預冷庫動態(tài)冰漿濕冷蒸發(fā)器優(yōu)化設(shè)計

吳楠楠，趙亮，王華玲，蔣志鵬，姜海林

（淮陰工學院機械與材料工程學院江蘇省先進制造技術(shù)重點實驗室，江蘇淮安，223003）

改革開放以來，隨著我國國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，我國人民的生活水平有了很大的提高，居民的膳食結(jié)構(gòu)正在發(fā)生變化，越來越多的人注重合理的飲食結(jié)構(gòu)。因為水果、蔬菜中含有豐富的維生素、纖維素和鈣、鐵、銅等10多種礦物質(zhì)，能調(diào)節(jié)人體的生理過程，所以居民對果蔬的需求量增加。同時，居民對蔬菜食用品質(zhì)的要求也越來越高。

預冷作為冷鏈物流的首要環(huán)節(jié)，對維持果蔬采后的新鮮品質(zhì)有著至關(guān)重要的作用，在冷鏈物流中不可或缺。研究表明，在整個冷藏鏈中，不經(jīng)預冷處理的蔬菜在貯運過程中的損失率高達25 %～30 %，而經(jīng)過預冷處理的蔬菜損失率可下降到5 %～10 %［1］。研究發(fā)現(xiàn)，預冷不僅可以有效地降低果蔬在貯運過程中的損失，還能維持果蔬采后的食用品質(zhì)。

濕冷保鮮技術(shù)屬于通風預冷，通過濕冷蒸發(fā)器獲得低溫高濕的空氣，再利用風機將其送入預冷庫，用以冷卻入庫果蔬［2］。濕冷保鮮技術(shù)也稱冰庫貯藏，是基于機械制冰和蓄冷技術(shù)發(fā)展而來的新技術(shù)。濕冷系統(tǒng)最初開發(fā)設(shè)計，就是為了果蔬貯運中的保鮮。濕冷系統(tǒng)的工作原理：通過機械壓縮式制冷來制冰，將其儲藏在蓄冰槽內(nèi)，獲得低溫的冰水，讓冰水在濕冷蒸發(fā)器中與庫內(nèi)空氣進行熱質(zhì)交換，從而使庫內(nèi)空氣達到低溫高濕的狀態(tài)，能夠快速將入庫果蔬冷卻到貯藏溫度，并穩(wěn)定在這一溫度下，使得庫內(nèi)果蔬能夠維持較好的品質(zhì)。與傳統(tǒng)機械冷庫不同，濕冷系統(tǒng)具有三個獨立的循環(huán)：制冷劑循環(huán)、載冷劑循環(huán)以及庫內(nèi)濕冷空氣循環(huán)，如圖1所示。

圖1 濕冷系統(tǒng)圖

1 動態(tài)冰漿濕冷系統(tǒng)

動態(tài)冰漿預冷系統(tǒng)是一種將動態(tài)冰蓄冷技術(shù)與傳統(tǒng)濕冷技術(shù)結(jié)合的新型濕冷保鮮技術(shù)，利用固液兩相溶液——動態(tài)冰漿作為蓄冷介質(zhì)和載冷劑［3，4］。如圖2所示，動態(tài)冰漿預冷系統(tǒng)包括三個循環(huán)：制冷劑循環(huán)、動態(tài)冰漿循環(huán)和濕冷空氣循環(huán)。

圖2 動態(tài)冰漿預冷系統(tǒng)圖

制冷劑經(jīng)過制冷壓縮機后被壓縮為高溫高壓制冷劑蒸汽，進入水冷冷凝器的制冷劑蒸汽將熱量傳遞給冷卻水，冷卻冷凝成制冷劑液體后，進入刮片式冰漿發(fā)生器。刮片式冰漿發(fā)生器利用壁面刮削式制取動態(tài)冰漿，在殼管式換熱器的管外側(cè)制冷劑蒸發(fā)吸熱，在殼管式換熱器管內(nèi)的旋轉(zhuǎn)刮片高速旋轉(zhuǎn)，以刮削傳熱壁面黏附的冰晶，并防止冰晶在傳熱壁面的大量附著。

