果蔬氣調保鮮液氮充注汽化模型的構建與驗證

夏晶晶+王廣海+呂恩利+侯可明

摘要：為預測果蔬氣調保鮮液氮充注汽化器的出口溫度，搭建了液氮充注汽化試驗平臺，構建了汽化器的汽化模型，總結了不同翅片間距、迎面風速條件下對應汽化器的出口溫度，利用MATLAB軟件對該汽化模型進行數值求解；開展液氮充注試驗，測得汽化器出口溫度在不同翅片間距、迎面風速等條件下的實際數值，并與汽化模型的數值計算結果進行對比。結果表明，汽化模型求解結果與試驗結果的總體趨勢保持一致，誤差較小，驗證了模型的準確性，為果蔬氣調保鮮液氮充注汽化器進一步優化設計提供了理論基礎。

關鍵詞：果蔬；氣調保鮮；液氮充注；汽化模型；出口溫度；翅片間距；迎面風速

中圖分類號： TS255.3

文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）04-0374-03

液氮充注式氣調方式是國內外較為先進的果蔬保鮮貯藏和運輸技術，具有效率高、成本低等優點。液氮蘊含巨大的冷能，進行液氮充注時汽化器出口溫度過低會對果蔬造成冷害[1-4]，為了更精確預測果蔬氣調保鮮液氮充注汽化器的出口溫度，有必要建立汽化器的汽化模型。蘇海林通過研究翅片管換熱器的結霜機理優化設計了換熱器結構[5]。陳瑞球等結合試驗，研究低溫條件下肋片管蒸發器結霜對傳熱性能的影響，分析了肋片間距、相對濕度、風速和傳熱系數的關系[6]。王云龍等運用一系列經驗公式對翅片管換熱器、汽化器、蒸發器進行設計計算及研究[7-15]。針對液氮充注式汽化器的理論研究還相對較少。本試驗結合低溫熱交換的經驗公式對液氮充注式汽化器換熱特性展開研究，利用理論公式、經驗公式建立了汽化器的汽化模型，并對該模型進行計算求解，通過試驗對比驗證模型的準確性，為果蔬氣調保鮮液氮充注汽化裝置的設計提供了參考依據。

1 試驗裝置

如圖1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上加裝翅片，可以增大傳熱面積[16]，提高汽化器的換熱效果，加快液氮的汽化速率。汽化器的結構參數如下：盤管選用9.5 mm×1.0 mm的紫銅管，單根管長850 mm，總管數為16根，沿空氣流動方向的管排數為2排，管束按正三角形叉排排列，翅片為平翅片，翅片長200 mm，寬45 mm，翅片厚度為 0.3 mm。根據試驗需要，按翅片間距不同共設計加工了4套汽化器，其翅片間距分別為4、5、6、7 mm。

銅管外徑D0=9.5 mm，翅片厚度δf=0.3 mm，翅片間距Sf=5 mm，管中心距S1=25 mm，沿氣流流動方向管間距S2=S1cos30°=25×3/2=21.65 mm，管內徑di=7.5 mm，套片后管外徑db=D0+2δf=10.1 mm，紫銅管壁厚δ=1 mm，根據經驗值可知紫銅管熱導率λ=393 W/（m·K） 。

2 汽化模型構建

從圖2可以看出，隨著汽化器翅片間距的增大，汽化器出口溫度的預測值和試驗值均逐漸下降，整體趨勢基本一致，翅片間距為7 mm時預測值與試驗值的差值最小。從圖3可以看出，隨著迎面風速的增大，汽化器出口溫度的預測值、試驗值均逐漸升高，整體趨勢一致，預測值和試驗值的誤差較小。通過與試驗值進行對比，進一步驗證了液氮汽化模型的準確性。

4 結論與討論

為了預測液氮充注式汽化器的出口溫度，建立了汽化器的汽化模型，并對模型進行計算求解，得出汽化器出口溫度的預測值，并與試驗值進行了驗證，結果表明：預測值與試驗值整體變化趨勢基本一致，數值誤差較小，液氮汽化模型構建合理，數據準確，為果蔬氣調保鮮液氮充注汽化器進一步優化設計提供了理論基礎。

參考文獻：

[1]李建黎. 我國果蔬氣調保鮮產業存在的問題及對策[J]. 農業工程技術：農業產業化，2006（4）：55-56.

[2]王廣海，呂恩利，陸華忠，等. 保鮮運輸用液氮充注氣調控制系統的設計與試驗[J]. 農業工程學報，2012，28（1）：255-259.

[3]呂恩利，陸華忠，羅錫文，等. 果蔬氣調保鮮運輸車的設計與試驗[J]. 農業工程學報，2012，28（19）：9-16.

[4]Ravindra M R，Goswami T K. Comparative performance of precooling methods for the storage of mangoes （Mangifera indica L.cv. amrapali）[J]. Journal of Food Process Engineering，2008，31（3）：354-371.

[5]蘇海林. 低溫翅片管換熱器表面結霜機理研究[D]. 蘭州：蘭州理工大學，2008：73.

[6]陳瑞球，韓學廷. 肋片管蒸發器結霜對傳熱性能影響的實驗研究[J]. 暖通空調，2005，35（2）：15-19.

[7]王云龍. 翅片管式換熱器設計軟件開發及影響參數研究[D]. 大連：大連理工大學，2013：97.

[8]潘俊興. 低溫槽車排液自增壓汽化器的設計計算[J]. 低溫工程，1996（1）：43-47.

[9]昌 錕. 低溫翅片管換熱器的設計計算研究[D]. 蘭州：蘭州理工大學，2006：82.

[10]陳叔平，來進琳，陳光奇，等. 低溫工況下翅片管換熱器的設計計算[J]. 低溫與超導，2008，36（4）：12-14，22.

[11]鄭桂玲. 低溫液體罐車自增壓汽化器的設計[J]. 中國化工裝備，2003，5（1）：39-43.

[12]陳叔平. 低溫貯罐自增壓汽化器的設計計算[J]. 深冷技術，1996（4）：19-22.

[13]劉雪玲. 螺旋翅片管換熱器換熱性能試驗及計算機輔助試驗[D]. 杭州：浙江大學，2003：90.

[14]呂丹丹. 平行流蒸發器結構參數對空氣側換熱和阻力性能影響研究[D]. 長沙：中南大學，2012：73.

[15]譚月普，歐陽新萍. 套片式翅片管換熱器傳熱與空氣流動阻力性能試驗研究[J]. 低溫與超導，2009，37（5）：66-68，71.

[16]吳業正. 小型制冷裝置設計指導[M]. 北京：機械工業出版社，1998：66-142.胡國文，陸志峰，林 萍，等. 無級型交變磁場發生裝置的設計[J]. 江蘇農業科學，2016，44（4）：377-380.