低溫冷庫(kù)防凍脹技術(shù)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(guó)內(nèi)關(guān)于生鮮產(chǎn)品的運(yùn)輸量飛速增長(zhǎng)，每年均在3 億噸以上[1]。但在運(yùn)輸過(guò)程中，不完善的冷鏈物流會(huì)導(dǎo)致大量果蔬在運(yùn)輸途中損壞、腐爛，損耗量接近總量的20%～30%[2]。有學(xué)者研究得出，如果制定運(yùn)輸過(guò)程中的預(yù)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(chǎn)品的質(zhì)量[3]。在當(dāng)前各種預(yù)冷方法里，對(duì)于水分含量較高且容易失去水分的果蔬，濕冷預(yù)冷有非常明顯的優(yōu)勢(shì)[4]。冰漿濕冷換熱器作為新式濕冷預(yù)冷系統(tǒng)的重要部分[5]，在濕冷換熱器填料外部噴淋冰漿，和循環(huán)空氣接觸發(fā)生熱質(zhì)交換。填料種類不同，其結(jié)構(gòu)形式和特工性能也不同，所以填料類型會(huì)對(duì)上述熱值交換過(guò)程造成直接影響，也會(huì)對(duì)冰漿濕冷預(yù)冷系統(tǒng)的預(yù)冷效率造成較大的影響[6-7]。

基于此，為了分析各類填料對(duì)冷庫(kù)預(yù)冷效果的影響，本文以杏鮑菇為分析對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)的方式研究冷庫(kù)的內(nèi)空氣溫降速度、溫降時(shí)間、相對(duì)濕度的變化趨勢(shì)。

2 填料選擇和實(shí)驗(yàn)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(wǎng)、紙質(zhì)濕簾、金屬孔板以及陶瓷波紋填料，各類填料的相關(guān)指標(biāo)如表1 所示。

表1 各類填料的相關(guān)指標(biāo)

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)置

實(shí)驗(yàn)裝置具體由循環(huán)水泵、蓄冰槽、濕冷換熱器、模擬預(yù)冷庫(kù)等組成。在預(yù)冷庫(kù)中放置一方形腔體，長(zhǎng)×寬×高為80cm×80cm×90cm，在此腔體中進(jìn)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(shí)驗(yàn)用的冰漿溶液，配備的扇葉狀攪拌器能夠避免冰晶結(jié)集。庫(kù)中濕潤(rùn)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(fēng)機(jī)。系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理和過(guò)程是把冷凍鹽水和冰晶粒子混合在一起配制或符合實(shí)驗(yàn)的冰漿溶液，并保存在蓄冰槽里；之后存放的冰漿溶液會(huì)通過(guò)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(fēng)機(jī)形成的強(qiáng)勁風(fēng)力作用在庫(kù)內(nèi)空氣上，使空氣穿過(guò)填料間的空隙，和填料間的冰漿溶液完成熱量交換；熱量轉(zhuǎn)換完成后的高濕低溫空氣輸送至預(yù)冷庫(kù)中，對(duì)庫(kù)內(nèi)物品進(jìn)行降溫，最后再回送至風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口，至此循環(huán)完成。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要測(cè)量的指標(biāo)包括預(yù)冷庫(kù)中空氣的相對(duì)濕度和溫度、濕冷換熱器出風(fēng)口和進(jìn)風(fēng)口位置空氣的對(duì)濕度和溫度、杏鮑菇的中心溫度和質(zhì)量、冰漿的溫度和流量。

2.3 測(cè)試工況和實(shí)驗(yàn)方式

實(shí)驗(yàn)時(shí)預(yù)冷對(duì)象選擇成熟度相同、個(gè)頭均勻的杏鮑菇。將常溫條件下負(fù)載濕冷預(yù)冷庫(kù)開(kāi)啟到杏鮑菇結(jié)束預(yù)冷視作一個(gè)實(shí)驗(yàn)周期[4]，以此研究濕、冷負(fù)荷最大工況時(shí)，各類填料對(duì)庫(kù)中杏鮑菇降溫效果、循環(huán)空氣增濕降溫效率的影響。表2為實(shí)驗(yàn)工況的具體信息。

表2 實(shí)驗(yàn)工況的具體信息

具體實(shí)驗(yàn)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(gè)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(kù)中，將庫(kù)門關(guān)閉靜置；

觀察溫濕度傳感器，當(dāng)庫(kù)中各參數(shù)基本穩(wěn)定后開(kāi)啟循環(huán)泵，觀測(cè)流量計(jì)示數(shù)并調(diào)節(jié)變頻器，同時(shí)把冰漿流量調(diào)節(jié)到合適的值；

開(kāi)啟庫(kù)中軸流風(fēng)機(jī)，調(diào)整送風(fēng)速度；

當(dāng)庫(kù)里杏鮑菇中部平均溫度保持在2°C 左右時(shí)開(kāi)啟庫(kù)門，稱重并記錄數(shù)據(jù)，此次實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

按次序更換濕冷換熱器填料，重復(fù)上述步驟三次。

2.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

濕冷預(yù)冷系統(tǒng)對(duì)杏鮑菇預(yù)冷效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要為最終庫(kù)內(nèi)穩(wěn)定濕度和溫度、預(yù)冷降溫時(shí)間。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 填料種類對(duì)預(yù)冷庫(kù)溫濕度的影響

