不同填料对冰浆式湿冷预冷库性能影响的研究

苏明强 武卫东 任学铭 李 想

(上海理工大学能源与动力工程学院 上海 200093)

近年来，中国每年生鲜农产品的总调运量超过3亿吨[1]，冷链物流完善程度低导致每年果蔬采摘后的损失占果蔬总产量20%～30%[2]。有研究表明，如在冷链物流中采用专门的预冷措施，在运输过程中的果蔬损失将减少23%，同时大幅提升果蔬的品质与货架期[3]。在现有的预冷方式中，湿冷预冷对水分含量高、易失水果蔬的贮藏保鲜具有显著优势[4]。湿冷预冷的原理是库内循环空气流经湿冷换热器，与喷淋在填料表面的载冷剂直接接触进行热质交换，降温增湿后的循环空气经强制通风与库内果蔬换热，实现果蔬在高湿环境下的快速冷却[5]。

王群等[6]上世纪90年代建成了我国第一座湿冷商业冷库，并展开了对湿冷系统的研究，后续相关学者进行了芒果、杨桃、草莓、青菜和芦蒿等果蔬的湿冷预冷研究，研究结果显示湿冷预冷库比机械冷库冷却速率大幅提升[7-8]。而相比于以冷水为载冷剂的传统湿冷预冷系统，以动态冰浆为载冷剂的新型湿冷预冷系统具有热负荷响应速度快、储冷能效高、占地面积小等特点[9]，近年来得到学者们的关注。王子安等[10]设计并搭建了一种冰浆湿冷预冷模拟库，进行娃娃菜的预冷速率研究。任学铭等[11]以苹果为预冷对象，实验研究了冰浆湿冷预冷系统的预冷性能。结果显示，相比于冷水系统，冰浆湿冷预冷系统可显著缩短预冷时间，减少果蔬预冷失重率。食用菌类含水量高且易失水，其中杏鲍菇的经济价值高且国内年产量超100万吨[12]，有学者指出低温高湿的预冷环境可以有效延长杏鲍菇的货架期[13-14]，但目前鲜有关于冰浆式湿冷预冷系统用于杏鲍菇预冷的报道。

冰浆湿冷换热器是新型湿冷预冷系统的核心部件[15]，冰浆喷淋在湿冷换热器填料表面，与横掠填料表面的循环空气直接接触进行热质交换。不同类型填料的材质、热工特性和结构形状会直接影响湿冷换热器内循环空气与冰浆溶液的热湿交换，填料性能直接影响冰浆湿冷预冷系统的预冷效率[16-17]。相关学者针对填料性能进行了研究。刘小文等[18]对比了GLASdek、CELdek、陶瓷、铝箔、PVC材质填料在相同蒸发冷却工况下的综合性能，发现陶瓷填料的效率高于铝箔仅次于CELdek。冯胜山等[19]实验研究了泡沬陶瓷填料传热传质性能和阻力性能，发现泡沫陶瓷填料的传热效率高于金属填料，与纸质湿帘的传热效率接近。研究结果表明纸质、陶瓷填料更适用于直接蒸发冷却系统。然而，与常温区以冷水为载冷剂的直接蒸发冷却不同，以冰浆为载冷剂的低温湿冷系统热质交换过程受传热、传质及焓差驱动力变化的影响更大[20]，且在与空气的热湿交换过程中，冰浆单位体积冰晶粒子融化所释放出的潜热也远大于冷水[11]，这些因素直接影响冰浆湿冷预冷系统的运行效果。因此，需要进行以冰浆为载冷剂的填料性能研究。对此，王子安等[10,15]对比了金属、纸质、塑料填料对空载冰浆湿冷预冷库内循环空气降温增湿的影响，结果表明金属填料的降温效果最快，适用于冰浆湿冷换热器。但其未进行负载工况下的不同填料对预冷性能影响的研究，且缺少高效填料如陶瓷填料、丝网波纹填料的对比研究。

