冰浆喷淋量对湿冷预冷系统性能影响的实验研究

2021-07-05任学铭武卫东王子安朱群东

制冷技术 2021年2期

任学铭，武卫东，王子安，朱群东

（上海理工大学制冷与低温工程研究所，上海 200093）

0 引言

采后预冷作为农产品冷链物流的首要环节，可快速排除新鲜农产品的田间热，对于保持果蔬品质、延长果蔬储藏期具有重要意义[1]。据统计[2]，在整个冷藏链中不经过预冷处理的蔬菜在流通中的损耗率约为25%～30%，而经过预冷处理的蔬菜损耗率仅为5%～10%。对果蔬预冷贮藏的相关研究[3-4]表明，“湿冷预冷”系统因能产生低温高湿的空气，有利于果蔬的预冷保鲜，能很好抑制果蔬水分的流失，在我国的果蔬预冷保鲜和储藏中具有良好的推广前景。

果蔬湿冷预冷系统的原理是通过机械制冷或蓄积能量的方法获取温度接近0 ℃的冷冻水，然后将低温冷冻水作为载冷剂喷淋至混合换热器中，进行冷冻水、空气之间的直接热湿交换，使冷库内空气快速降温冷却，同时获得较高的相对湿度，从而为果蔬的预冷保鲜提供一个低温高湿的环境[5]。薛丽等[6]分析比较了湿冷保鲜系统与常规冷库对果蔬保鲜适应性，指出湿冷预冷系统具有预冷速度快、库内温湿度稳定、果蔬预冷成本低等诸多优势。王群等[7]搭建了湿冷预冷系统，实验对比了湿冷系统和普通机械冷库中草莓的预冷性能，结果显示与普通机械冷库相比，湿冷系统预冷温度、湿度波动更小，且预冷速率更快，更适合于草莓预冷。GEESON等[8]对比了湿冷系统与机械冷库对甜玉米的保鲜效果，结果表明湿冷系统对甜玉米的保鲜方式更优。综上，湿冷系统在果蔬的预冷保鲜方面具有冷却快、效果好、适用范围广、使用安全等优势，但由于传统湿冷系统的载冷剂为0 ℃附近的低温冷冻水，其存在储冷能效低、负荷响应速度慢、占地面积较大等问题，使得传统湿冷技术无法得到较好的推广。

冰浆又称“冰晶、冰泥”，是一种由载流体（冷水溶液）、冰晶颗粒和分散剂（也称添加剂、冰点抑制剂）组成的新型优良载冷剂[9]。与传统载冷剂相比，冰浆具有流动与传热特性好、潜热蓄能密度大、负荷响应速度快以及安全等特点，在食品储藏、医药和建筑等领域有广泛的应用前景[10]。BELLAS[11]通过实验对比了冰浆与冷冻水的换热性能，结果表明，在相同条件下含冰率为5%～30%的冰浆的冷却能力是冷冻水的5～6倍，且流动性较好。但目前为止，湿冷系统仍以冷冻水为载冷剂，较少看到以冰浆为载冷剂的湿冷系统的报道。

考虑到动态冰浆作为新型制冷剂，其在换热及储能方面的特性均优于冷冻水。王子安等[12]在传统湿冷预冷技术的基础上，提出了以冰浆作为载冷剂的冰浆式湿冷蒸发器，并搭建了小型冰浆湿冷预冷库实验台，经过初步的预冷实验研究，发现冰浆式湿冷预冷系统能较好满足果蔬预冷所需的低温高湿的条件，适用于果蔬的预冷保鲜。本课题组前期研究中，也发现冰浆喷淋流量对果蔬的预冷降温效果具有重要的影响。

