基于自然冷资源利用的湿冷系统设计及性能试验

潘小莉，王文明，周福君（东北农业大学工程学院，哈尔滨　150030）



基于自然冷资源利用的湿冷系统设计及性能试验

潘小莉，王文明，周福君*
（东北农业大学工程学院，哈尔滨150030）

摘要：利用自然冷资源保鲜具有安全、节能、环保等优点。综合传统冰水湿冷系统特点，设计喷雾式冷风机湿冷系统，分析和测试喷淋水量、迎面风速、湿球温度对湿冷系统制冷性能影响。结果表明，当喷淋水量从0.08 m3·h-1增至0.20 m3·h-1，制冷量平均变化率增加60.7%，确定最小喷淋水量为0.14 m3·h-1；迎面风速取1.5~ 4.0 m·s-1，总换热系数增加46%，空气对流传质系数增加43%，能效比（EER）增加5%；当空气湿球温度从12℃增至24℃时，制冷量和能效比分别减少5.0%和5.3%，表明该系统适合气候干燥地区使用；不必对喷雾水降温，使用过滤后的自来水，干工况下总换热系数比全工况总换热系数下降75%；该湿冷系统预冷时间短，可实现低温（水为介质3.8℃，盐水为介质1.9℃）、高湿（92%RH~100%RH）且相对稳定的保鲜环境。

关键词：湿冷系统；自然冷资源；喷雾式冷风机；能效比

潘小莉,王文明,周福君.基于自然冷资源利用的湿冷系统设计及性能试验[J].东北农业大学学报, 2016, 47(2): 96-101.

Pan Xiaoli, Wan Wenming, Zhou Fujun. Design and experimental of humidicooling system based on the natural cool resource utilizations[J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2016, 47(2): 96-101. (in Chinese with English abstract)

近年来，中国果蔬产业发展迅速[1]，采摘后果蔬预冷方式及时间对果蔬品质有重要影响[2-4]。温、湿度是保证农产品质量的关键因素[5-6]。湿冷技术是新兴冷藏保鲜果蔬技术，利用低温、高湿空气与果蔬传热传质，最大程度保持果蔬水分，实现果蔬、鲜花预冷、冷藏保鲜。尤其对含水量大、水分易散失的果蔬、花卉等保鲜优势突出[7]。

目前常用的机械冷库具有“二循环”特点，利用制冷剂流经蒸发器排管冷却库内空气。冷却盘管表面温度低于0℃，低于露点温度，水分不断在盘管表面冷凝、结霜，库藏产品经一段时间冷藏后发生水分损失[8-9]；同时频繁停机除霜，使冷库内温、湿度波动较大，制冷压缩机效率下降，耗电量增加，库内湿度仅维持在8%左右[10-11]。传统湿冷系统具有“三循环”特点，即制冷剂、载冷剂、湿空气循环。采用制冷压缩机组，制冷剂流经水箱中的蒸发器制冰，冰水混合后近0℃冷水喷淋到混合换热器中，与储藏室内空气热质交换，冷却果蔬产品。邵永华应用湿冷技术贮藏金柑，保鲜效果显著[12]。刘晓军在湿冷系统条件下结合臭氧杀菌技术可有效延长冬枣贮藏时间[13]。王日葵等利用湿冷通风贮藏柑桔，可保持其良好品质[14]。传统湿冷系统也存在不足，使用制冷剂造成环境污染，湿度无法精确控制，需频繁停机除霜[15]。

本试验引入自然冷资源，冬季储冰、夏季利用，冰水混合后冷水代替制冷剂，既节能环保又降低耗电成本，冰水混合后温度0.5℃，换热盘管表面不结霜，无需停机除霜，可准确控制冷藏湿度。为北方寒冷干燥地区湿冷系统研究与应用提供技术支持。

1喷雾式冷风机湿冷系统设计

利用北方冬季寒冷漫长的气候特点，将冬季自然冷资源以冰的形式贮存并引入湿冷系统中，在综合传统湿冷系统特点基础上，设计喷雾式冷风机湿冷系统，具有湿空气、冷水和喷雾水循环等“三循环”特点，结构如图1所示。冬季大量储冰全年利用，冰与水接触后形成接近0.5℃冷水，通过水泵进入换热器盘管内流动。环境热空气经雾化降温后，在风机强制作用下横掠翅片管，冷水流经紫铜管内壁时吸收管外表面和翅片表面的显热而升温，入水口与出水口的温差2~3℃。雾滴撞击盘管及翅片表面形成薄水膜，空气与雾滴、水膜直接热湿交换，经冷却加湿的空气吹入贮藏间。当相对湿度低于预设范围时，自动开启喷雾装置，实现湿度自动控制。换热器加装翅片，使空气和雾滴接触面积增加。本系统与传统湿冷系统比较优点为：①采用冬季储冰代替传统湿冷系统机械制冰，能耗少、无污染、成本低廉；②利用传感器和虚拟仪器VI （virtual instrument）技术自动控制喷嘴启闭，精确控制环境湿度[16-17]。

