓄冰槽、濕冷換熱器、模擬預冷庫等組成。在預冷庫中放置一方形腔體，長×寬×高為80cm×80cm×90cm，在此腔體中進行物品的降溫冷卻。蓄冰槽的有效容量為0.15m3，功能是保存實驗用的冰漿溶液，配備的扇葉狀攪拌器能夠避免冰晶結集。庫中濕潤和冷卻的重要部分為濕冷換熱器，它的主要組成為填料、外殼、增壓式噴淋器和變頻風機。系統的運行機理和過程是把冷凍鹽水和冰晶粒子混合在一起配制或符合實驗的冰漿溶液，并保存在蓄冰槽里；之后存放的冰漿溶液會通過變頻泵輸送到濕冷換熱器中，再由上部噴淋器將其噴淋到填料外部；風機形成的強勁風力作用在庫內空氣上，使空氣穿過填料間的空隙，和填料間的冰漿溶液完成熱量交換；熱量轉換完成后的高濕低溫空氣輸送至預冷庫中，對庫內物品進行降溫，最后再回送至風機進風口，至此循環完成。

實驗過程中需要測量的指標包括預冷庫中空氣的相對濕度和溫度、濕冷換熱器出風口和進風口位置空氣的對濕度和溫度、杏鮑菇的中心溫度和質量、冰漿的溫度和流量。

2.3 測試工況和實驗方式

實驗時預冷對象選擇成熟度相同、個頭均勻的杏鮑菇。將常溫條件下負載濕冷預冷庫開啟到杏鮑菇結束預冷視作一個實驗周期[4]，以此研究濕、冷負荷最大工況時，各類填料對庫中杏鮑菇降溫效果、循環空氣增濕降溫效率的影響。表2為實驗工況的具體信息。

表2 實驗工況的具體信息

具體實驗步驟為：

在蓄冰槽里保存好配制的冰漿溶液；

稱重并挑出12 個杏鮑菇樣品，將T型熱電偶放置在杏鮑菇中心位置并送至冷庫中，將庫門關閉靜置；

觀察溫濕度傳感器，當庫中各參數基本穩定后開啟循環泵，觀測流量計示數并調節變頻器，同時把冰漿流量調節到合適的值；

開啟庫中軸流風機，調整送風速度；

當庫里杏鮑菇中部平均溫度保持在2°C 左右時開啟庫門，稱重并記錄數據，此次實驗結束。

按次序更換濕冷換熱器填料，重復上述步驟三次。

2.4 評價指標

濕冷預冷系統對杏鮑菇預冷效果的評價指標主要為最終庫內穩定濕度和溫度、預冷降溫時間。

3 實驗結果分析

3.1 填料種類對預冷庫溫濕度的影響

實驗過程中將溫濕度測點安裝在預冷庫的周圍壁面上，以此測出預冷時庫中相對濕度和溫度的變化趨勢。圖1 為預冷庫填料不同時，庫中空氣溫度隨時間變化的變化趨勢。由圖可知，庫中循環空氣最終溫度都保持在-1.01℃左右，并且隨著時間的增長，各填料類型庫中空氣溫度下降趨勢大致相同，均呈現為先快速減小、后逐漸趨于平穩。但對于四種填料來說，陶瓷波紋填料冷庫庫內溫度始終高于其他類型填料，而波紋絲網填料一直處于最低水平。

圖1 預冷庫填料不同時，庫中空氣溫度隨時間變化的變化趨勢

填料種類不同時，預冷庫庫中循環空氣溫度減小到0℃時的速度和時間如圖2所示。由圖2可知，各類填料的預冷庫中循環空氣從23.0℃左右減小到0℃的溫降速度和時間分別是陶瓷波紋（0.23℃/min 和106.0min）、紙質濕簾（0.30℃/min 和83.0min）、金屬孔板（0.31℃/min 和71.1min）、波紋絲網（0.43℃/min 和55.9min），由此能夠看出預冷庫中循環空氣溫降速度受填料種類的影響較大。

圖2 填料種類不同時，預冷庫中循環空氣預冷時間溫降速度

對各填料溫降速度進行比較能夠得出，庫內循環空氣在填料選擇波紋絲網時降溫速度最快，而填料種類為陶瓷波紋時降溫速度最慢。造成這種現象的原因是填料類型的不同，其各自的材料和結構特性也有所不同，導致循環空氣與冰晶顆粒間熱量轉換的效果存在差異，所以冷庫填料種類不同時，降溫速度也不同。波紋絲網降溫速度最快的原因是波紋絲網填料比表面積較大且布液能力較好，增大了冰漿和循環空氣的接觸面積，提高了熱量轉換的效果，使空氣溫度減小的速度大大增加。而陶瓷波紋降溫速度最慢的原因是陶瓷填料有著一定的比熱和厚度，在剛開始預冷時，因為陶瓷自身存在的溫度，間接削弱了冰漿液的溫降效果，使循環空氣無法被充分冷卻，所以空氣溫度減小速度就比較慢。

