不同填料對冰漿式濕冷預冷庫性能影響的研究

蘇明強 武衛東 任學銘 李 想

(上海理工大學能源與動力工程學院 上海 200093)

近年來，中國每年生鮮農產品的總調運量超過3億噸[1]，冷鏈物流完善程度低導致每年果蔬采摘后的損失占果蔬總產量20%～30%[2]。有研究表明，如在冷鏈物流中采用專門的預冷措施，在運輸過程中的果蔬損失將減少23%，同時大幅提升果蔬的品質與貨架期[3]。在現有的預冷方式中，濕冷預冷對水分含量高、易失水果蔬的貯藏保鮮具有顯著優勢[4]。濕冷預冷的原理是庫內循環空氣流經濕冷換熱器，與噴淋在填料表面的載冷劑直接接觸進行熱質交換，降溫增濕后的循環空氣經強制通風與庫內果蔬換熱，實現果蔬在高濕環境下的快速冷卻[5]。

王群等[6]上世紀90年代建成了我國第一座濕冷商業冷庫，并展開了對濕冷系統的研究，后續相關學者進行了芒果、楊桃、草莓、青菜和蘆蒿等果蔬的濕冷預冷研究，研究結果顯示濕冷預冷庫比機械冷庫冷卻速率大幅提升[7-8]。而相比于以冷水為載冷劑的傳統濕冷預冷系統，以動態冰漿為載冷劑的新型濕冷預冷系統具有熱負荷響應速度快、儲冷能效高、占地面積小等特點[9]，近年來得到學者們的關注。王子安等[10]設計并搭建了一種冰漿濕冷預冷模擬庫，進行娃娃菜的預冷速率研究。任學銘等[11]以蘋果為預冷對象，實驗研究了冰漿濕冷預冷系統的預冷性能。結果顯示，相比于冷水系統，冰漿濕冷預冷系統可顯著縮短預冷時間，減少果蔬預冷失重率。食用菌類含水量高且易失水，其中杏鮑菇的經濟價值高且國內年產量超100萬噸[12]，有學者指出低溫高濕的預冷環境可以有效延長杏鮑菇的貨架期[13-14]，但目前鮮有關于冰漿式濕冷預冷系統用于杏鮑菇預冷的報道。

冰漿濕冷換熱器是新型濕冷預冷系統的核心部件[15]，冰漿噴淋在濕冷換熱器填料表面，與橫掠填料表面的循環空氣直接接觸進行熱質交換。不同類型填料的材質、熱工特性和結構形狀會直接影響濕冷換熱器內循環空氣與冰漿溶液的熱濕交換，填料性能直接影響冰漿濕冷預冷系統的預冷效率[16-17]。相關學者針對填料性能進行了研究。劉小文等[18]對比了GLASdek、CELdek、陶瓷、鋁箔、PVC材質填料在相同蒸發冷卻工況下的綜合性能，發現陶瓷填料的效率高于鋁箔僅次于CELdek。馮勝山等[19]實驗研究了泡沬陶瓷填料傳熱傳質性能和阻力性能，發現泡沫陶瓷填料的傳熱效率高于金屬填料，與紙質濕簾的傳熱效率接近。研究結果表明紙質、陶瓷填料更適用于直接蒸發冷卻系統。然而，與常溫區以冷水為載冷劑的直接蒸發冷卻不同，以冰漿為載冷劑的低溫濕冷系統熱質交換過程受傳熱、傳質及焓差驅動力變化的影響更大[20]，且在與空氣的熱濕交換過程中，冰漿單位體積冰晶粒子融化所釋放出的潛熱也遠大于冷水[11]，這些因素直接影響冰漿濕冷預冷系統的運行效果。因此，需要進行以冰漿為載冷劑的填料性能研究。對此，王子安等[10,15]對比了金屬、紙質、塑料填料對空載冰漿濕冷預冷庫內循環空氣降溫增濕的影響，結果表明金屬填料的降溫效果最快，適用于冰漿濕冷換熱器。但其未進行負載工況下的不同填料對預冷性能影響的研究，且缺少高效填料如陶瓷填料、絲網波紋填料的對比研究。