2试验装置与方法

试验用密闭保鲜库尺寸2 m×2 m×2 m。内置翅片管式换热器、水泵、风机、空气压缩机、喷嘴及辅助设备。采用扇形扁头空气雾化喷嘴二流体喷头，精确控制空气和水混合比例，空气接口连接空气压缩机，产生几十微米雾滴，雾化效果极佳。喷淋水管处安装玻璃转子流量计测喷水量。翅片管式换热器采用直径10 mm紫铜圆管，管束按正三角形叉排排列，纵向间距25 mm，横向间距21.65 mm，翅片间距4 mm，每排16根共四排，采用常见的整体式平直翅片管。迎风面积为0.16 m2，管外传热面积7.89 m2。试验利用RMA411远端输入采集模块数据采集，可采集16路模拟量。采用RM4024远端模拟量输出模块数据输出，可实现4路电压信号输出，采集与输出模块均通过RS485串口与上位机实时通讯。分别使用Pt100温度传感器、SC系列湿度传感器温、湿度采集，保鲜库内共布置8个温、湿度测试点取平均值。仪器仪表均经过校正，满足试验精度要求。在换热器出风口截面设置5个风速探头取平均值测迎面风速，通过调节变频器的频率控制风机的风速及水泵流量[18]。

3数据处理计算

翅片管式换热器换热量根据冷水侧温度变化测定，假设冷流体吸热量等于热流体放热量，计算公式为：

式中，ρw-密度（m3·L-1）；vw-水流速（m·s-1）；cp.w-平均定压比热（J·kg-1·℃-1；tw2-热流体温度（℃）；tw1-冷流体温度（℃）。

从冷水通过管壁、翅片表面传递到水膜，水膜再与空气进行热质交换，总传热系数方程：

式中，F-传热面积（m2）；Δtm-对数平均温差（℃）。

1-集水池；2-电磁阀；3-翅片管式换热器；4-喷嘴；5-壳体；6-风机；7-空气压缩机；8-流量计；9-阀门；10-水泵；11-滤网；12-冰水池1-Tank; 2-Magnetic valve; 3-Tube-and-fin heat exchanger; 4-Nozzle; 5-Shell; 6-Fan; 7-Air compressor; 8-Flowmetre; 9-Alve; 10-Pump; 11-Filter; 12-Ice-water tank图1试验装置Fig. 1 Experimental set-up

空气对流传质系数计算公式[19]：

式中，α1ξ-空气侧对流换热系数（W·m-2·k-1）；cp.wa-定压比热容（kJ·kg-1·K-1）。

湿冷系统中风机、水泵和空气压缩机均消耗电能，将湿冷系统能效比定义为：

式中，Pc-空压机消耗功率，Pp-水泵消耗功率，Pf-风机消耗功率。

4结果与分析

空气流经换热器同时进行热湿交换。在雾滴表面形成一个温度与雾滴表面温度相等的饱和空气层，当未饱和空气初始温度高于边界层，则边界层吸热而使空气温度降低；边界层内水蒸气分子浓度高于空气水蒸气浓度，空气中水蒸气分子数增加而使其湿度增加，空气经历降温增湿过程[20]。换热器出口湿空气与库内空气混合，混合后湿空气吸收热量再次进入喷雾式冷风机，如此反复直至温度、湿度达到稳定。

4.1喷雾水温对空气降温影响

单因素试验确定冷水流量0.9 m3·h-1，继续增大流量，对换热影响小。迎面风速取3 m·s-1，初始温度26℃干空气经不同喷雾水温、不同空气湿度喷雾降温后的温度变化如表1所示。空气初始相对湿度对喷雾降温后影响显著，相对湿度为85%空气经喷雾后温度仅降低2.12℃，湿度为60%空气降温幅度为5.85℃。空气初始相对湿度越大，雾滴的蒸发量越少，对空气降温影响越小，可见焓差值是推动热交换动力。表明喷雾降温在夏季干燥地区使用效果好，适应北方地区夏季炎热干燥气候特点。通过调节流量使空气和水保持较小的温度差，对空气起加湿作用。如果采用接近0℃冷水喷雾，雾滴和换热盘管表面温度均低于空气露点温度，空气中水分不断析出而使湿度下降。本试验可知，喷雾水温对空气冷却降温后影响不显著，使用温度接近20℃自来水。