由刮片式冰漿發(fā)生器生成的動態(tài)冰漿被儲蓄在蓄冰槽內(nèi)?？梢栽谝归g電力低谷時制取動態(tài)冰漿，在白天采收的蔬菜入庫預冷，此時預冷所需的冷量由儲蓄在蓄冰槽內(nèi)的動態(tài)冰漿來提供，達到“削峰填谷”的目的［5］。因為動態(tài)冰漿中的水和冰晶具有密度差，儲存在蓄冰槽內(nèi)的冰漿會出現(xiàn)分層。為保證參與換熱的冰漿均勻性，在蓄冰槽內(nèi)加攪拌器。

蓄冰槽內(nèi)的動態(tài)冰漿由水泵輸送至濕冷蒸發(fā)器，通過噴嘴噴淋在濕簾上，與橫向流過濕冷蒸發(fā)器的空氣進行熱質(zhì)交換，使離開濕冷蒸發(fā)器的空氣成為低溫高濕的濕冷空氣。經(jīng)過處理的濕冷空氣被送入冷庫，以快速預冷庫內(nèi)的蔬菜，達到較好的保鮮效果，延長果蔬的貯運期。經(jīng)過熱質(zhì)交換的回水被送回至蓄冰槽，形成動態(tài)冰漿循環(huán)。

動態(tài)冰漿預冷系統(tǒng)由制冰裝置和預冷庫預冷兩部分組成，制冰裝置制取的動態(tài)冰漿儲蓄在蓄冰槽中，再由水泵泵送至濕冷蒸發(fā)器，與庫內(nèi)空氣進行熱質(zhì)交換，完成果蔬預冷。制冰裝置由制冷壓縮機、冷凝器、節(jié)流機構(gòu)和刮片式冰漿發(fā)生器組成。實現(xiàn)預冷庫降溫增濕的設(shè)備有蓄冰槽、攪拌器、水泵、濕冷蒸發(fā)器等。

2 濕冷蒸發(fā)器設(shè)計

濕冷蒸發(fā)器利用噴嘴將動態(tài)冰漿噴淋在濕簾上，再通過軸流風機將熱空氣引入到被動態(tài)冰漿淋濕的濕簾，熱空氣在濕簾處與動態(tài)冰漿直接充分地接觸，熱空氣與水之間產(chǎn)生熱質(zhì)交換。熱質(zhì)交換的結(jié)果是熱空氣向濕簾表面的動態(tài)冰漿放熱，使其本身溫度降低；濕簾表面的動態(tài)冰漿吸收了熱空氣的顯熱后，分子動能增大引起動態(tài)冰漿的相變，冰晶融化，部分冷水從濕簾表面蒸發(fā)出來，混合在空氣中隨著流動的空氣一起排出濕冷蒸發(fā)器。排出濕冷蒸發(fā)器的空氣溫度下降，相對濕度上升，成為低溫高濕的氣體。

2.1 濕冷蒸發(fā)器的型式

濕冷蒸發(fā)器主要由濕簾和外部器壁組成，有進出氣口和進出水口，濕冷蒸發(fā)器有逆流式和橫流式兩種。逆流式濕冷蒸發(fā)器冷水從上自下噴淋，濕空氣從下往上流動，濕空氣與冷水逆向流動。 橫流式濕冷蒸發(fā)器冷水從上自下噴淋，濕空氣橫向流過濕冷蒸發(fā)器。橫流式濕冷蒸發(fā)器中濕空氣通過設(shè)備內(nèi)的濕簾時的阻力小，但是因為氣液錯流接觸，減小了傳熱傳質(zhì)過程的傳遞推動力［6］。薛麗結(jié)合工程實際，對逆流式濕冷蒸發(fā)器和橫流式濕冷蒸發(fā)器進行了實驗分析，通過對實驗數(shù)據(jù)的歸納整理，得到了兩種型式的濕冷蒸發(fā)器的傳質(zhì)系數(shù)。結(jié)果表明，橫流式濕冷蒸發(fā)器優(yōu)于逆流式濕冷蒸發(fā)器［7］。因此，本文設(shè)計的濕冷蒸發(fā)器采用橫流式。

2.2 濕簾的設(shè)計

濕簾是濕冷蒸發(fā)器的關(guān)鍵部件，濕冷蒸發(fā)器的傳熱傳質(zhì)均在濕簾中完成。濕簾又稱填料，按材質(zhì)可將濕簾分為有機填料、無機填料、金屬填料和泡沫陶瓷填料。有機填料是最為常見的，在濕冷蒸發(fā)器中使用最為廣泛。有機填料是通過在植物纖維紙漿中添加特殊化學原料制成，CELdek濕簾是有機填料的典型代表。無機填料是以玻璃纖維作為基材的高分子復合材料，GLASdek填料是無機填料的典型代表。幾種填料的性能比較如表1所示。