本文設計并搭建了以-4.8 ℃冰漿為載冷劑的低溫濕冷預冷實驗臺，選擇杏鮑菇為預冷對象，以預冷庫內溫濕度、預冷降溫時間、溫度變異系數、樣品失重率為評價指標，實驗研究了絲網波紋、金屬孔板、塑料S型、紙質濕簾和陶瓷波紋填料對低溫濕冷預冷實驗臺預冷性能的影響，為適用于杏鮑菇的冰漿濕冷預冷系統的填料選型提供參考。

1 填料類型

共選定5種填料：金屬孔板、絲網波紋、紙質濕簾、塑料S型、陶瓷波紋填料，如圖1所示，表1為5種填料的關鍵參數。

圖1 填料實物Fig.1 Packing material

表1 填料的關鍵參數Tab.1 Key parameters of packing

2 實驗系統

2.1 實驗裝置

搭建的低溫濕冷預冷實驗臺原理如圖2所示。系統主要裝置為濕冷換熱器、小型模擬預冷庫、蓄冰槽、攪拌器和循環水泵等。

圖2 濕冷預冷系統原理Fig.2 Principle of wet precooling system

預冷庫內部為80 cm×80 cm×90 cm的方形腔體，果蔬在此進行降溫冷卻。蓄冰槽有效容積為0.16 m3，用于存儲實驗冰漿溶液，扇葉狀攪拌裝置運行可防止冰晶積聚。濕冷換熱器是庫內循環空氣降溫加濕的關鍵部件，由外殼、軸流變頻風機、增壓式噴淋器、20 cm×20 cm×30 cm填料組成。

系統工作過程及原理：將制冰機制取的冰晶粒子與一定濃度的冷凍鹽水混合配置成實驗所需冰漿溶液儲存于蓄冰槽中；變頻泵將蓄冰槽中的冰漿溶液泵送至濕冷換熱器上部的噴淋器中，均勻噴淋在填料表面；庫內循環空氣在軸流風機的強制作用下，從填料空隙中通過，與充斥在填料空隙間的冰漿溶液直接進行熱質交換(冰晶粒子相變吸收循環空氣熱量、水分蒸發進入循環空氣)；完成熱質傳遞的低溫高濕循環空氣進入預冷庫內，將庫內果蔬降溫后回到風機進風口，完成循環。

2.2 測點布置及儀表

實驗測量的參數主要有：冰漿式濕冷換熱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、杏鮑菇的質量和中心溫度、冰漿的流量和溫度(各測點布置如圖2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、電子天平，主要參數如表2所示。

表2 測量儀器主要參數Tab.2 Key parameters of measuring instruments

2.3 實驗方法及測試工況

實驗材料的選擇：選取個頭勻稱、成熟度一致、單菇質量約為180 g的杏鮑菇為預冷對象(杏鮑菇的最佳貯藏溫度約在2 ℃，相對濕度約在90%～95%[21])。

實驗周期確定：以負載濕冷預冷庫常溫條件下啟動至杏鮑菇預冷結束為一個實驗周期[4]，進行冷、濕負荷最大工況下，不同填料對庫內循環空氣降溫增濕速率、杏鮑菇冷卻效果影響的研究。

實驗方法：1)配置足量冰漿溶液儲存于蓄冰槽中。2)將實驗所用杏鮑菇稱取質量，選取其中12個杏鮑菇(如圖2所示)在其中心處布置T型熱電偶，將實驗杏鮑菇置于冷庫內，關閉庫門，靜置。3)當溫濕度傳感器顯示庫內溫度、相對濕度等參數波動較小后，啟動循環泵，監察流量計示數并調節變頻器，調節冰漿流量至需要值。4)啟動庫內軸流風機，設定送風速度，通過安捷倫數據采集儀實時監測實驗過程中各參數的變化。5)庫內杏鮑菇中心平均溫度穩定在約2 ℃時，打開庫門，快速稱取杏鮑菇質量，結束該次實驗。6)依次將濕冷換熱器填料更換為金屬孔板、絲網波紋、紙質濕簾、陶瓷波紋和塑料S型填料，重復三次上述步驟進行實驗。實驗工況如表3所示。其中，分散劑相對質量濃度、含冰率、冰漿體積流量和送風速度等參數基于前期優化實驗[11]而確定。對含冰率而言，一定范圍內增大冰漿溶液含冰率可以增強其與空氣的潛熱交換能力，但含冰率過高會造成濕冷換熱器冰堵風險。

