预冷库动态冰浆湿冷蒸发器优化设计

吴楠楠，赵亮，王华玲，蒋志鹏，姜海林

（淮阴工学院机械与材料工程学院江苏省先进制造技术重点实验室，江苏淮安，223003）

改革开放以来，随着我国国民经济的飞速发展，我国人民的生活水平有了很大的提高，居民的膳食结构正在发生变化，越来越多的人注重合理的饮食结构。因为水果、蔬菜中含有丰富的维生素、纤维素和钙、铁、铜等10多种矿物质，能调节人体的生理过程，所以居民对果蔬的需求量增加。同时，居民对蔬菜食用品质的要求也越来越高。

预冷作为冷链物流的首要环节，对维持果蔬采后的新鲜品质有着至关重要的作用，在冷链物流中不可或缺。研究表明，在整个冷藏链中，不经预冷处理的蔬菜在贮运过程中的损失率高达25 %～30 %，而经过预冷处理的蔬菜损失率可下降到5 %～10 %［1］。研究发现，预冷不仅可以有效地降低果蔬在贮运过程中的损失，还能维持果蔬采后的食用品质。

湿冷保鲜技术属于通风预冷，通过湿冷蒸发器获得低温高湿的空气，再利用风机将其送入预冷库，用以冷却入库果蔬［2］。湿冷保鲜技术也称冰库贮藏，是基于机械制冰和蓄冷技术发展而来的新技术。湿冷系统最初开发设计，就是为了果蔬贮运中的保鲜。湿冷系统的工作原理：通过机械压缩式制冷来制冰，将其储藏在蓄冰槽内，获得低温的冰水，让冰水在湿冷蒸发器中与库内空气进行热质交换，从而使库内空气达到低温高湿的状态，能够快速将入库果蔬冷却到贮藏温度，并稳定在这一温度下，使得库内果蔬能够维持较好的品质。与传统机械冷库不同，湿冷系统具有三个独立的循环：制冷剂循环、载冷剂循环以及库内湿冷空气循环，如图1所示。

图1 湿冷系统图

1 动态冰浆湿冷系统

动态冰浆预冷系统是一种将动态冰蓄冷技术与传统湿冷技术结合的新型湿冷保鲜技术，利用固液两相溶液——动态冰浆作为蓄冷介质和载冷剂［3，4］。如图2所示，动态冰浆预冷系统包括三个循环：制冷剂循环、动态冰浆循环和湿冷空气循环。

图2 动态冰浆预冷系统图

制冷剂经过制冷压缩机后被压缩为高温高压制冷剂蒸汽，进入水冷冷凝器的制冷剂蒸汽将热量传递给冷却水，冷却冷凝成制冷剂液体后，进入刮片式冰浆发生器。刮片式冰浆发生器利用壁面刮削式制取动态冰浆，在壳管式换热器的管外侧制冷剂蒸发吸热，在壳管式换热器管内的旋转刮片高速旋转，以刮削传热壁面黏附的冰晶，并防止冰晶在传热壁面的大量附着。

由刮片式冰浆发生器生成的动态冰浆被储蓄在蓄冰槽内。可以在夜间电力低谷时制取动态冰浆，在白天采收的蔬菜入库预冷，此时预冷所需的冷量由储蓄在蓄冰槽内的动态冰浆来提供，达到“削峰填谷”的目的［5］。因为动态冰浆中的水和冰晶具有密度差，储存在蓄冰槽内的冰浆会出现分层。为保证参与换热的冰浆均匀性，在蓄冰槽内加搅拌器。

蓄冰槽内的动态冰浆由水泵输送至湿冷蒸发器，通过喷嘴喷淋在湿帘上，与横向流过湿冷蒸发器的空气进行热质交换，使离开湿冷蒸发器的空气成为低温高湿的湿冷空气。经过处理的湿冷空气被送入冷库，以快速预冷库内的蔬菜，达到较好的保鲜效果，延长果蔬的贮运期。经过热质交换的回水被送回至蓄冰槽，形成动态冰浆循环。

