氣調(diào)保鮮液氮充注沉浸式汽化器工作特性研究

郭嘉明 任俊杰 曾志雄 李 斌 沈 昊 呂恩利

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣州 510642； 2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 廣州 510642)

0 引言

氣調(diào)保鮮技術(shù)通過(guò)控制儲(chǔ)運(yùn)環(huán)境的氣體成分，降低果蔬呼吸強(qiáng)度，從而延長(zhǎng)其保鮮期。國(guó)外采用的氣調(diào)方式，如制氮機(jī)制氮?dú)鈿庹{(diào)、制臭氧氣調(diào)和果蔬呼吸自調(diào)等氣調(diào)方式普遍存在氣調(diào)速率低或成本高等問(wèn)題。而液氮充注氣調(diào)方式具有氣調(diào)效率高和成本低等優(yōu)點(diǎn)。在液氮充注氣調(diào)中，液氮的溫度為-196℃，若直接將液氮注入箱體，會(huì)對(duì)箱體中的果蔬造成低溫傷害。因此，需要先通過(guò)汽化器對(duì)液氮進(jìn)行汽化升溫之后再注入箱體[1-6]。文獻(xiàn)[7]對(duì)低溫貯罐自增壓汽化器進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算。文獻(xiàn)[8-9]對(duì)空浴式汽化器的傳熱、結(jié)霧和結(jié)霜特性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[10]通過(guò)理論結(jié)合試驗(yàn)研究的方式初步建立了在豎直通道內(nèi)液氮流動(dòng)沸騰適用的理論模型，并對(duì)該模型進(jìn)行了完善和擴(kuò)充，使之能夠有效預(yù)測(cè)豎直通道內(nèi)低溫液體流動(dòng)沸騰中的傳熱系數(shù)等參數(shù)。文獻(xiàn)[11-14]針對(duì)在汽化器的表面形成的霜層，研究了其結(jié)霜的機(jī)理和傳熱的熱阻。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)液氮充注汽化器的相關(guān)研究較少。開(kāi)展液氮充注沉浸式汽化器的研究具有重要意義。

本文結(jié)合氣調(diào)保鮮運(yùn)輸需求，建立液氮充注沉浸式汽化器的出口溫度預(yù)測(cè)模型，并研究該汽化器在不同盤(pán)管長(zhǎng)度、不同蓄冷劑類(lèi)型和不同液氮流量下的工作特性，為氣調(diào)保鮮運(yùn)輸裝備的進(jìn)一步設(shè)計(jì)提供參考。

1 沉浸式汽化器試驗(yàn)平臺(tái)

試驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示，平臺(tái)支架由鋁合金材料搭建而成。液氮充注沉浸式汽化器如圖2所示，主要由盤(pán)管、蓄冷劑、出氣橫管和箱體組成。汽化器的結(jié)構(gòu)參數(shù)：箱體尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為600 mm×200 mm×150 mm，其材料為鑄鐵。盤(pán)管材料為紫銅管，其外直徑d0為12 mm，內(nèi)直徑di為10 mm，單根管長(zhǎng)為1 000、2 000、3 000 mm，總管數(shù)為3根，分別記作L1、L2、L3。出氣橫管長(zhǎng)500 m，均勻開(kāi)有4個(gè)同向小孔(直徑3 mm)[15]。

沉浸式汽化器橫管小孔處溫度和蓄冷劑溫度均采用4個(gè)PT100溫度傳感器(WZP-PT100型、精度為±0.1℃、測(cè)量范圍為-200～500℃)，采用無(wú)紙記錄儀(SIN-R9600型、精度為2%、杭州聯(lián)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)有限公司)記錄各傳感器的數(shù)值(記錄頻率是1次/min)，同時(shí)儲(chǔ)存于計(jì)算機(jī)。液氮罐(YDZ-100型，最大出液壓力為0.09 MPa，出液電磁閥使罐內(nèi)出液壓力迅速達(dá)到并穩(wěn)定在0.09 MPa，容積為100 L)增壓電磁閥實(shí)現(xiàn)液氮充注。數(shù)字電子秤(XK3190-A6型，精確度等級(jí)3級(jí)，上海耀華稱重系統(tǒng)有限公司)記錄液氮的消減量[16]。蓄冷劑材料包括水(潛熱為335 J/g，密度為0.998 g/cm3)和相變蓄冷劑(潛熱為403 J/g，密度為0.912 g/cm3)。

圖1 液氮充注沉浸式汽化器試驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Test platform of liquid nitrogen injection heat exchanger1.增壓電磁閥 2.液氮罐 3.出液電磁閥 4.數(shù)字電子秤 5.鋁型材 6.PT100溫度傳感器 7.箱體 8.出氣橫管 9.無(wú)紙記錄儀 10.計(jì)算機(jī)