本文通过改变冰浆的喷淋流量，实验研究了不同冰浆喷淋流量对苹果预冷性能的影响，对比了不同载冷剂（冰浆与冷冻水）对湿冷负载预冷效果的影响，并进行了相关机理分析。

1 实验系统

图1所示为设计的冰浆式湿冷预冷系统原理。主要由冰浆式湿冷蒸发器、预冷库和蓄冰槽等组成。

图1 冰浆式湿冷预冷库系统原理

其中，预冷库是果蔬降温冷却的区域，其内部为800 mm×800 mm×900 mm的方形腔体；蓄冰槽主要用于储存制备好的冰浆溶液，其有效容积为160 L，并在内部安装搅拌器，通过不断搅拌保证冰晶的均匀分布，防止冰晶团聚形成富冰层；湿冷蒸发器是对库内空气进行降温加湿的关键部件，主要由外壳、填料、风机和喷淋器组成，其结构如图2所示，填料采用尺寸为200 mm×200 mm×300 mm的金属孔板波纹填料，风机为轴流变频风机，喷淋器为增压式喷头。

图2 冰浆式湿冷蒸发器结构

该系统的主要工作流程及原理为：利用机械制冰和蓄积冷量的方法制取冰晶粒子，将制取的冰晶粒子与冷冻盐水配置成实验所需的冰浆，并储存于蓄冰槽中；通过变频泵将蓄冰槽中的冰浆输送至湿冷蒸发器上部的喷淋器，均匀喷淋在湿冷蒸发器的填料表面；库内循环空气在轴流风机的强制作用下横掠过填料区域，与喷淋在填料表面的冰浆直接接触进行热湿交换（冰晶粒子融化吸收空气热量、水分蒸发进入空气）；热湿交换完成后的低温高湿的空气吹入预冷库内，对库内摆放的果蔬进行降温后回到风机进风口，完成一个循环（空气流动参见图1中箭头所示）。

2 实验方法及数据处理

2.1 测点布置及仪表

本实验测量的参数主要有：冰浆式湿冷蒸发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、苹果的质量和中心温度、冰浆的流量和温度（各测点布置如图1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、电子计重器，其相关信息如表1所示。

表1 测量仪器相关信息

2.2 实验方法及工况

实验材料的选择：选取20个成熟度一致、大小均匀（直径70 mm左右）的苹果（苹果的最佳贮藏温度在0 ℃左右，湿度在85%～95%最佳，预冷温度0～5 ℃为宜[13]）。

实验方法：首先对实验选取的20个苹果进行称重，并选取6个苹果在其中心处布置T型热电偶，然后将苹果布置于冷库内，关闭冷库库门，静置一段时间；同时制备充足的冰浆溶液（冷冻水）储存于蓄冰槽中；直到库内温度和相对湿度等测点参数基本稳定，开启循环泵，通过调节变频器和观察流量计示数，来调节冰浆的流量；打开循环风机，设置风机送风速度为1.5 m/s；通过安捷伦数据采集软件在线观察实验过程中各参数的变化；直到库内苹果中心平均温度稳定在5 ℃左右，结束实验，并快速对苹果进行称重。