动态冰浆预冷系统由制冰装置和预冷库预冷两部分组成，制冰装置制取的动态冰浆储蓄在蓄冰槽中，再由水泵泵送至湿冷蒸发器，与库内空气进行热质交换，完成果蔬预冷。制冰装置由制冷压缩机、冷凝器、节流机构和刮片式冰浆发生器组成。实现预冷库降温增湿的设备有蓄冰槽、搅拌器、水泵、湿冷蒸发器等。

2 湿冷蒸发器设计

湿冷蒸发器利用喷嘴将动态冰浆喷淋在湿帘上，再通过轴流风机将热空气引入到被动态冰浆淋湿的湿帘，热空气在湿帘处与动态冰浆直接充分地接触，热空气与水之间产生热质交换。热质交换的结果是热空气向湿帘表面的动态冰浆放热，使其本身温度降低；湿帘表面的动态冰浆吸收了热空气的显热后，分子动能增大引起动态冰浆的相变，冰晶融化，部分冷水从湿帘表面蒸发出来，混合在空气中随着流动的空气一起排出湿冷蒸发器。排出湿冷蒸发器的空气温度下降，相对湿度上升，成为低温高湿的气体。

2.1 湿冷蒸发器的型式

湿冷蒸发器主要由湿帘和外部器壁组成，有进出气口和进出水口，湿冷蒸发器有逆流式和横流式两种。逆流式湿冷蒸发器冷水从上自下喷淋，湿空气从下往上流动，湿空气与冷水逆向流动。 横流式湿冷蒸发器冷水从上自下喷淋，湿空气横向流过湿冷蒸发器。横流式湿冷蒸发器中湿空气通过设备内的湿帘时的阻力小，但是因为气液错流接触，减小了传热传质过程的传递推动力［6］。薛丽结合工程实际，对逆流式湿冷蒸发器和横流式湿冷蒸发器进行了实验分析，通过对实验数据的归纳整理，得到了两种型式的湿冷蒸发器的传质系数。结果表明，横流式湿冷蒸发器优于逆流式湿冷蒸发器［7］。因此，本文设计的湿冷蒸发器采用横流式。

2.2 湿帘的设计

湿帘是湿冷蒸发器的关键部件，湿冷蒸发器的传热传质均在湿帘中完成。湿帘又称填料，按材质可将湿帘分为有机填料、无机填料、金属填料和泡沫陶瓷填料。有机填料是最为常见的，在湿冷蒸发器中使用最为广泛。有机填料是通过在植物纤维纸浆中添加特殊化学原料制成，CELdek湿帘是有机填料的典型代表。无机填料是以玻璃纤维作为基材的高分子复合材料，GLASdek填料是无机填料的典型代表。几种填料的性能比较如表1所示。

表1 各种填料的性能比较［8］

虽然有机填料的热工性能好，价格便宜，应用广泛。但是考虑到本课题设计的湿冷蒸发器与空气进行传热传质的是动态冰浆，故选择无机填料作为湿冷蒸发器的湿帘。

2.3 喷淋装置设计

喷淋装置采用穿孔管作为喷淋部件，为保证均匀喷淋，提高湿帘中传热传质的速率，使用三根喷淋管，均匀布置在湿帘的上方。不锈钢穿孔管如图3（a）所示，根据经验［9］，喷淋支管的流速为干管的1.4倍，结合上述计算的动态冰浆循环量，喷淋管选用φ6 mm×0.5 mm的不锈钢管并在管上打孔。喷淋装置示意图如图3（b）所示，动态冰浆的输送管选用φ12 mm×1 mm的PVC塑料管。

图3 喷淋装置结构

2.4 湿冷蒸发器结构设计

湿冷蒸发器由GLASdek湿帘、轴流风机、喷淋装置、挡水板和挡风板组成，如图4所示。湿帘是湿冷蒸发器的主要部件，动态冰浆与空气在湿帘处进行传热传质。轴流风机强制库内空气流动，使其以一定的流速横向流过湿帘。喷淋装置用于喷淋动态冰浆，喷淋管均布在湿帘的上方，让湿帘充分湿润。