圖2 液氮充注沉浸式汽化器Fig.2 Liquid nitrogen injection heat exchanger1.出氣橫管 2.盤(pán)管L3 3.盤(pán)管L2 4.盤(pán)管L1 5.蓄冷劑 6.箱體

2 沉浸式汽化器出口溫度模型

在沉浸式汽化器中，其出口溫度為其換熱性能的主要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[17]。而其主要的換熱元件為盤(pán)管，根據(jù)所設(shè)計(jì)盤(pán)管的規(guī)格及長(zhǎng)度獲取汽化器的傳熱特性。將盤(pán)管取其中一段(長(zhǎng)度L=0.01 m)進(jìn)行分析，如圖3所示[18]。

圖3 沉浸式汽化器傳熱模型Fig.3 Heat transfer model of heat exchanger

沉浸式汽化器的傳熱形式有3種：①管外側(cè)的自然對(duì)流換熱。②盤(pán)管壁面的熱傳導(dǎo)。③管內(nèi)側(cè)的強(qiáng)迫對(duì)流換熱。

2.1 管外側(cè)傳熱

沉浸式汽化器的管外側(cè)向盤(pán)管壁面?zhèn)鳠?，其傳熱量Q1為

Q1=h1(T1-Th)πd0L

(1)

式中h1——管外側(cè)傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

T1——蓄冷劑溫度，℃

Th——盤(pán)管外壁面溫度，℃

2.2 盤(pán)管壁面的熱傳導(dǎo)

盤(pán)管壁面是通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式將熱量從盤(pán)管外壁面?zhèn)鲗?dǎo)到盤(pán)管內(nèi)壁面。其溫度從管內(nèi)側(cè)Ty升高到管外側(cè)Th，導(dǎo)熱量Q2為[19-20]

(2)

式中λp——盤(pán)管材料熱導(dǎo)率，取398 W/(m2·K)

2.3 管內(nèi)側(cè)傳熱

沉浸式汽化器的管內(nèi)側(cè)是由盤(pán)管內(nèi)壁面向液氮傳熱，其傳熱量Q3為

(3)

式中h3——管內(nèi)側(cè)傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

T3——液氮溫度，℃

qy——液氮流量，kg/s

Ly——液氮汽化潛熱，取2.79 kJ/mol[21]

MN——氮?dú)饽栙|(zhì)量，kg/kmol

t——試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)，s

根據(jù)熱平衡原理，從盤(pán)管壁面向管外側(cè)傳導(dǎo)的熱量Q1等于盤(pán)管壁面導(dǎo)熱吸收的熱量Q2，等于液氮升溫吸收的熱量Q3，等于蓄冷劑直接傳到液氮的熱量Q5，也等于管內(nèi)液氮溫度升高吸收的熱量Q4[22]，即

Q1=Q2=Q3=Q5=Q4

(4)

其中

Q5=KπL(T1-T3)

(5)

(6)

式中Cy——液氮定壓比熱容，J/(kg·K)

Tb——氮?dú)馍弦粋€(gè)時(shí)刻的溫度，℃

K——總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

綜合式(1)～(6)可得

(7)

在建立汽化器出口溫度模型中，主要計(jì)算管外側(cè)的傳熱系數(shù)h1、管內(nèi)側(cè)的傳熱系數(shù)h3以及盤(pán)管的熱導(dǎo)率λp。液氮在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，屬于強(qiáng)迫流動(dòng)，一方面在靠近管壁處沸騰[23-24]，一方面又以一定的速度流過(guò)管壁，其傳熱系數(shù)與其他兩項(xiàng)的傳熱系數(shù)相比較大，故忽略不計(jì)[25]。因此，對(duì)于沉浸式汽化器傳熱計(jì)算，主要研究盤(pán)管熱導(dǎo)率λp和管外側(cè)傳熱系數(shù)h1。

2.4 管外側(cè)的傳熱系數(shù)計(jì)算

汽化器中，管外側(cè)的傳熱系數(shù)可由水平圓筒自然對(duì)流換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式[26]求得

(8)

式中λw——蓄冷劑導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)

Ra——蓄冷劑瑞利數(shù)

Pr——蓄冷劑普朗系數(shù)

2.5 模型求解結(jié)果

為了驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的可行性，依照上述沉浸式汽化器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和液氮流量為0.014 kg/s與蓄冷劑為水的參數(shù)，利用模型計(jì)算不同盤(pán)管長(zhǎng)度的出口溫度，共10個(gè)長(zhǎng)度，分別記作L1～L10(1～10 m，間隔1 m)，其預(yù)測(cè)值如圖4所示。結(jié)合汽化器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和成本的考慮，選取L2和L3進(jìn)行試驗(yàn)，作為預(yù)測(cè)驗(yàn)證組。