表1 各種填料的性能比較［8］

雖然有機填料的熱工性能好，價格便宜，應用廣泛。但是考慮到本課題設(shè)計的濕冷蒸發(fā)器與空氣進行傳熱傳質(zhì)的是動態(tài)冰漿，故選擇無機填料作為濕冷蒸發(fā)器的濕簾。

2.3 噴淋裝置設(shè)計

噴淋裝置采用穿孔管作為噴淋部件，為保證均勻噴淋，提高濕簾中傳熱傳質(zhì)的速率，使用三根噴淋管，均勻布置在濕簾的上方。不銹鋼穿孔管如圖3（a）所示，根據(jù)經(jīng)驗［9］，噴淋支管的流速為干管的1.4倍，結(jié)合上述計算的動態(tài)冰漿循環(huán)量，噴淋管選用φ6 mm×0.5 mm的不銹鋼管并在管上打孔。噴淋裝置示意圖如圖3（b）所示，動態(tài)冰漿的輸送管選用φ12 mm×1 mm的PVC塑料管。

圖3 噴淋裝置結(jié)構(gòu)

2.4 濕冷蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)設(shè)計

濕冷蒸發(fā)器由GLASdek濕簾、軸流風機、噴淋裝置、擋水板和擋風板組成，如圖4所示。濕簾是濕冷蒸發(fā)器的主要部件，動態(tài)冰漿與空氣在濕簾處進行傳熱傳質(zhì)。軸流風機強制庫內(nèi)空氣流動，使其以一定的流速橫向流過濕簾。噴淋裝置用于噴淋動態(tài)冰漿，噴淋管均布在濕簾的上方，讓濕簾充分濕潤。

圖4 濕冷蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)示意圖

濕冷蒸發(fā)器安裝在冷庫內(nèi)，因此外器壁無需絕熱。結(jié)合不銹鋼板厚度標準，外器壁使用厚度為3 mm的304不銹鋼。擋水板位于濕簾的后下方，防止流過濕簾的回水從進風口流出，保證較好的冰水回收效果。濕簾處的風阻大，空氣會優(yōu)先從風阻小的地方流過。因此，設(shè)置擋風板，確?？諝鈴臐窈熈鬟^，進行充分地熱質(zhì)交換。為保證流過濕簾的空氣能夠順利流出濕冷蒸發(fā)器，風機與濕簾的距離應大于或等于風機直徑的0.2倍［10］。加設(shè)風筒以提高送風速度，加強預冷庫內(nèi)空氣擾動，促進預冷庫溫濕度的均勻性。風筒的內(nèi)壁面與軸流風機葉片尖端的間隙應小于或等于30 mm［10］。在濕冷蒸發(fā)器的下端開設(shè)進風口，參照通風空調(diào)風口設(shè)計規(guī)范，矩形進風口的尺寸設(shè)計為：400 mm×120 mm。濕冷蒸發(fā)器的主要設(shè)計尺寸，如表2所示。

表2 濕冷蒸發(fā)器的主要設(shè)計尺寸（單位：mm）

濕冷蒸發(fā)器的整體圖，如圖5所示。在濕冷蒸發(fā)器的外器壁上設(shè)置法蘭邊，通過螺釘將濕冷蒸發(fā)器固定在預冷庫的庫體上。

圖5 濕冷蒸發(fā)器整體圖

3 動態(tài)冰漿預冷系統(tǒng)的運行

預冷庫的庫內(nèi)溫度和相對濕度是基本技術(shù)參數(shù)，預冷庫庫溫和濕度決定了果蔬的冷卻速度、口感以及其商品價值。冷庫溫度過高，則預冷速度慢、效果差［11］。冷庫溫度過低，將造成果蔬凍傷甚至引發(fā)其他生理病害。冷庫濕度低的話，會加快果蔬的蒸騰作用，使其口感和商品價值下降。預冷庫的設(shè)計目標就是將采收后的果蔬快速冷卻至貯藏溫度，使其在冷鏈物流中維持較高的品質(zhì)。因此，建設(shè)自動化預冷冷庫勢在必行。

