冰漿噴淋量對濕冷預冷系統性能影響的實驗研究

任學銘，武衛東，王子安，朱群東

（上海理工大學制冷與低溫工程研究所，上海 200093）

0 引言

采后預冷作為農產品冷鏈物流的首要環節，可快速排除新鮮農產品的田間熱，對于保持果蔬品質、延長果蔬儲藏期具有重要意義[1]。據統計[2]，在整個冷藏鏈中不經過預冷處理的蔬菜在流通中的損耗率約為25%～30%，而經過預冷處理的蔬菜損耗率僅為5%～10%。對果蔬預冷貯藏的相關研究[3-4]表明，“濕冷預冷”系統因能產生低溫高濕的空氣，有利于果蔬的預冷保鮮，能很好抑制果蔬水分的流失，在我國的果蔬預冷保鮮和儲藏中具有良好的推廣前景。

果蔬濕冷預冷系統的原理是通過機械制冷或蓄積能量的方法獲取溫度接近0 ℃的冷凍水，然后將低溫冷凍水作為載冷劑噴淋至混合換熱器中，進行冷凍水、空氣之間的直接熱濕交換，使冷庫內空氣快速降溫冷卻，同時獲得較高的相對濕度，從而為果蔬的預冷保鮮提供一個低溫高濕的環境[5]。薛麗等[6]分析比較了濕冷保鮮系統與常規冷庫對果蔬保鮮適應性，指出濕冷預冷系統具有預冷速度快、庫內溫濕度穩定、果蔬預冷成本低等諸多優勢。王群等[7]搭建了濕冷預冷系統，實驗對比了濕冷系統和普通機械冷庫中草莓的預冷性能，結果顯示與普通機械冷庫相比，濕冷系統預冷溫度、濕度波動更小，且預冷速率更快，更適合于草莓預冷。GEESON等[8]對比了濕冷系統與機械冷庫對甜玉米的保鮮效果，結果表明濕冷系統對甜玉米的保鮮方式更優。綜上，濕冷系統在果蔬的預冷保鮮方面具有冷卻快、效果好、適用范圍廣、使用安全等優勢，但由于傳統濕冷系統的載冷劑為0 ℃附近的低溫冷凍水，其存在儲冷能效低、負荷響應速度慢、占地面積較大等問題，使得傳統濕冷技術無法得到較好的推廣。

冰漿又稱“冰晶、冰泥”，是一種由載流體（冷水溶液）、冰晶顆粒和分散劑（也稱添加劑、冰點抑制劑）組成的新型優良載冷劑[9]。與傳統載冷劑相比，冰漿具有流動與傳熱特性好、潛熱蓄能密度大、負荷響應速度快以及安全等特點，在食品儲藏、醫藥和建筑等領域有廣泛的應用前景[10]。BELLAS[11]通過實驗對比了冰漿與冷凍水的換熱性能，結果表明，在相同條件下含冰率為5%～30%的冰漿的冷卻能力是冷凍水的5～6倍，且流動性較好。但目前為止，濕冷系統仍以冷凍水為載冷劑，較少看到以冰漿為載冷劑的濕冷系統的報道。

考慮到動態冰漿作為新型制冷劑，其在換熱及儲能方面的特性均優于冷凍水。王子安等[12]在傳統濕冷預冷技術的基礎上，提出了以冰漿作為載冷劑的冰漿式濕冷蒸發器，并搭建了小型冰漿濕冷預冷庫實驗臺，經過初步的預冷實驗研究，發現冰漿式濕冷預冷系統能較好滿足果蔬預冷所需的低溫高濕的條件，適用于果蔬的預冷保鮮。本課題組前期研究中，也發現冰漿噴淋流量對果蔬的預冷降溫效果具有重要的影響。