4.2喷水量对制冷量的影响

固定进风口湿球温度12℃，迎面风速分别取2.5、3.0、3.5 m·s-1，增大喷淋水量，对制冷量影响如图2所示。当喷淋数量分别取0.08、0.1、0.12、0.14、0.16、0.18、0. 2 m3·h-1，迎面风速分别取2.5、3、3.5 m·s-1时，管外制冷量增加率分别为59%、63%、60%，平均增加率为60.7%。随喷水量增加，制冷量先显著增加后趋于平缓。自上而下喷雾水与水平流动空气接触提高翅片管式换热器的换热性能。当喷淋水量大时，翅片管式换热器管外表面及翅片表面会覆盖一层薄薄水膜，不饱和空气与水膜显热交换，与风机强制流动的雾滴发生碰撞，强化换热效果。制冷量随喷水量增加而增大，达到最小喷水量后对换热量影响不显著。喷水量增加使雾滴与空气接触面积增大，蒸发水量增加，喷水量过大，过量水分不能蒸发，造成水泵功耗增加。存在一个最小喷水量使换热性能最佳，如图2可知，喷淋水量达到0.14 m3·h-1后，继续加大喷水量时制冷量受迎面风速影响小，变化不大[21]。本试验结果表明，喷水量0.14 m3·h-1为最小喷淋水量。

利用盐水冰点温度低于冰水的特点，确定本试验盐水浓度为5%，翅片管表面不结霜，入水口温度为-2℃，室内温度可降至1.9℃。总换热系数随迎面风速的增加而加大，变化范围136.75~ 202.14 W·m-2·k-1，换热性能较冰水工况下提高约75%，室内温度大幅下降。

表1 26℃的空气经喷雾降温最终温度Table 1　 Final temperature of the 26℃air after spray cooling

图2喷水量与制冷量关系Fig. 2 Relationship between spray water and cooling capacity

4.3迎面风速对系统性能的影响

设备运转20 min待系统相对稳定时进行参数测量。进风湿球温度12℃，冷水流量0.9 m3·h-1时，喷淋水量分别选取0.1、0.12、0.14 m3·h-1，可反映变化规律。由图3可知，迎面风速1.5~3.0 m·s-1时，总传热系数随迎面风速增加而显著增加，当风速大于3 m·s-1总传热系数变化不明显，趋于平缓。喷淋水量分别0.10、0.12、0.14 m3·h-1时，总换热系数平均增加率为46%。增加空气的质量流量，空气与雾滴、水膜接触过程中碰撞的强度增大，使热交换效率系数和接触系数变大，热湿交换效果明显。当风速过大，系统的功耗增加，雾滴、水膜与空气接触时间变短，换热不充分对热湿交换不利。本试验最佳迎面风速为3 m·s-1，最小喷淋水量时可获得较大换热系数112.92 W·m-2·k-1。关闭喷雾加湿系统，只开启风机测定干工况参数。迎面风速取最佳值3 m·s-1，干工况下总换热系数变化范围44.98~72.02 W·m-2·k-1，随风速增加而增大，提高风速显著增强换热性能，但总换热系数较喷雾全工况降低64%。说明利用水的潜热可提高换热性能。

由图4可知，空气对流传质系数随迎面风速增大而显著提高，当迎面风速达1.5~4m·s-1时，喷淋水量分别取0.10、0.12、0.14 m3·h-1时，空气对流传质系数平均变化率增加43%。迎面风速的增加使气液界面间的扰动剧烈程度加强，促使水膜、雾滴与空气间热质交换程度加强，接触面积增大，气液界面水蒸气分压力下降水分蒸发。

图3迎面风速与总换热系数关系Fig. 3 Relationship between head-on air velocity and overall heat transfer coefficient

图4迎面风速与空气对流传质系数关系Fig. 4 Relationship between head-on air velocity and mass transfer coefficient