3.1 動態(tài)冰漿預冷系統(tǒng)的布置

預冷庫中動態(tài)冰漿預冷系統(tǒng)整體布置圖，如圖6所示。制冰系統(tǒng)制取的動態(tài)冰漿儲存在蓄冰槽內(nèi)，由水泵將動態(tài)冰漿從蓄冰槽輸送至濕冷蒸發(fā)器，噴淋在濕簾上。回水通過回水管送回蓄冰槽，形成動態(tài)冰漿循環(huán)。參照蓄冷系統(tǒng)用蓄冰槽型式與基本參數(shù)［12］， 選用蓄冰槽的容積為1 m3。動態(tài)冰漿的輸送及回水管道可采用PVC塑料管，并在其外部包裹保溫材料，降低冷量的損失。因為貨物堆積在預冷庫內(nèi)，所以預冷庫底部溫度較高。故設(shè)置風道，將底部熱空氣送入濕冷蒸發(fā)器，讓其與動態(tài)冰漿進行熱質(zhì)交換，縮短預冷時間?？諝鈴娘L道進入濕冷蒸發(fā)器，與噴淋在濕簾上的動態(tài)冰漿進行熱質(zhì)交換后，成為低溫高濕的空氣，離開濕冷蒸發(fā)器，預冷冷庫內(nèi)的蔬菜。

圖6 動態(tài)冰漿預冷系統(tǒng)布置圖

3.2 動態(tài)冰漿預冷系統(tǒng)的實現(xiàn)

（1）實現(xiàn)系統(tǒng)運行的整體結(jié)構(gòu)

采用性能穩(wěn)定的AT89S51單片機作為核心控制器來控制動態(tài)冰漿預冷系統(tǒng)的運行，實現(xiàn)系統(tǒng)運行的整體結(jié)構(gòu)由冷庫溫濕度測控模塊、輸入模塊、液晶顯示模塊和蓄冰槽溫度控制模塊組成，單片機用來接收冷庫溫濕度和蓄冰槽溫度的采集數(shù)據(jù)，并通過液晶顯示模塊進行顯示，操作人員可以通過輸入模塊設(shè)置預冷庫溫濕度及蓄冰槽溫度的正常范圍，當溫濕度不處于設(shè)定范圍時，通過調(diào)節(jié)風機風量、水泵流量或制冰裝置啟停，來實現(xiàn)動態(tài)冰漿預冷系統(tǒng)的正常運行。

（2）實現(xiàn)系統(tǒng)運行的硬件設(shè)計

① 溫濕度傳感器

溫濕度采集模塊選用SHT75溫濕度傳感器，SHT75溫濕度傳感器是盛世瑞恩溫濕度傳感器系列中插針型的傳感器。盛世瑞恩SHT75溫濕度傳感器的溫度測量范圍：-40.0～123.8 ℃，測量精度：±0.3 ℃。相對濕度測量范圍0～100 %RH，測量精度：±1.8 %RH。該傳感器具有響應快，抗干擾能力強等優(yōu)點。

② 顯示和輸入模塊

顯示模塊可以顯示溫濕度模塊采集的多路溫濕度信息和操作人員通過輸入模塊輸入的溫濕度參數(shù)，操作者可以通過輸入模塊輸入預冷庫溫度、濕度以及蓄冰槽溫度的正常范圍，加強了動態(tài)冰漿預冷系統(tǒng)的人機交互能力。顯示和輸入模塊可以選用深圳觸爾電子科技有限公司的觸摸顯示屏，不需要用鍵盤和鼠標就能操控，加強了人機交互。

③ 可控硅和光耦

可控硅是一種功率半導體器件，也被稱作晶閘管，雖然結(jié)構(gòu)簡單，體積小，但是功能強大。在交流電機調(diào)速、調(diào)功、隨動等系統(tǒng)中有著廣泛的應用。光耦是以光為媒介來傳輸電信號的器件，把輸入端信號耦合到輸出端，在數(shù)字電路中應用十分廣泛。本文選用的可控硅與MOC3041光電耦合雙向可控硅驅(qū)動器配套使用，因為MOC3041帶有過零觸發(fā)檢測器，所以在電壓接近零時仍能觸發(fā)可控硅。

④ 變頻器

本系統(tǒng)選用FK-208A變頻調(diào)速器，F(xiàn)K-208A變頻調(diào)速器是一種交-直-交變頻器，通過整流器把工頻交流變成直流電，然后再把直流電變換成頻率和電壓可控制的交流。其具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠等優(yōu)點。