圖4 汽化器出口溫度預(yù)測(cè)值Fig.4 Predicted value of heat transfer temperature

與試驗(yàn)相同的條件下，將模型求解得到的汽化器出口溫度與試驗(yàn)得到的出口溫度相比較，由表1可知，模型結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為接近，其相對(duì)誤差分別為2.01%和8.06%，表明模型的效果較好。

表1 預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值相對(duì)誤差Tab.1 Relative error between predicted and experimental values

3 沉浸式換熱器工作特性試驗(yàn)方法

為了更好地了解該汽化器的工作特性，采取不同的試驗(yàn)因素，對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，環(huán)境溫度為(25±1)℃。以汽化器盤(pán)管長(zhǎng)度、蓄冷劑類(lèi)型和液氮流量為試驗(yàn)因素，連接好液氮罐，開(kāi)啟出液電磁閥、增壓電磁閥進(jìn)行液氮充注試驗(yàn)。每組試驗(yàn)持續(xù)進(jìn)行10 min，用無(wú)紙記錄儀將溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)記錄并保存在計(jì)算機(jī)中。每組試驗(yàn)重復(fù)2次，取平均值進(jìn)行分析。

蓄冷劑溫度的測(cè)定：在箱體內(nèi)布置4個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，取4個(gè)蓄冷劑溫度的平均值表征蓄冷劑溫度。

汽化器出口溫度的測(cè)定：在汽化器出氣孔處布置4個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，取4個(gè)出口溫度的平均值表征汽化器出口溫度。

液氮流量的測(cè)定[27]：記錄液氮罐試驗(yàn)期間質(zhì)量的變化量，液氮流量計(jì)算公式為

qy=(ms-mf)/t

(9)

式中ms——試驗(yàn)前液氮罐的質(zhì)量，kg

mf——試驗(yàn)后液氮罐的質(zhì)量，kg

存儲(chǔ)冷量：蓄冷劑通過(guò)與盤(pán)管內(nèi)的液氮進(jìn)行換熱得到的冷量，其計(jì)算公式為

Qc=CxmxTx

(10)

式中Cx——蓄冷劑比熱容，J/(kg·K)

mx——蓄冷劑質(zhì)量，kg

Tx——試驗(yàn)前后蓄冷劑的溫差，℃

釋放冷量：液氮通過(guò)與盤(pán)管外的蓄冷劑進(jìn)行換熱釋放出來(lái)的冷量，其計(jì)算公式為

(11)

式中TL——試驗(yàn)前后液氮的溫差，℃

蓄冷效率[28]：用存儲(chǔ)冷量除以釋放冷量表征汽化器的蓄冷效率。

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 盤(pán)管長(zhǎng)度對(duì)汽化器工作特性的影響

采用水作為蓄冷劑，液氮用量和流量分別為16.2 kg和0.007 5 kg/s，進(jìn)行液氮充注試驗(yàn)，測(cè)量不同盤(pán)管長(zhǎng)度下的液氮出口溫度，分析其對(duì)蓄冷效率的影響。以汽化器出口溫度與蓄冷劑溫度等指標(biāo)為因變量，采用Excel軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)系擬合，擬合結(jié)果如表2所示，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

表2 不同盤(pán)管長(zhǎng)度下各項(xiàng)指標(biāo)與時(shí)間的關(guān)系式Tab.2 Relationship equations between various indexes and time under different copper tube lengths

圖5 不同盤(pán)管長(zhǎng)度下的蓄冷效率Fig.5 Cooling storage efficiency at different copper tube lengths

從表2可以看出，汽化器出口溫度和蓄冷劑溫度都與充注時(shí)間呈線性關(guān)系，當(dāng)盤(pán)管長(zhǎng)度增大時(shí)，其相關(guān)系數(shù)升高。當(dāng)為盤(pán)管L3時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)汽化器出口溫度為4.05℃，相比于盤(pán)管L1時(shí)，其汽化器出口溫度升高了44.47℃。從圖5可以看出，當(dāng)盤(pán)管長(zhǎng)度增加時(shí)，汽化器的蓄冷效率也會(huì)相應(yīng)增大。這可能是由于當(dāng)液氮流量一定時(shí)，其盤(pán)管長(zhǎng)度越大，液氮在汽化器內(nèi)流動(dòng)的時(shí)間越長(zhǎng)，液氮通過(guò)盤(pán)管與蓄冷劑進(jìn)行換熱的過(guò)程就越充分，從而能夠升高液氮汽化后的溫度，降低蓄冷劑的溫度，更好地吸收液氮所釋放的冷能，存儲(chǔ)更多的冷量。因此液氮的換熱性能和蓄冷效率會(huì)隨著汽化器內(nèi)盤(pán)管長(zhǎng)度的增大而提高。