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將溫濕度測(cè)點(diǎn)安裝在預(yù)冷庫(kù)的周圍壁面上，以此測(cè)出預(yù)冷時(shí)庫(kù)中相對(duì)濕度和溫度的變化趨勢(shì)。圖1 為預(yù)冷庫(kù)填料不同時(shí)，庫(kù)中空氣溫度隨時(shí)間變化的變化趨勢(shì)。由圖可知，庫(kù)中循環(huán)空氣最終溫度都保持在-1.01℃左右，并且隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，各填料類型庫(kù)中空氣溫度下降趨勢(shì)大致相同，均呈現(xiàn)為先快速減小、后逐漸趨于平穩(wěn)。但對(duì)于四種填料來(lái)說(shuō)，陶瓷波紋填料冷庫(kù)庫(kù)內(nèi)溫度始終高于其他類型填料，而波紋絲網(wǎng)填料一直處于最低水平。

圖1 預(yù)冷庫(kù)填料不同時(shí)，庫(kù)中空氣溫度隨時(shí)間變化的變化趨勢(shì)

填料種類不同時(shí)，預(yù)冷庫(kù)庫(kù)中循環(huán)空氣溫度減小到0℃時(shí)的速度和時(shí)間如圖2所示。由圖2可知，各類填料的預(yù)冷庫(kù)中循環(huán)空氣從23.0℃左右減小到0℃的溫降速度和時(shí)間分別是陶瓷波紋（0.23℃/min 和106.0min）、紙質(zhì)濕簾（0.30℃/min 和83.0min）、金屬孔板（0.31℃/min 和71.1min）、波紋絲網(wǎng)（0.43℃/min 和55.9min），由此能夠看出預(yù)冷庫(kù)中循環(huán)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(shí)，預(yù)冷庫(kù)中循環(huán)空氣預(yù)冷時(shí)間溫降速度

對(duì)各填料溫降速度進(jìn)行比較能夠得出，庫(kù)內(nèi)循環(huán)空氣在填料選擇波紋絲網(wǎng)時(shí)降溫速度最快，而填料種類為陶瓷波紋時(shí)降溫速度最慢。造成這種現(xiàn)象的原因是填料類型的不同，其各自的材料和結(jié)構(gòu)特性也有所不同，導(dǎo)致循環(huán)空氣與冰晶顆粒間熱量轉(zhuǎn)換的效果存在差異，所以冷庫(kù)填料種類不同時(shí)，降溫速度也不同。波紋絲網(wǎng)降溫速度最快的原因是波紋絲網(wǎng)填料比表面積較大且布液能力較好，增大了冰漿和循環(huán)空氣的接觸面積，提高了熱量轉(zhuǎn)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(kāi)始預(yù)冷時(shí)，因?yàn)樘沾勺陨泶嬖诘臏囟龋g接削弱了冰漿液的溫降效果，使循環(huán)空氣無(wú)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(yù)冷庫(kù)在時(shí)間增長(zhǎng)下庫(kù)中循環(huán)空氣的平均相對(duì)濕度的變化趨勢(shì)如圖3所示。由圖3可知，時(shí)間增長(zhǎng)下庫(kù)中空氣相對(duì)濕度表現(xiàn)出先迅速減小、再緩慢提高的趨勢(shì)，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(kù)所對(duì)應(yīng)的空氣相對(duì)濕度的最后穩(wěn)定值和增長(zhǎng)速度由小到大分別是陶瓷波紋（90.2%）＜紙質(zhì)濕簾（90.3%）＜金屬孔板（90.4%）＜波紋絲網(wǎng)（92.2%）。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于填料種類的不同，其結(jié)構(gòu)類型和材質(zhì)也不同，導(dǎo)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(zhì)系數(shù)越高，空氣濕度就更高。

圖3 各填料預(yù)冷庫(kù)庫(kù)中循環(huán)空氣的平均相對(duì)濕度的變化趨勢(shì)

3.2 預(yù)冷溫降時(shí)間受填料種類的影響

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

圖4 各填料冷庫(kù)杏鮑菇的中心平均溫度的變化趨勢(shì)

4 結(jié)論

為了分析各類填料對(duì)冷庫(kù)預(yù)冷效果的影響，本文以杏鮑菇為分析對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)的方式研究了冷庫(kù)的內(nèi)空氣溫降速度、溫降時(shí)間、相對(duì)濕度的變化趨勢(shì)，結(jié)論如下。

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

②庫(kù)內(nèi)循環(huán)空氣在填料為波紋絲網(wǎng)時(shí)，溫度減小至0℃所需要的時(shí)間是最短的，而填料種類為陶瓷波紋時(shí)所耗費(fèi)的時(shí)間最長(zhǎng)；時(shí)間增長(zhǎng)下庫(kù)中空氣相對(duì)濕度表現(xiàn)出先迅速減小、再慢慢提高的趨勢(shì)；各填料類型冷庫(kù)所對(duì)應(yīng)的空氣相對(duì)濕度的最后穩(wěn)定值和增長(zhǎng)速度由小到大分別是陶瓷波紋（90.2%）＜紙質(zhì)濕簾（90.3%）＜金屬孔板（90.4%）＜波紋絲網(wǎng)（92.2%）。

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