本文设计并搭建了以-4.8 ℃冰浆为载冷剂的低温湿冷预冷实验台，选择杏鲍菇为预冷对象，以预冷库内温湿度、预冷降温时间、温度变异系数、样品失重率为评价指标，实验研究了丝网波纹、金属孔板、塑料S型、纸质湿帘和陶瓷波纹填料对低温湿冷预冷实验台预冷性能的影响，为适用于杏鲍菇的冰浆湿冷预冷系统的填料选型提供参考。

1 填料类型

共选定5种填料：金属孔板、丝网波纹、纸质湿帘、塑料S型、陶瓷波纹填料，如图1所示，表1为5种填料的关键参数。

图1 填料实物Fig.1 Packing material

表1 填料的关键参数Tab.1 Key parameters of packing

2 实验系统

2.1 实验装置

搭建的低温湿冷预冷实验台原理如图2所示。系统主要装置为湿冷换热器、小型模拟预冷库、蓄冰槽、搅拌器和循环水泵等。

图2 湿冷预冷系统原理Fig.2 Principle of wet precooling system

预冷库内部为80 cm×80 cm×90 cm的方形腔体，果蔬在此进行降温冷却。蓄冰槽有效容积为0.16 m3，用于存储实验冰浆溶液，扇叶状搅拌装置运行可防止冰晶积聚。湿冷换热器是库内循环空气降温加湿的关键部件，由外壳、轴流变频风机、增压式喷淋器、20 cm×20 cm×30 cm填料组成。

系统工作过程及原理：将制冰机制取的冰晶粒子与一定浓度的冷冻盐水混合配置成实验所需冰浆溶液储存于蓄冰槽中；变频泵将蓄冰槽中的冰浆溶液泵送至湿冷换热器上部的喷淋器中，均匀喷淋在填料表面；库内循环空气在轴流风机的强制作用下，从填料空隙中通过，与充斥在填料空隙间的冰浆溶液直接进行热质交换(冰晶粒子相变吸收循环空气热量、水分蒸发进入循环空气)；完成热质传递的低温高湿循环空气进入预冷库内，将库内果蔬降温后回到风机进风口，完成循环。

2.2 测点布置及仪表

实验测量的参数主要有：冰浆式湿冷换热器进出风口处的空气温度和相对湿度、预冷库内空气的温度和相对湿度、杏鲍菇的质量和中心温度、冰浆的流量和温度(各测点布置如图2所示)。测量所用仪器包括温湿度传感器、T型热电偶、体积流量计、电子天平，主要参数如表2所示。

表2 测量仪器主要参数Tab.2 Key parameters of measuring instruments

2.3 实验方法及测试工况

实验材料的选择：选取个头匀称、成熟度一致、单菇质量约为180 g的杏鲍菇为预冷对象(杏鲍菇的最佳贮藏温度约在2 ℃，相对湿度约在90%～95%[21])。

实验周期确定：以负载湿冷预冷库常温条件下启动至杏鲍菇预冷结束为一个实验周期[4]，进行冷、湿负荷最大工况下，不同填料对库内循环空气降温增湿速率、杏鲍菇冷却效果影响的研究。

实验方法：1)配置足量冰浆溶液储存于蓄冰槽中。2)将实验所用杏鲍菇称取质量，选取其中12个杏鲍菇(如图2所示)在其中心处布置T型热电偶，将实验杏鲍菇置于冷库内，关闭库门，静置。3)当温湿度传感器显示库内温度、相对湿度等参数波动较小后，启动循环泵，监察流量计示数并调节变频器，调节冰浆流量至需要值。4)启动库内轴流风机，设定送风速度，通过安捷伦数据采集仪实时监测实验过程中各参数的变化。5)库内杏鲍菇中心平均温度稳定在约2 ℃时，打开库门，快速称取杏鲍菇质量，结束该次实验。6)依次将湿冷换热器填料更换为金属孔板、丝网波纹、纸质湿帘、陶瓷波纹和塑料S型填料，重复三次上述步骤进行实验。实验工况如表3所示。其中，分散剂相对质量浓度、含冰率、冰浆体积流量和送风速度等参数基于前期优化实验[11]而确定。对含冰率而言，一定范围内增大冰浆溶液含冰率可以增强其与空气的潜热交换能力，但含冰率过高会造成湿冷换热器冰堵风险。