4.2 液氮流量對(duì)汽化器工作特性的影響

采用水為蓄冷劑，液氮用量為16.2 kg，選取L3盤(pán)管，進(jìn)行液氮充注試驗(yàn)，測(cè)量不同液氮流量下的液氮出口溫度，及其對(duì)蓄冷效率的影響，以汽化器出口溫度與蓄冷劑溫度等指標(biāo)為因變量，采用Excel軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)系擬合，擬合結(jié)果如表3所示，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

從表3可以看出，汽化器出口溫度與蓄冷劑溫度都與充注時(shí)間呈線性關(guān)系，當(dāng)液氮流量減少時(shí)，其線性關(guān)系相關(guān)系數(shù)越高。當(dāng)液氮流量為0.014 kg/s時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束后其汽化器出口溫度為-45.33℃。而從圖6可以看出，當(dāng)液氮流量增加時(shí)，汽化器的蓄冷效率呈先增加后減小的趨勢(shì)。這可能是由于液氮流量增大時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)液氮與盤(pán)管換熱量增大，換熱更加充分，而當(dāng)液氮流量增大到一定程度時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)液氮釋放冷量速率過(guò)大，蓄冷劑所能吸收冷量的速率已經(jīng)到達(dá)一定程度，增長(zhǎng)緩慢，導(dǎo)致其蓄冷效率有所下降。

表3 不同液氮流量下各項(xiàng)指標(biāo)與時(shí)間的關(guān)系式Tab.3 Relationship equations between various indexes and time at different liquid nitrogen flow rates

圖6 不同液氮流量下的蓄冷效率Fig.6 Cooling storage efficiencyat different liquid nitrogen flow rates

因此，適當(dāng)減少液氮流量，對(duì)汽化器的換熱性能和蓄冷效率都有一定的提高。

4.3 蓄冷劑對(duì)汽化器工作特性的影響

采用盤(pán)管長(zhǎng)度為3 m，液氮流量為0.01 kg/s，進(jìn)行液氮充注試驗(yàn)，測(cè)量不同類(lèi)型蓄冷劑下的液氮出口溫度，分析其對(duì)蓄冷效率的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖7、8所示。

圖7 不同蓄冷劑類(lèi)型下汽化器出口溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.7 Relationship of exit temperature of heat transfer with time under different types of phase change materials

圖8 不同蓄冷劑類(lèi)型下的蓄冷效率Fig.8 Cooling storage efficiency under different types of phase change materials

從圖7可以看出，在同一條件下，不同的蓄冷劑對(duì)汽化器出口溫度和其本身溫度都有著較大的影響。當(dāng)蓄冷劑類(lèi)型為水時(shí)，其試驗(yàn)結(jié)束后，汽化器出口溫度達(dá)-22.80℃，相比于采用相變蓄冷劑時(shí)，其溫度升高了28.98℃。而從圖8可以看出，采用水為蓄冷劑時(shí)，液氮釋放的冷能較大，蓄冷劑吸收的冷能較多，其蓄冷效率比采用相變蓄冷劑時(shí)高24.12個(gè)百分點(diǎn)。因此，選擇水作為蓄冷劑比選擇相變蓄冷劑時(shí)，其汽化器的換熱性能更佳。

5 結(jié)論

(1)為了提高液氮充注式氣調(diào)保鮮運(yùn)輸裝備的氣調(diào)效果，建立了沉浸式汽化器的出口溫度模型，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的正確性，其相對(duì)誤差分別為2.01%和8.06%；搭建了沉浸式汽化器試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)改變沉浸式汽化器盤(pán)管長(zhǎng)度、蓄冷劑類(lèi)型、液氮流量進(jìn)行液氮充注試驗(yàn)，分析汽化器工作特性。

(2)汽化器出口溫度和蓄冷劑溫度都與充注時(shí)間呈線性關(guān)系，當(dāng)盤(pán)管長(zhǎng)度增加或液氮流量減少時(shí)，兩者與充注時(shí)間的相關(guān)系數(shù)升高。當(dāng)盤(pán)管長(zhǎng)度為3 m和液氮流量為0.007 5 kg/s時(shí)，汽化器的換熱性能較佳。

(3)隨著液氮流量的增大，汽化器蓄冷效率呈先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)液氮流量為0.01 kg/s時(shí)，汽化器的蓄冷效率較優(yōu)。

(4)相比于采用相變蓄冷劑作為蓄冷劑，采用水作為蓄冷劑時(shí)，汽化器的出口溫度更高，其換熱性能和蓄冷效率更佳。