填料種類不同的預冷庫在時間增長下庫中循環空氣的平均相對濕度的變化趨勢如圖3所示。由圖3可知，時間增長下庫中空氣相對濕度表現出先迅速減小、再緩慢提高的趨勢，但填料種類的不同，提高的程度也有所差異。各填料類型的冷庫所對應的空氣相對濕度的最后穩定值和增長速度由小到大分別是陶瓷波紋（90.2%）＜紙質濕簾（90.3%）＜金屬孔板（90.4%）＜波紋絲網（92.2%）。出現這種現象是由于填料種類的不同，其結構類型和材質也不同，導致冰漿溶液在其表面的分布情況也有所差異，液體分布更好，接觸就越充分，傳質系數越高，空氣濕度就更高。

圖3 各填料預冷庫庫中循環空氣的平均相對濕度的變化趨勢

3.2 預冷溫降時間受填料種類的影響

填料種類不同時，杏鮑菇的中心平均溫度隨時間變化的變化趨勢如圖4 所示。由圖4 可知，各類填料冷庫中預冷杏鮑菇從23.0℃減小到2.0℃所耗費的時間從大到小依次是陶瓷波紋填料（108.2min）＞紙質濕簾（98.8min）＞金屬孔板（76.5min）＞波紋絲網（71.3min）。這表示杏鮑菇的預冷溫降所耗費的時間會受填料種類的影響，當濕冷換熱器的填料選擇波紋絲網時，能夠縮短溫降所耗費的時間，有助于杏鮑菇的降溫預冷，但將填料換成陶瓷波紋時，溫降所耗費的時間就大大增加，使這個過程變得較為緩慢。這種現象是由于在填料種類不同時，濕冷換熱器中的冰漿溶液和循環空氣間熱量交換過程會受到較大的影響，從而改變了庫內空氣的溫度減小的速度和循環風出口溫度。采用陶瓷波紋填料時，其本身具有一定的厚度和溫度，預冷開始時冰漿主要對填料本身進行冷卻消耗冷量，預冷庫內循環空氣的溫度降低速度相對較緩慢，使杏鮑菇預冷時間相對最長。填料種類為絲網波紋時，其有著較高的孔隙率和比外表積，能夠提高庫中循環空氣和冰漿的熱量交換效率，所以大大縮短了預冷降溫所耗費的時間。

圖4 各填料冷庫杏鮑菇的中心平均溫度的變化趨勢

4 結論

為了分析各類填料對冷庫預冷效果的影響，本文以杏鮑菇為分析對象，通過室內模擬實驗的方式研究了冷庫的內空氣溫降速度、溫降時間、相對濕度的變化趨勢，結論如下。

①各類填料的預冷庫庫中循環空氣從23.0℃左右減小到0℃的溫降速度和時間分別是陶瓷波紋（0.23℃/min 和106.0min）、紙質濕簾（0.30℃/min 和83.0min）、金屬孔板（0.31℃/min 和71.1min）、波紋絲網（0.43℃/min 和55.9min），由此能夠看出預冷庫中循環空氣溫降速度受填料種類的影響較大。

②庫內循環空氣在填料為波紋絲網時，溫度減小至0℃所需要的時間是最短的，而填料種類為陶瓷波紋時所耗費的時間最長；時間增長下庫中空氣相對濕度表現出先迅速減小、再慢慢提高的趨勢；各填料類型冷庫所對應的空氣相對濕度的最后穩定值和增長速度由小到大分別是陶瓷波紋（90.2%）＜紙質濕簾（90.3%）＜金屬孔板（90.4%）＜波紋絲網（92.2%）。

③各類填料冷庫中預冷杏鮑菇從23.0℃減小到2.0℃所耗費的時間由大到小依次是陶瓷波紋填料（108.2min）＞紙質濕簾（98.8min）＞金屬孔板（76.5min）＞波紋絲網（71.3min）。填料種類為絲網波紋時，其有著較高的孔隙率和比外表積，能夠提高庫中循環空氣和冰漿的熱量交換效率，大大縮短了預冷降溫所耗費的時間。