表3 实验工况Tab.3 Experimental conditions

2.4 主要评价指标

采用预冷降温时间、库内最终稳定温湿度、温度变异系数和失重率为主要指标，评价湿冷预冷系统对杏鲍菇预冷性能的影响。

1)预冷降温时间是指果蔬从初始温度降至预冷所需最终温度所对应的时间。本文取杏鲍菇的预冷最终温度为2.0 ℃[14]。

2)降温速率表示果蔬降温速率的大小，为果蔬从初始温度降至预冷终温的差值与其所对应时间的比值[22]，计算式如下：

(1)

式中：v为果蔬平均降温速率，℃/h；τ为负载降温时间，h；T0为负载初始温度，℃；T∞为负载预冷结束时温度，℃。

3)温度变异系数指在任意时刻不同果蔬之间温度的差异性[23]。计算式如下：

(2)

温度变异系数HI的值越小，则温度分布越均匀，越有利于果蔬的储存。HI值越大，则温度越离散，会引起果蔬出现局部冷害或预冷不完全的现象[23]。

4)失重率是指果蔬预冷前后的水分流失质量与预冷前果蔬质量的比值，计算式如下：

(3)

式中：L为负载预冷过程中的失重率，%；m0为负载预冷开始时的质量，kg；m为负载预冷结束时的质量，kg。

2.5 测量不确定度分析

实验台中各关键参数的不确定度主要由测量仪表的准确度引起，不确定度的计算和分析参考Moffat[24-25]准则，实验中各直接测量参数的不确定度由式(4)计算，预冷性能相关参数的相对不确定度由式(5)和式(6)计算：

(4)

R=f(x1,x2,…,xN)

(5)

(6)

经计算得到预冷库内温度、相对湿度、负载中心温度、负载质量的测量不确定度分别为0.11 ℃、0.86%、0.11 ℃、0.03 g。负载降温速率、失重率、温度变异系数的合成相对不确定度分别为2.68%、4.24%、3.81%。

2.6 数据分析处理

使用SPSS 17.0软件中单因素方差分析法(analysis of variance，ANOVA)分析各性能指标，数据均值间差异显著性采用Duncan法进行检验，数据表示为平均值±标准差。P代表检验特征与预测变量之间的相关性，P<0.05表明差异显著。

3 实验结果与分析

3.1 填料类型对预冷库内温湿度的影响

本文在预冷库的四周壁面上布置温湿度测点，测得预冷过程中库内温度和相对湿度的变化。不同填料时预冷库内空气温度随时间的变化如图3所示，库内循环空气终温均在(-1.0±1.0)℃附近。

图3 不同填料类型时预冷库内空气温度随时间的变化Fig.3 Variation of air temperature in the precooling room with time under different packing types

图4所示为不同填料类型时预冷库内循环空气温度降至0 ℃所需的时间和降温速率。由图4可知，填料类型分别为丝网波纹、金属孔板、塑料S型、纸质湿帘和陶瓷波纹时，预冷库内循环空气从约23.0 ℃降至0 ℃所需的时间以及降温速率依次为：55.8 min(0.42 ℃/min)、71.0 min(0.31 ℃/min)、78.4 min(0.31 ℃/min)、82.9 min(0.29 ℃/min)和105.0 min(0.22 ℃/min)，不同填料类型是影响预冷库内循环空气降温速率的重要因素。

图4 不同填料时预冷库内空气温度降至0 ℃的时间和降温速率Fig.4 Time and cooling rate of air temperature in the precooling room reduced to 0 ℃ with different packing