表3 實驗工況Tab.3 Experimental conditions

2.4 主要評價指標

采用預冷降溫時間、庫內最終穩定溫濕度、溫度變異系數和失重率為主要指標，評價濕冷預冷系統對杏鮑菇預冷性能的影響。

1)預冷降溫時間是指果蔬從初始溫度降至預冷所需最終溫度所對應的時間。本文取杏鮑菇的預冷最終溫度為2.0 ℃[14]。

2)降溫速率表示果蔬降溫速率的大小，為果蔬從初始溫度降至預冷終溫的差值與其所對應時間的比值[22]，計算式如下：

(1)

式中：v為果蔬平均降溫速率，℃/h；τ為負載降溫時間，h；T0為負載初始溫度，℃；T∞為負載預冷結束時溫度，℃。

3)溫度變異系數指在任意時刻不同果蔬之間溫度的差異性[23]。計算式如下：

(2)

溫度變異系數HI的值越小，則溫度分布越均勻，越有利于果蔬的儲存。HI值越大，則溫度越離散，會引起果蔬出現局部冷害或預冷不完全的現象[23]。

4)失重率是指果蔬預冷前后的水分流失質量與預冷前果蔬質量的比值，計算式如下：

(3)

式中：L為負載預冷過程中的失重率，%；m0為負載預冷開始時的質量，kg；m為負載預冷結束時的質量，kg。

2.5 測量不確定度分析

實驗臺中各關鍵參數的不確定度主要由測量儀表的準確度引起，不確定度的計算和分析參考Moffat[24-25]準則，實驗中各直接測量參數的不確定度由式(4)計算，預冷性能相關參數的相對不確定度由式(5)和式(6)計算：

(4)

R=f(x1,x2,…,xN)

(5)

(6)

經計算得到預冷庫內溫度、相對濕度、負載中心溫度、負載質量的測量不確定度分別為0.11 ℃、0.86%、0.11 ℃、0.03 g。負載降溫速率、失重率、溫度變異系數的合成相對不確定度分別為2.68%、4.24%、3.81%。

2.6 數據分析處理

使用SPSS 17.0軟件中單因素方差分析法(analysis of variance，ANOVA)分析各性能指標，數據均值間差異顯著性采用Duncan法進行檢驗，數據表示為平均值±標準差。P代表檢驗特征與預測變量之間的相關性，P<0.05表明差異顯著。

3 實驗結果與分析

3.1 填料類型對預冷庫內溫濕度的影響

本文在預冷庫的四周壁面上布置溫濕度測點，測得預冷過程中庫內溫度和相對濕度的變化。不同填料時預冷庫內空氣溫度隨時間的變化如圖3所示，庫內循環空氣終溫均在(-1.0±1.0)℃附近。

圖3 不同填料類型時預冷庫內空氣溫度隨時間的變化Fig.3 Variation of air temperature in the precooling room with time under different packing types

圖4所示為不同填料類型時預冷庫內循環空氣溫度降至0 ℃所需的時間和降溫速率。由圖4可知，填料類型分別為絲網波紋、金屬孔板、塑料S型、紙質濕簾和陶瓷波紋時，預冷庫內循環空氣從約23.0 ℃降至0 ℃所需的時間以及降溫速率依次為：55.8 min(0.42 ℃/min)、71.0 min(0.31 ℃/min)、78.4 min(0.31 ℃/min)、82.9 min(0.29 ℃/min)和105.0 min(0.22 ℃/min)，不同填料類型是影響預冷庫內循環空氣降溫速率的重要因素。

圖4 不同填料時預冷庫內空氣溫度降至0 ℃的時間和降溫速率Fig.4 Time and cooling rate of air temperature in the precooling room reduced to 0 ℃ with different packing