本文通過改變冰漿的噴淋流量，實驗研究了不同冰漿噴淋流量對蘋果預冷性能的影響，對比了不同載冷劑（冰漿與冷凍水）對濕冷負載預冷效果的影響，并進行了相關機理分析。

1 實驗系統

圖1所示為設計的冰漿式濕冷預冷系統原理。主要由冰漿式濕冷蒸發器、預冷庫和蓄冰槽等組成。

圖1 冰漿式濕冷預冷庫系統原理

其中，預冷庫是果蔬降溫冷卻的區域，其內部為800 mm×800 mm×900 mm的方形腔體；蓄冰槽主要用于儲存制備好的冰漿溶液，其有效容積為160 L，并在內部安裝攪拌器，通過不斷攪拌保證冰晶的均勻分布，防止冰晶團聚形成富冰層；濕冷蒸發器是對庫內空氣進行降溫加濕的關鍵部件，主要由外殼、填料、風機和噴淋器組成，其結構如圖2所示，填料采用尺寸為200 mm×200 mm×300 mm的金屬孔板波紋填料，風機為軸流變頻風機，噴淋器為增壓式噴頭。

圖2 冰漿式濕冷蒸發器結構

該系統的主要工作流程及原理為：利用機械制冰和蓄積冷量的方法制取冰晶粒子，將制取的冰晶粒子與冷凍鹽水配置成實驗所需的冰漿，并儲存于蓄冰槽中；通過變頻泵將蓄冰槽中的冰漿輸送至濕冷蒸發器上部的噴淋器，均勻噴淋在濕冷蒸發器的填料表面；庫內循環空氣在軸流風機的強制作用下橫掠過填料區域，與噴淋在填料表面的冰漿直接接觸進行熱濕交換（冰晶粒子融化吸收空氣熱量、水分蒸發進入空氣）；熱濕交換完成后的低溫高濕的空氣吹入預冷庫內，對庫內擺放的果蔬進行降溫后回到風機進風口，完成一個循環（空氣流動參見圖1中箭頭所示）。

2 實驗方法及數據處理

2.1 測點布置及儀表

本實驗測量的參數主要有：冰漿式濕冷蒸發器進出風口處的空氣溫度和相對濕度、預冷庫內空氣的溫度和相對濕度、蘋果的質量和中心溫度、冰漿的流量和溫度（各測點布置如圖1所示）。測量所用儀器包括溫濕度傳感器、T型熱電偶、體積流量計、電子計重器，其相關信息如表1所示。

表1 測量儀器相關信息

2.2 實驗方法及工況

實驗材料的選擇：選取20個成熟度一致、大小均勻（直徑70 mm左右）的蘋果（蘋果的最佳貯藏溫度在0 ℃左右，濕度在85%～95%最佳，預冷溫度0～5 ℃為宜[13]）。

實驗方法：首先對實驗選取的20個蘋果進行稱重，并選取6個蘋果在其中心處布置T型熱電偶，然后將蘋果布置于冷庫內，關閉冷庫庫門，靜置一段時間；同時制備充足的冰漿溶液（冷凍水）儲存于蓄冰槽中；直到庫內溫度和相對濕度等測點參數基本穩定，開啟循環泵，通過調節變頻器和觀察流量計示數，來調節冰漿的流量；打開循環風機，設置風機送風速度為1.5 m/s；通過安捷倫數據采集軟件在線觀察實驗過程中各參數的變化；直到庫內蘋果中心平均溫度穩定在5 ℃左右，結束實驗，并快速對蘋果進行稱重。