3.3 動態(tài)冰漿預冷系統(tǒng)的運行過程

本文通過控制預冷庫內(nèi)的溫度和濕度，以及蓄冰槽內(nèi)的溫度，實現(xiàn)動態(tài)冰漿預冷系統(tǒng)的自動控制。

（1）預冷裝置的運行

控制預冷裝置運行的流程圖如圖7所示，系統(tǒng)開始運行時通過觸摸顯示屏的輸入模塊設(shè)定冷庫內(nèi)溫濕度的正常范圍，將當前冷庫內(nèi)溫濕度和設(shè)定的溫濕度正常范圍顯示在顯示屏上，便于操作人員對冷庫內(nèi)溫濕度的實時監(jiān)控。SHT75溫濕度傳感器采集冷庫內(nèi)的溫濕度，將采集結(jié)果傳輸至單片機，與設(shè)定的正常溫濕度范圍進行比較。

圖7 控制預冷裝置運行的流程圖

① 溫度控制

如果庫溫高于正常范圍，增大變頻器的頻率，從而增加冷庫內(nèi)的送風量，達到降低庫溫的目的；如果庫溫低于正常范圍，減小變頻器的頻率，通過減小冷庫送風量，使庫溫恢復至正常范圍；當庫溫處于正常范圍時，送風量不變，維持現(xiàn)有運行狀態(tài)。

② 濕度控制

如果冷庫內(nèi)的濕度高于正常范圍，可以通過減小水泵流量，來減少動態(tài)冰漿的噴淋量，使送風的濕度降低，冷庫濕度恢復至正常范圍；如果冷庫內(nèi)的濕度低于正常范圍，需要增加水泵的流量，來增大動態(tài)冰漿的噴淋量，使送風的濕度增加，冷庫濕度提高至正常范圍；當冷庫濕度處于正常范圍時，維持現(xiàn)有運行狀態(tài)即可。

（2）制冰裝置的運行

控制制冰裝置運行的流程圖如圖8所示，利用Pt100溫度傳感器測量蓄冰槽的溫度，通過可控硅來控制制冰裝置的啟停。當蓄冰槽內(nèi)溫度高于設(shè)定溫度時，制冰裝置啟動，開始動態(tài)冰漿的制取。在制冰裝置運行中，當蓄冰槽溫度降低至正常范圍時，制冰裝置停止運行。只有當蓄冰槽溫度高于設(shè)定溫度時，制冰裝置才會啟動。

圖8 控制制冰裝置運行的流程圖

3.4 運行經(jīng)濟性分析

動態(tài)冰漿預冷系統(tǒng)可以利用夜間低谷電價進行制冰并儲存，白天通過融冰為預冷庫提供所需冷量。本文針對的上海地區(qū)進貨量為300 kg的西蘭花預冷庫所需制冷量為1.12 kW，電氣設(shè)備選型如表3所示。

表3 電氣設(shè)備選型結(jié)果

壓縮機和用于制冰的水泵1僅在谷時段制冰時運行，風機和輸送動態(tài)冰漿的水泵2全天時段運行，動態(tài)冰漿預冷系統(tǒng)單日電費計算結(jié)果如表4所示。

表4 動態(tài)冰漿預冷系統(tǒng)單日電費計算結(jié)果

相較于使用普通制冷冷庫系統(tǒng)，動態(tài)冰漿預冷系統(tǒng)增加了水泵，但其壓縮機選用容量大大減小，并可以利用夜間低谷電價減小運行成本。

4 結(jié)論

濕冷技術(shù)是一種預冷保鮮技術(shù)，在果蔬保鮮方面擁有獨特的優(yōu)勢，濕冷技術(shù)能使果蔬迅速降至適宜果蔬貯藏的溫度，預冷庫內(nèi)的相對濕度可達到90 %以上。濕冷蒸發(fā)器是濕冷系統(tǒng)中的核心部件，能夠為預冷庫提供低溫高濕的空氣，用以預冷果蔬。

針對上海地區(qū)進貨量為300 kg的西蘭花預冷庫，設(shè)計了一種濕冷蒸發(fā)器及動態(tài)冰漿預冷系統(tǒng)，縮短了果蔬預冷時間。不僅有效地減少果蔬貯運損失，還能夠使維持采后新鮮的品質(zhì)，提高市場競爭力。相較于使用普通制冷冷庫系統(tǒng)，動態(tài)冰漿預冷系統(tǒng)增加了一個水泵，但其壓縮機選用容量大大減小，并可以利用夜間低谷電價減小運行成本。