图4 湿冷蒸发器结构示意图

湿冷蒸发器安装在冷库内，因此外器壁无需绝热。结合不锈钢板厚度标准，外器壁使用厚度为3 mm的304不锈钢。挡水板位于湿帘的后下方，防止流过湿帘的回水从进风口流出，保证较好的冰水回收效果。湿帘处的风阻大，空气会优先从风阻小的地方流过。因此，设置挡风板，确保空气从湿帘流过，进行充分地热质交换。为保证流过湿帘的空气能够顺利流出湿冷蒸发器，风机与湿帘的距离应大于或等于风机直径的0.2倍［10］。加设风筒以提高送风速度，加强预冷库内空气扰动，促进预冷库温湿度的均匀性。风筒的内壁面与轴流风机叶片尖端的间隙应小于或等于30 mm［10］。在湿冷蒸发器的下端开设进风口，参照通风空调风口设计规范，矩形进风口的尺寸设计为：400 mm×120 mm。湿冷蒸发器的主要设计尺寸，如表2所示。

表2 湿冷蒸发器的主要设计尺寸（单位：mm）

湿冷蒸发器的整体图，如图5所示。在湿冷蒸发器的外器壁上设置法兰边，通过螺钉将湿冷蒸发器固定在预冷库的库体上。

图5 湿冷蒸发器整体图

3 动态冰浆预冷系统的运行

预冷库的库内温度和相对湿度是基本技术参数，预冷库库温和湿度决定了果蔬的冷却速度、口感以及其商品价值。冷库温度过高，则预冷速度慢、效果差［11］。冷库温度过低，将造成果蔬冻伤甚至引发其他生理病害。冷库湿度低的话，会加快果蔬的蒸腾作用，使其口感和商品价值下降。预冷库的设计目标就是将采收后的果蔬快速冷却至贮藏温度，使其在冷链物流中维持较高的品质。因此，建设自动化预冷冷库势在必行。

3.1 动态冰浆预冷系统的布置

预冷库中动态冰浆预冷系统整体布置图，如图6所示。制冰系统制取的动态冰浆储存在蓄冰槽内，由水泵将动态冰浆从蓄冰槽输送至湿冷蒸发器，喷淋在湿帘上。回水通过回水管送回蓄冰槽，形成动态冰浆循环。参照蓄冷系统用蓄冰槽型式与基本参数［12］， 选用蓄冰槽的容积为1 m3。动态冰浆的输送及回水管道可采用PVC塑料管，并在其外部包裹保温材料，降低冷量的损失。因为货物堆积在预冷库内，所以预冷库底部温度较高。故设置风道，将底部热空气送入湿冷蒸发器，让其与动态冰浆进行热质交换，缩短预冷时间。空气从风道进入湿冷蒸发器，与喷淋在湿帘上的动态冰浆进行热质交换后，成为低温高湿的空气，离开湿冷蒸发器，预冷冷库内的蔬菜。

图6 动态冰浆预冷系统布置图

3.2 动态冰浆预冷系统的实现

（1）实现系统运行的整体结构

采用性能稳定的AT89S51单片机作为核心控制器来控制动态冰浆预冷系统的运行，实现系统运行的整体结构由冷库温湿度测控模块、输入模块、液晶显示模块和蓄冰槽温度控制模块组成，单片机用来接收冷库温湿度和蓄冰槽温度的采集数据，并通过液晶显示模块进行显示，操作人员可以通过输入模块设置预冷库温湿度及蓄冰槽温度的正常范围，当温湿度不处于设定范围时，通过调节风机风量、水泵流量或制冰装置启停，来实现动态冰浆预冷系统的正常运行。

（2）实现系统运行的硬件设计

① 温湿度传感器

温湿度采集模块选用SHT75温湿度传感器，SHT75温湿度传感器是盛世瑞恩温湿度传感器系列中插针型的传感器。盛世瑞恩SHT75温湿度传感器的温度测量范围：-40.0～123.8 ℃，测量精度：±0.3 ℃。相对湿度测量范围0～100 %RH，测量精度：±1.8 %RH。该传感器具有响应快，抗干扰能力强等优点。

② 显示和输入模块

显示模块可以显示温湿度模块采集的多路温湿度信息和操作人员通过输入模块输入的温湿度参数，操作者可以通过输入模块输入预冷库温度、湿度以及蓄冰槽温度的正常范围，加强了动态冰浆预冷系统的人机交互能力。显示和输入模块可以选用深圳触尔电子科技有限公司的触摸显示屏，不需要用键盘和鼠标就能操控，加强了人机交互。