具體實驗工況如表2所示。這里含冰率（6%）和分散劑濃度（6%）等參數工況是基于我們前期優化實驗而確定的[14]。

表2 實驗工況條件

2.3 主要評價指標

為了評價濕冷預冷系統對蘋果預冷性能的影響，本文采用降溫速率、失重率和均勻度作為主要評價指標。

降溫速率是指蘋果從初始溫度降低至預冷溫度的差值與所對應時間的比值，由式(1)計算[15]：

式中，ν為蘋果的降溫速率，℃/h；Ta0為蘋果的初始溫度，℃；Ta為預冷完成時的溫度，℃；τ為蘋果從初始溫度降低至預冷完成溫度所對應的時間，h。

失重率是衡量預冷時果品水分損失程度的重要指標，為實驗結束后蘋果減少的質量占實驗前蘋果質量的百分比，由式(2)計算[16]：

式中，W為失重率，%；W1為蘋果的初始質量，kg；W2為蘋果預冷后的質量，kg。

均勻性是由各測點蘋果溫度的均勻度衡量，采用反映溫度參數離散程度的無量綱數σ表示，由式(3)計算[17]：

式中，σ為冷卻均勻度，范圍為0～1；為各測點平均溫度，K；ti為各測點蘋果中心溫度，K；n為測點個數。

該函數通常用以衡量各測點溫度值與平均溫度值的偏離程度。σ越小，表明各測點溫度值越相近，冷卻預冷均勻性越好。

2.4 不確定度分析

本系統中各關鍵參數的測量不確定度主要由相關測量儀器的精確度引起，現根據MOFFAT[18-19]準則對本實驗系統中各測量值進行不確定度分析。不確定度計算如式(4)、式(5)和式(6)所示。實驗中各直接測量參數的不確定度可由式(4)計算，果蔬預冷性能相關參數的相對不確定度由式(5)和式(6)計算：

式中，u為測量不確定度；a為區間半寬度；k為置信因子，當測量點均勻分布時，取k=；R為間接被測量參數；Xi表示第i個直接被測參數；uc(R)為合成標準不確定度；uc(R)/R為合成相對不確定度。

經計算得到預冷庫內溫度測量不確定度為0.11 ℃，相對濕度的測量不確定度為0.86%，蘋果中心溫度的測量不確定度0.11 ℃，蘋果質量的測量不確定度為0.03 g。蘋果降溫速率的合成相對不確定度為2.68%，失重率的合成相對不確定度4.24%，冷卻均勻度的合成相對不確定度為3.81%。

3 實驗結果與分析

3.1 冰漿噴淋流量對預冷時間和降溫速率的影響

為了測試不同冰漿噴淋流量對蘋果預冷時間和降溫速率的影響，分別在噴淋流量為50、75、100、125和150 L/h下對蘋果進行預冷實驗。測得不同冰漿流量時蘋果的預冷時間，并按上述式(1)計算，求得不同冰漿流量下蘋果的平均降溫速率，結果如圖3所示。

圖3 不同冰漿流量下蘋果預冷時間和平均降溫速率變化

由圖3可知，對應冰漿體積流量為50、75、100、125和150 L/h時，蘋果的預冷時間依次為157、136、116、105和98 min，平均降溫速率依次為5.7、7.0、8.2、8.8和9.0 ℃/h。可以發現，隨著冰漿噴淋流量的增加，蘋果預冷時間先明顯降低后趨于平緩，平均降溫速率先明顯升高后也趨于平緩。以降溫速率為例，在冰漿流量50 L/h增加至150 L/h過程中，蘋果預冷降溫速率的增大值逐漸減小依次為：2.3、1.2、0.6和0.2 ℃/h，增幅明顯減小依次為：40%、17%、7%和2%。這是因為隨著冰漿噴淋流量的增加，填料表面會逐漸被冰漿溶液覆蓋形成液膜，使得循環空氣與冰漿的接觸面積逐漸增加、熱濕交換速率逐漸加快，蘋果的預冷時間縮短、平均降溫速率逐漸提高；但由于循環風量一定，即循環空氣與冰漿的熱濕交換量存在一定的上限，因此當冰漿流量增加至一定值（125 L/h）后，循環風與冰漿的換熱量將趨于飽和，繼續增加冰漿流量，對循環空氣與冰漿的熱濕交換量影響較小，使得蘋果的預冷降溫速率逐漸趨于平緩。綜上所述，本實驗中存在最佳冰漿噴淋流量為125 L/h，當流量低于最佳值時，增加冰漿流量蘋果的降溫速率提高，當流量達到最佳值后，繼續增加冰漿流量并不會使蘋果的降溫速率明顯增加，反而使過多的冰漿溶液不參與熱濕交換，造成冰漿的浪費以及泵功耗的增加，不利于能源節約。