對比5種填料的降溫速率可知，采用絲網波紋填料時庫內循環空氣的降溫速率最快，而采用陶瓷波紋填料時最慢。這是由于不同填料類型本身的結構特性和材料，使冰漿溶液中冰晶顆粒與循環空氣換熱效果不同，因而庫內循環空氣降溫速率不同。采用絲網波紋填料時，庫內空氣的降溫速率最快，這是因為絲網波紋填料具有較大比表面積以及良好布液能力，使循環空氣與冰漿的接觸面積增大，換熱效果得到強化，空氣降溫速率最快。而采用陶瓷波紋填料時，庫內空氣降溫速率最慢，這是因為陶瓷填料本身具有一定的厚度和比熱，在預冷初期時，由于陶瓷本身的溫度，使冰漿噴淋在陶瓷表面需要先對陶瓷填料本身進行降溫，即在預冷初期過程中，循環空氣不能得到有效的冷卻，因而空氣降溫速率相對緩慢。

圖5所示為不同填料類型時預冷庫內循環空氣的平均相對濕度隨時間的變化。由圖5可知，預冷庫內空氣的相對濕度均隨時間先快速降低后逐漸增大，但增幅不同。預冷過程中庫內循環空氣相對濕度的增長速率和最終穩定值的大小關系為：絲網波紋(92.1%)>塑料S型(90.5%)>金屬孔板(90.2%)>紙質濕簾(90.1%)>陶瓷波紋(90.1%)。這是因為冰漿溶液在填料表面的分布受材質和結構等因素的影響，使不同填料表面的液體分布情況不同，布液情況越好，接觸面積越大，傳質系數越高，空氣可獲得更高的濕度。

圖5 不同填料類型時預冷庫內空氣平均相對濕度隨時間的變化Fig.5 Variation of average relative humidity of the air in the precooling room with time under different packing types

濕冷換熱器采用絲網波紋填料時，庫內相對濕度的增長速率大是因為絲網波紋填料比表面積大且具有較好的毛細效果，使冰漿溶液在噴淋至填料表面時，能快速浸潤填料表面，同時冰漿溶液在毛細作用下，快速布滿絲網的孔隙，有效增大循環空氣與冰漿溶液的接觸面積，使循環風與冰漿溶液的傳熱傳質效果得到強化。濕冷換熱器采用陶瓷波紋填料時，預冷初期陶瓷的相對濕度升高緩慢，可能是因為在預冷初期，陶瓷填料尚未被充分浸潤，冰漿在陶瓷表面分布不均勻，此時循環空氣與冰漿溶液的液膜接觸面積較小，傳質效率較低，因而相對濕度升高緩慢。在預冷中期過程中，庫內相對濕度快速升高，可能是因為陶瓷本身具有較好的親水性，能夠在填料形成極薄的水層，促進循環風與填料的傳質性能，因此，在預冷中期相對濕度能夠快速升高。

3.2 填料類型對預冷降溫時間的影響

圖6所示為不同填料類型時，杏鮑菇的中心平均溫度隨時間的變化。由圖6可知，5種不同填料類型時杏鮑菇預冷從23.0 ℃降至2.0 ℃時間的大小關系為：絲網波紋(70.2 min)<金屬孔板(77.4 min)<塑料S波形(89.7 min)<紙質濕簾(97.9 min)<陶瓷波紋填料(108.1 min)。說明不同填料類型會影響杏鮑菇的預冷降溫時間，并且濕冷換熱器采用絲網波紋填料時，更有利于杏鮑菇的快速降溫預冷，而采用陶瓷波紋填料時，杏鮑菇的預冷降溫過程相對較緩慢。這是因為不同的填料類型，會影響循環空氣與冰漿溶液在濕冷換熱器內的傳熱傳質過程，進而影響循環風出口溫度和庫內空氣的降溫速率。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降溫速率相對較緩慢，使杏鮑菇預冷時間相對最長。而采用絲網波紋填料時比外表積大且孔隙率高，使冰漿與庫內循環空氣的熱濕交換得到強化而空氣降溫速率最快，因而杏鮑菇的預冷降溫時間最短。

圖6 不同填料時杏鮑菇中心平均溫度隨時間的變化Fig.6 Variation of the average temperature of the center of pleurotus eryngii with time with different packing