③ 可控硅和光耦

可控硅是一种功率半导体器件，也被称作晶闸管，虽然结构简单，体积小，但是功能强大。在交流电机调速、调功、随动等系统中有着广泛的应用。光耦是以光为媒介来传输电信号的器件，把输入端信号耦合到输出端，在数字电路中应用十分广泛。本文选用的可控硅与MOC3041光电耦合双向可控硅驱动器配套使用，因为MOC3041带有过零触发检测器，所以在电压接近零时仍能触发可控硅。

④ 变频器

本系统选用FK-208A变频调速器，FK-208A变频调速器是一种交-直-交变频器，通过整流器把工频交流变成直流电，然后再把直流电变换成频率和电压可控制的交流。其具有结构简单、工作可靠等优点。

3.3 动态冰浆预冷系统的运行过程

本文通过控制预冷库内的温度和湿度，以及蓄冰槽内的温度，实现动态冰浆预冷系统的自动控制。

（1）预冷装置的运行

控制预冷装置运行的流程图如图7所示，系统开始运行时通过触摸显示屏的输入模块设定冷库内温湿度的正常范围，将当前冷库内温湿度和设定的温湿度正常范围显示在显示屏上，便于操作人员对冷库内温湿度的实时监控。SHT75温湿度传感器采集冷库内的温湿度，将采集结果传输至单片机，与设定的正常温湿度范围进行比较。

图7 控制预冷装置运行的流程图

① 温度控制

如果库温高于正常范围，增大变频器的频率，从而增加冷库内的送风量，达到降低库温的目的；如果库温低于正常范围，减小变频器的频率，通过减小冷库送风量，使库温恢复至正常范围；当库温处于正常范围时，送风量不变，维持现有运行状态。

② 湿度控制

如果冷库内的湿度高于正常范围，可以通过减小水泵流量，来减少动态冰浆的喷淋量，使送风的湿度降低，冷库湿度恢复至正常范围；如果冷库内的湿度低于正常范围，需要增加水泵的流量，来增大动态冰浆的喷淋量，使送风的湿度增加，冷库湿度提高至正常范围；当冷库湿度处于正常范围时，维持现有运行状态即可。

（2）制冰装置的运行

控制制冰装置运行的流程图如图8所示，利用Pt100温度传感器测量蓄冰槽的温度，通过可控硅来控制制冰装置的启停。当蓄冰槽内温度高于设定温度时，制冰装置启动，开始动态冰浆的制取。在制冰装置运行中，当蓄冰槽温度降低至正常范围时，制冰装置停止运行。只有当蓄冰槽温度高于设定温度时，制冰装置才会启动。

图8 控制制冰装置运行的流程图

3.4 运行经济性分析

动态冰浆预冷系统可以利用夜间低谷电价进行制冰并储存，白天通过融冰为预冷库提供所需冷量。本文针对的上海地区进货量为300 kg的西兰花预冷库所需制冷量为1.12 kW，电气设备选型如表3所示。

表3 电气设备选型结果

压缩机和用于制冰的水泵1仅在谷时段制冰时运行，风机和输送动态冰浆的水泵2全天时段运行，动态冰浆预冷系统单日电费计算结果如表4所示。

表4 动态冰浆预冷系统单日电费计算结果

相较于使用普通制冷冷库系统，动态冰浆预冷系统增加了水泵，但其压缩机选用容量大大减小，并可以利用夜间低谷电价减小运行成本。

4 结论

湿冷技术是一种预冷保鲜技术，在果蔬保鲜方面拥有独特的优势，湿冷技术能使果蔬迅速降至适宜果蔬贮藏的温度，预冷库内的相对湿度可达到90 %以上。湿冷蒸发器是湿冷系统中的核心部件，能够为预冷库提供低温高湿的空气，用以预冷果蔬。

针对上海地区进货量为300 kg的西兰花预冷库，设计了一种湿冷蒸发器及动态冰浆预冷系统，缩短了果蔬预冷时间。不仅有效地减少果蔬贮运损失，还能够使维持采后新鲜的品质，提高市场竞争力。相较于使用普通制冷冷库系统，动态冰浆预冷系统增加了一个水泵，但其压缩机选用容量大大减小，并可以利用夜间低谷电价减小运行成本。