3.2 冰漿噴淋流量對預冷失重率和均勻度的影響

圖4所示為不同冰漿流量下，蘋果預冷完成時的失重率和均勻度。由圖4可知，對應冰漿流量為50、75、100、125和150 L/h時，蘋果的失重率依次為2.03%、1.31%、0.8%、0.56%和0.29%。說明隨著冰漿噴淋流量增加，蘋果預冷失重率逐漸減小。這是因為蘋果的失重率主要是在預冷過程中，由于蘋果表面水蒸氣分壓大于循環空氣水蒸氣分壓（即存在一個水蒸氣壓力差時），蘋果表面的水分在壓力差的作用下蒸騰至空氣中，使得蘋果質量減小。隨著噴淋流量增加，空氣與冰漿接觸面積增大、熱濕交換效果增強，冷庫內空氣的相對濕度升高，這使得循環空氣與蘋果表面的水蒸氣壓力差減小，蘋果的蒸騰作用減弱；同時隨著噴淋流量增加，蘋果降溫速率加快，預冷時間縮短，減少了循環風與蘋果的接觸時間，兩方面共同作用，使得預冷過程中隨著冰漿噴淋流量的增加，蘋果水分流失減少、失重率減小。

圖4 不同冰漿流量下蘋果預冷失重率和均勻度變化

值得注意的是，冰漿流量為150 L/h時，失重率較小僅為0.29%，遠低于果蔬冷庫儲藏的失水要求5%[20]，其進一步降低的空間存在一定的限度，并且由上一節分析可知，繼續增加冰漿流量，循環空氣與冰漿的熱濕交換速率以及蘋果的降溫速率均趨于穩定，這使得循環風與蘋果的接觸時間將無明顯縮短。因此可以預見繼續增加冰漿流量，對蘋果預冷失重率降低的影響作用不明顯。

由圖4還可知，蘋果預冷結束后的均勻度隨噴淋流量的增加而小幅升高。噴淋流量最小為50 L/h時，預冷均勻度最小為0.17，而在噴淋流量最大為150 L/h時，均勻度最大為0.3。這是因為在冰漿流量較小時，冰漿與空氣熱濕交換速率相對降低，循環空氣溫度下降的速率相對較小，預冷過程中空氣與蘋果的溫差相對較小，這使得各測點蘋果中心溫度下降速率相對緩慢，各測點蘋果中心溫度越來越接近，因而預冷均勻性較好。

綜上所述，冰漿噴淋流量是影響蘋果預冷降溫速率的重要因素，在一定范圍內（50～150 L/h），提高冰漿噴淋流量，會縮短預冷時間、減少預冷失重率，但也會導致預冷完成時的均勻度有所增加，若繼續增加冰漿流量，蘋果的降溫速率將趨于穩定，且對預冷失重率降低的影響不明顯，因此在實際應用中需要合理設置冰漿流量，不宜一味通過增加冰漿流量來實現綜合預冷效果的優化。

3.3 不同載冷劑對蘋果預冷效果的影響

為了測試不同載冷劑對濕冷預冷系統性能的影響，分別使用冰漿和冷凍水作為載冷劑對蘋果進行預冷實驗，其中冰漿的含冰率為6%，分散劑濃度為6%；冷凍水含鹽率為6%，維持在冰點溫度。控制載冷劑噴淋流量為125 L/h，其它條件保持不變。