对比5种填料的降温速率可知，采用丝网波纹填料时库内循环空气的降温速率最快，而采用陶瓷波纹填料时最慢。这是由于不同填料类型本身的结构特性和材料，使冰浆溶液中冰晶颗粒与循环空气换热效果不同，因而库内循环空气降温速率不同。采用丝网波纹填料时，库内空气的降温速率最快，这是因为丝网波纹填料具有较大比表面积以及良好布液能力，使循环空气与冰浆的接触面积增大，换热效果得到强化，空气降温速率最快。而采用陶瓷波纹填料时，库内空气降温速率最慢，这是因为陶瓷填料本身具有一定的厚度和比热，在预冷初期时，由于陶瓷本身的温度，使冰浆喷淋在陶瓷表面需要先对陶瓷填料本身进行降温，即在预冷初期过程中，循环空气不能得到有效的冷却，因而空气降温速率相对缓慢。

图5所示为不同填料类型时预冷库内循环空气的平均相对湿度随时间的变化。由图5可知，预冷库内空气的相对湿度均随时间先快速降低后逐渐增大，但增幅不同。预冷过程中库内循环空气相对湿度的增长速率和最终稳定值的大小关系为：丝网波纹(92.1%)>塑料S型(90.5%)>金属孔板(90.2%)>纸质湿帘(90.1%)>陶瓷波纹(90.1%)。这是因为冰浆溶液在填料表面的分布受材质和结构等因素的影响，使不同填料表面的液体分布情况不同，布液情况越好，接触面积越大，传质系数越高，空气可获得更高的湿度。

图5 不同填料类型时预冷库内空气平均相对湿度随时间的变化Fig.5 Variation of average relative humidity of the air in the precooling room with time under different packing types

湿冷换热器采用丝网波纹填料时，库内相对湿度的增长速率大是因为丝网波纹填料比表面积大且具有较好的毛细效果，使冰浆溶液在喷淋至填料表面时，能快速浸润填料表面，同时冰浆溶液在毛细作用下，快速布满丝网的孔隙，有效增大循环空气与冰浆溶液的接触面积，使循环风与冰浆溶液的传热传质效果得到强化。湿冷换热器采用陶瓷波纹填料时，预冷初期陶瓷的相对湿度升高缓慢，可能是因为在预冷初期，陶瓷填料尚未被充分浸润，冰浆在陶瓷表面分布不均匀，此时循环空气与冰浆溶液的液膜接触面积较小，传质效率较低，因而相对湿度升高缓慢。在预冷中期过程中，库内相对湿度快速升高，可能是因为陶瓷本身具有较好的亲水性，能够在填料形成极薄的水层，促进循环风与填料的传质性能，因此，在预冷中期相对湿度能够快速升高。

3.2 填料类型对预冷降温时间的影响

图6所示为不同填料类型时，杏鲍菇的中心平均温度随时间的变化。由图6可知，5种不同填料类型时杏鲍菇预冷从23.0 ℃降至2.0 ℃时间的大小关系为：丝网波纹(70.2 min)<金属孔板(77.4 min)<塑料S波形(89.7 min)<纸质湿帘(97.9 min)<陶瓷波纹填料(108.1 min)。说明不同填料类型会影响杏鲍菇的预冷降温时间，并且湿冷换热器采用丝网波纹填料时，更有利于杏鲍菇的快速降温预冷，而采用陶瓷波纹填料时，杏鲍菇的预冷降温过程相对较缓慢。这是因为不同的填料类型，会影响循环空气与冰浆溶液在湿冷换热器内的传热传质过程，进而影响循环风出口温度和库内空气的降温速率。采用陶瓷波纹填料时，其本身具有一定的厚度和温度，预冷开始时冰浆主要对填料本身进行冷却消耗冷量，预冷库内循环空气的降温速率相对较缓慢，使杏鲍菇预冷时间相对最长。而采用丝网波纹填料时比外表积大且孔隙率高，使冰浆与库内循环空气的热湿交换得到强化而空气降温速率最快，因而杏鲍菇的预冷降温时间最短。

图6 不同填料时杏鲍菇中心平均温度随时间的变化Fig.6 Variation of the average temperature of the center of pleurotus eryngii with time with different packing