3.3 填料類型對溫度變異系數的影響

圖7所示為不同填料類型時，杏鮑菇中心溫度的變異系數隨時間的變化。由圖7可知，采用不同填料類型時，杏鮑菇中心溫度的整體變異系數大小關系為：絲網波紋(0.42%)>金屬孔板(0.40%)>塑料(0.33%)>紙質(0.28%)>陶瓷(0.26%)。這是因為在裝載量一定時，庫內流場情況不變，此時采用絲網填料的濕冷換熱器時預冷庫內循環空氣的降溫速率越快(由圖6可知)，靠近濕冷換熱器出風口的杏鮑菇相比于其他位置的杏鮑菇冷卻速度更快，使杏鮑菇彼此溫差快速增大、溫度離散度增大，溫度變異系數達到較高的水平。而采用陶瓷或紙質填料時，由于循環空氣降溫速率相對緩慢，使杏鮑菇整體溫度下降速度變慢，杏鮑菇彼此溫差變化較小，溫度離散程度小，即溫度變異系數小。

圖7 不同填料類型時溫度變異系數隨時間的變化Fig.7 Variation of temperature coefficient of variation with time for different packing types

3.4 填料類型對失重率的影響

圖8所示為不同填料類型時杏鮑菇的預冷前后質量差和失重率。由圖8可知，采用不同填料類型時，杏鮑菇失重率的大小關系依次為：絲網波紋(2.65%)<金屬孔板(2.85%)<塑料S型(3.07%)<紙質濕簾(3.26%)<陶瓷波紋(3.42%)。

圖8 不同填料類型時杏鮑菇的質量差和失重率的變化Fig.8 Variation law of weight loss and weight loss rate of pleurotus eryngii with different packing types

循環空氣在冷卻果蔬的過程中會帶走果蔬的水分，使果蔬失去質量，增大循環空氣的相對濕度或縮短果蔬預冷降溫時間，果蔬的失重率均相應減小。綜合圖5和圖6可知，相比于其他填料，采用絲網波紋填料的濕冷預冷庫內循環空氣相對濕度增加速度最快、杏鮑菇預冷降溫時間最短，有利于杏鮑菇失重率的減小，因而杏鮑菇失重率最小，為2.65%。而采用陶瓷波紋填料時，循環空氣相對濕度增加速度最慢且杏鮑菇預冷降溫時間最長，杏鮑菇失重率最大，為3.42%。

3.5 濕冷預冷庫性能差異顯著性分析

表4所示為填料類型對冰漿濕冷預冷庫性能影響的顯著性分析。由表4可知，以絲網波紋為填料時，庫內降溫速率及最終相對濕度顯著大于其他填料(P<0.05)；5種填料下杏鮑菇降溫時間顯著不同(P<0.05)；以陶瓷波紋和紙質濕簾為填料時，杏鮑菇溫度變異系數顯著小于其他填料(P<0.05)；以絲網波紋和金屬孔板為填料時，杏鮑菇失重率顯著小于其他填料(P<0.05)。

表4 填料類型對冰漿濕冷預冷庫性能影響的顯著性分析Tab.4 Significance analysis of the effect of different packings on the performance of ice-slurry wet precooling storage

4 結論

本文以預冷庫內溫濕度、預冷降溫時間、溫度變異系數、樣品失重率為評價指標，采用杏鮑菇為預冷對象，改變填料類型進行了冰漿預冷系統負載預冷實驗，得到如下結論：

1)5種填料下的冷庫循環空氣終溫均趨于-1 ℃，且濕度最終均穩定在90%以上，滿足杏鮑菇的預冷最佳條件。用絲網波紋填料的冷庫循環空氣的降溫速率和相對濕度均顯著高于其他填料(P<0.05)，分別為0.42 ℃/min和92.1%。

2)在預冷降溫時間方面，以絲網波紋為填料冷庫的預冷時間顯著短于其他填料(P<0.05)，為70.2 min，使用絲網波紋填料降溫時間優勢顯著。

3)在預冷均勻性方面，以陶瓷波紋、紙質濕簾為填料冷庫的溫度變異系數顯著小于其他冷庫(P<0.05)，分別為0.26%、0.28%，預冷較均勻。

4)在杏鮑菇預冷前后質量變化方面，使用絲網波紋、金屬孔板填料的冷庫失重率顯著小于其他填料(P<0.05)，分別為2.65%、2.85%。以絲網波紋或金屬孔板為濕冷系統填料可有效減少杏鮑菇預冷前后質量差。