如图5可知，迎面风速1.5~3.0 m·s-1，能效比EER快速增加，达到最佳迎面风速后，EER随风速增大而减小。喷淋水量分别取0.10、0.12、0.14 m3·h-1时，随迎面风速增加，能效比平均变化率增加5%。因为在最佳风速之前，换热器的换热量随风速增加显著，换热性能占优势，而风速达到最佳值后，换热量增加不明显，风速增加风机消耗功率增大，系统整体性能降低。

4.4湿球温度对制冷量的影响

试验中固定喷淋水量0.14 m3·h-1，冷水流量0.9 m3·h-1，迎面风速3 m·s-1，选取湿球温度12~ 24℃，试验结果如图6所示。制冷量和能效比均随入口湿球温度升高而减小，制冷量从5.13 kW降到4.87 kW，减小比率为5%，能效比从3.93减少到3.72，减少比率为5.3%。说明进风湿球温度升高，空气焓值高，吸收水蒸气能力减弱，使空气与雾滴间的热质交换动力减弱。进一步证实表1所示热交换动力是焓差而非温差。湿球温度20℃时，制冷量、能效比减低显著。可见湿球温度影响较大，说明该系统适合在气候干燥地区使用。

图5迎面风速与能效比关系Fig. 5 Relationship between head-on air velocity and energy efficient ratio

图6湿球温度与制冷量、能效比关系Fig. 6 Relationship between web-bulb temperature of air and cooling capacity, energy efficiency ratio(EER)

5结　论

本试验利用北方丰富自然冷能，设计喷雾式冷风机湿冷系统，在“三循环系统”各关键参数较好配合状态下，获得高湿（92%RH~100%RH）、低温（冰水低至3.8℃、盐水低至1.9℃）湿冷功能，全程实现精准自动控制库内温、湿度，预冷时间短且温湿度波动小。迎面风速和喷淋水量是影响湿冷系统主要因素，总换热系数和制冷量均分别随迎面风速和喷淋水量增加先快速增加，到达最佳值后趋于平缓。本试验测量最佳风速为3 m·s-1，喷淋水量为0.14 m3·h-1，可获得较大换热系数112.92 W·m-2·k-1，采用盐水冻冰其换热系数可达到202.14 W·m-2·k-1。喷雾水温对空气降温影响不显著，故喷雾水可采用过滤自来水。本试验结果表明，空气湿球温度对换热效果影响显著，湿球温度高对换热不利，此湿冷系统适合北方寒冷干燥地区使用。

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Design and experimental of humidicooling system based on the natural cool resource utilization

PAN Xiaoli, WAN Wenming, ZHOU Fujun(School of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract:Natural cool resource had many advantages, such as safety, energy conservation and environment protection. A new humidicooling system of water spraying air-cooler was designed based on the characteristics of the traditional ice water humidicooling system. The influence of web-bulb temperature, the spray water and the head-on air velocity on the performance of the system were analyzed in the experiments. Experimental results showed that when the spray water amount increased from 0.08 to 0.20 m3·h-1, the average cooling capacity rate increased by 60.7%, the minimum spray water amount was 0.14 m3·h-1; The experiments were conducted under the head-on air velocity increased from 1.5 to 4.0 m·s-1, and the results showed that the increased of the average overall heat transfer coefficient was 46%, the increases of the average air mass transfer coefficient was 43%, and the increases of the energy efficiency ratio(EER) was 5% . When the web-bulb temperature of air increased from 12 to 24℃, the cooling capacity and EER decreased by 5.0% and 5.3%, indicating that the humidicooling system especially adapted to the dry regions. Considering the economic aspect, the water of filtered tap could be used directly. Under the dry condition the overall heat transfer coefficient decreased by 75% than in the wet condition. The system precooling time was short, and could maintained low temperature(water was 3.8℃, salt water was 1.9℃), high humidity(92%RH-100%RH) and relatively stable condition in the process of cold storage for keeping vegetables.

Key words:humid-cool system; natural cold resources; water spraying air-cooler; energy efficiency ratio

*通讯作者：周福君，教授，博士，博士生导师，研究方向为农业机械化工程、农业机械设计、机电一体化。E-mail: fjzhou@163. com

作者简介：潘小莉（1978-），女，讲师，博士，研究方向为农业机械化工程。E-mail: panxiaoli1025@126. com

基金项目：东北农业大学博士启动基金（2012RCB65）

收稿日期：2015-10-30

中图分类号：TK172

文献标志码：A

文章编号：1005-9369（2016）02-0096-06