3.3 填料类型对温度变异系数的影响

图7所示为不同填料类型时，杏鲍菇中心温度的变异系数随时间的变化。由图7可知，采用不同填料类型时，杏鲍菇中心温度的整体变异系数大小关系为：丝网波纹(0.42%)>金属孔板(0.40%)>塑料(0.33%)>纸质(0.28%)>陶瓷(0.26%)。这是因为在装载量一定时，库内流场情况不变，此时采用丝网填料的湿冷换热器时预冷库内循环空气的降温速率越快(由图6可知)，靠近湿冷换热器出风口的杏鲍菇相比于其他位置的杏鲍菇冷却速度更快，使杏鲍菇彼此温差快速增大、温度离散度增大，温度变异系数达到较高的水平。而采用陶瓷或纸质填料时，由于循环空气降温速率相对缓慢，使杏鲍菇整体温度下降速度变慢，杏鲍菇彼此温差变化较小，温度离散程度小，即温度变异系数小。

图7 不同填料类型时温度变异系数随时间的变化Fig.7 Variation of temperature coefficient of variation with time for different packing types

3.4 填料类型对失重率的影响

图8所示为不同填料类型时杏鲍菇的预冷前后质量差和失重率。由图8可知，采用不同填料类型时，杏鲍菇失重率的大小关系依次为：丝网波纹(2.65%)<金属孔板(2.85%)<塑料S型(3.07%)<纸质湿帘(3.26%)<陶瓷波纹(3.42%)。

图8 不同填料类型时杏鲍菇的质量差和失重率的变化Fig.8 Variation law of weight loss and weight loss rate of pleurotus eryngii with different packing types

循环空气在冷却果蔬的过程中会带走果蔬的水分，使果蔬失去质量，增大循环空气的相对湿度或缩短果蔬预冷降温时间，果蔬的失重率均相应减小。综合图5和图6可知，相比于其他填料，采用丝网波纹填料的湿冷预冷库内循环空气相对湿度增加速度最快、杏鲍菇预冷降温时间最短，有利于杏鲍菇失重率的减小，因而杏鲍菇失重率最小，为2.65%。而采用陶瓷波纹填料时，循环空气相对湿度增加速度最慢且杏鲍菇预冷降温时间最长，杏鲍菇失重率最大，为3.42%。

3.5 湿冷预冷库性能差异显著性分析

表4所示为填料类型对冰浆湿冷预冷库性能影响的显著性分析。由表4可知，以丝网波纹为填料时，库内降温速率及最终相对湿度显著大于其他填料(P<0.05)；5种填料下杏鲍菇降温时间显著不同(P<0.05)；以陶瓷波纹和纸质湿帘为填料时，杏鲍菇温度变异系数显著小于其他填料(P<0.05)；以丝网波纹和金属孔板为填料时，杏鲍菇失重率显著小于其他填料(P<0.05)。

表4 填料类型对冰浆湿冷预冷库性能影响的显著性分析Tab.4 Significance analysis of the effect of different packings on the performance of ice-slurry wet precooling storage

4 结论

本文以预冷库内温湿度、预冷降温时间、温度变异系数、样品失重率为评价指标，采用杏鲍菇为预冷对象，改变填料类型进行了冰浆预冷系统负载预冷实验，得到如下结论：

1)5种填料下的冷库循环空气终温均趋于-1 ℃，且湿度最终均稳定在90%以上，满足杏鲍菇的预冷最佳条件。用丝网波纹填料的冷库循环空气的降温速率和相对湿度均显著高于其他填料(P<0.05)，分别为0.42 ℃/min和92.1%。

2)在预冷降温时间方面，以丝网波纹为填料冷库的预冷时间显著短于其他填料(P<0.05)，为70.2 min，使用丝网波纹填料降温时间优势显著。

3)在预冷均匀性方面，以陶瓷波纹、纸质湿帘为填料冷库的温度变异系数显著小于其他冷库(P<0.05)，分别为0.26%、0.28%，预冷较均匀。

4)在杏鲍菇预冷前后质量变化方面，使用丝网波纹、金属孔板填料的冷库失重率显著小于其他填料(P<0.05)，分别为2.65%、2.85%。以丝网波纹或金属孔板为湿冷系统填料可有效减少杏鲍菇预冷前后质量差。