圖5所示為不同載冷劑時，蘋果中心平均溫度隨時間的變化。表3所示為不同載冷劑時，蘋果的平均降溫速率和預冷完成時的失重率。由圖5及表3可知，在兩種不同的載冷劑下，蘋果中心平均溫度均隨時間快速降低，滿足蘋果預冷需求。對比兩種不同載冷劑的預冷效果，可以發現，冷凍水為載冷劑時，蘋果的預冷時間為135 min，平均降溫速率為7.6 ℃/h；而在以冰漿為載冷劑時，蘋果的預冷時間為107 min（縮短了28 min，約21.5%），平均降溫速率為8.8 ℃/h（提高了1.2 ℃/h，約15.8%），即冰漿為載冷劑時，蘋果的預冷時間更短，平均降溫速率更快。這是因為在相同體積流量下，冰漿與循環空氣進行熱濕交換時，其所攜帶的冰晶粒子能釋放出大量融化潛熱（冰的潛熱約為335 kJ/kg）冷卻循環空氣，使得空氣的降溫速率更快，進而對蘋果的降溫冷卻更快。此外，由表3可知，以冰漿為載冷劑相較于冷凍水為載冷劑時，蘋果的失重率下降了0.41%，這表明以冰漿為載冷劑能有效降低蘋果的失重率，達到更好的預冷保鮮效果。

圖5 不同載冷劑時蘋果中心平均溫度隨時間變化

表3 不同載冷劑時蘋果的平均降溫速率和失重率

圖6所示為不同載冷劑時，蘋果預冷過程中均勻度隨時間的變化。由圖6可知，在不同載冷劑時蘋果的均勻度均呈現出先上升后降低的趨勢。這主要是因為在蘋果預冷初期，由于庫內流場不均勻、溫度場分布不均勻，不同測點處蘋果降溫速率不同，因此冷卻均勻度升高；但隨著預冷過程的進行，蘋果溫度逐漸降低，與庫內空氣的溫差逐漸減小，使得蘋果降溫速率減緩，各測點蘋果中心溫度逐漸趨于一致，均勻性得到改善，因此預冷均勻度減小。

圖6 不同載冷劑時蘋果預冷均勻度隨時間的變化

此外，對比兩種不同載冷劑時蘋果預冷均勻度，可以發現，在整個預冷過程中，冷凍水為載冷劑對蘋果預冷的均勻度小于冰漿預冷的均勻度。這是因為在相同體積流量下，冷凍水的載冷量相對較少，使得循環空氣的降溫速率相對較慢，進而蘋果的降溫速率越慢，各蘋果中心溫度越接近，均勻度越小。進一步對比可以得出，冰漿和冷凍水為載冷劑時，蘋果預冷完成時的均勻度分別為0.27和0.23，表明冰漿為載冷劑時蘋果預冷完成后的均勻度略高于冰漿為載冷劑，但均勻度相差較小（僅為0.04），對蘋果預冷完成后的保鮮影響不大。綜上所述，以冰漿為載冷劑相較于冷凍水為載冷劑時，蘋果的預冷時間更短，平均降溫速率更快，且蘋果的失重率更低，更有利于蘋果的預冷保鮮。

4 結論

本文提出了冰漿濕冷預冷系統，基于設計的冰漿濕冷預冷庫，以蘋果為預冷對象，通過配置含冰率為6%、分散劑濃度為6%的冰漿，研究了不同冰漿噴淋流量50～150 L/h對蘋果預冷性能的影響，對比分析了不同載冷劑（冰漿、冷凍水）對蘋果預冷性能的影響，得出如下結論：

1）冰漿噴淋流量是影響蘋果預冷時間和預冷速率的關鍵因素。隨冰漿流量的增加，蘋果的預冷降溫速率先逐漸升高，達到一定值后趨于平緩，本實驗中存在一個最佳冰漿流量為125 L/h，使蘋果的預冷時間為105 min，降溫速率為8.8 ℃/h；

2）在相同條件下，隨著冰漿噴淋流量的增加，蘋果的失重率逐漸減小，預冷完成后的均勻度會逐漸上升，當冰漿流量從50 L/h增加至150 L/h，蘋果的失重率由2.03%降低至0.29%，預冷完成后溫度均勻度由0.17增加至0.3；

3）在本文實驗條件下，相比于冷凍水為載冷劑，以冰漿為載冷劑對蘋果的濕冷預冷更高效，蘋果的預冷時間可縮短28 min（約21.5%），降溫速率提高1.2 ℃/h（約15.8%），且蘋果的失重率減小0.41%，均勻度雖略有升高，但相差較小（僅為0.04），更適用于果蔬的預冷保鮮。