具体实验工况如表2所示。这里含冰率（6%）和分散剂浓度（6%）等参数工况是基于我们前期优化实验而确定的[14]。

表2 实验工况条件

2.3 主要评价指标

为了评价湿冷预冷系统对苹果预冷性能的影响，本文采用降温速率、失重率和均匀度作为主要评价指标。

降温速率是指苹果从初始温度降低至预冷温度的差值与所对应时间的比值，由式(1)计算[15]：

式中，ν为苹果的降温速率，℃/h；Ta0为苹果的初始温度，℃；Ta为预冷完成时的温度，℃；τ为苹果从初始温度降低至预冷完成温度所对应的时间，h。

失重率是衡量预冷时果品水分损失程度的重要指标，为实验结束后苹果减少的质量占实验前苹果质量的百分比，由式(2)计算[16]：

式中，W为失重率，%；W1为苹果的初始质量，kg；W2为苹果预冷后的质量，kg。

均匀性是由各测点苹果温度的均匀度衡量，采用反映温度参数离散程度的无量纲数σ表示，由式(3)计算[17]：

式中，σ为冷却均匀度，范围为0～1；为各测点平均温度，K；ti为各测点苹果中心温度，K；n为测点个数。

该函数通常用以衡量各测点温度值与平均温度值的偏离程度。σ越小，表明各测点温度值越相近，冷却预冷均匀性越好。

2.4 不确定度分析

本系统中各关键参数的测量不确定度主要由相关测量仪器的精确度引起，现根据MOFFAT[18-19]准则对本实验系统中各测量值进行不确定度分析。不确定度计算如式(4)、式(5)和式(6)所示。实验中各直接测量参数的不确定度可由式(4)计算，果蔬预冷性能相关参数的相对不确定度由式(5)和式(6)计算：

式中，u为测量不确定度；a为区间半宽度；k为置信因子，当测量点均匀分布时，取k=；R为间接被测量参数；Xi表示第i个直接被测参数；uc(R)为合成标准不确定度；uc(R)/R为合成相对不确定度。

经计算得到预冷库内温度测量不确定度为0.11 ℃，相对湿度的测量不确定度为0.86%，苹果中心温度的测量不确定度0.11 ℃，苹果质量的测量不确定度为0.03 g。苹果降温速率的合成相对不确定度为2.68%，失重率的合成相对不确定度4.24%，冷却均匀度的合成相对不确定度为3.81%。

3 实验结果与分析

3.1 冰浆喷淋流量对预冷时间和降温速率的影响

为了测试不同冰浆喷淋流量对苹果预冷时间和降温速率的影响，分别在喷淋流量为50、75、100、125和150 L/h下对苹果进行预冷实验。测得不同冰浆流量时苹果的预冷时间，并按上述式(1)计算，求得不同冰浆流量下苹果的平均降温速率，结果如图3所示。

图3 不同冰浆流量下苹果预冷时间和平均降温速率变化

由图3可知，对应冰浆体积流量为50、75、100、125和150 L/h时，苹果的预冷时间依次为157、136、116、105和98 min，平均降温速率依次为5.7、7.0、8.2、8.8和9.0 ℃/h。可以发现，随着冰浆喷淋流量的增加，苹果预冷时间先明显降低后趋于平缓，平均降温速率先明显升高后也趋于平缓。以降温速率为例，在冰浆流量50 L/h增加至150 L/h过程中，苹果预冷降温速率的增大值逐渐减小依次为：2.3、1.2、0.6和0.2 ℃/h，增幅明显减小依次为：40%、17%、7%和2%。这是因为随着冰浆喷淋流量的增加，填料表面会逐渐被冰浆溶液覆盖形成液膜，使得循环空气与冰浆的接触面积逐渐增加、热湿交换速率逐渐加快，苹果的预冷时间缩短、平均降温速率逐渐提高；但由于循环风量一定，即循环空气与冰浆的热湿交换量存在一定的上限，因此当冰浆流量增加至一定值（125 L/h）后，循环风与冰浆的换热量将趋于饱和，继续增加冰浆流量，对循环空气与冰浆的热湿交换量影响较小，使得苹果的预冷降温速率逐渐趋于平缓。综上所述，本实验中存在最佳冰浆喷淋流量为125 L/h，当流量低于最佳值时，增加冰浆流量苹果的降温速率提高，当流量达到最佳值后，继续增加冰浆流量并不会使苹果的降温速率明显增加，反而使过多的冰浆溶液不参与热湿交换，造成冰浆的浪费以及泵功耗的增加，不利于能源节约。

3.2 冰浆喷淋流量对预冷失重率和均匀度的影响

图4所示为不同冰浆流量下，苹果预冷完成时的失重率和均匀度。由图4可知，对应冰浆流量为50、75、100、125和150 L/h时，苹果的失重率依次为2.03%、1.31%、0.8%、0.56%和0.29%。说明随着冰浆喷淋流量增加，苹果预冷失重率逐渐减小。这是因为苹果的失重率主要是在预冷过程中，由于苹果表面水蒸气分压大于循环空气水蒸气分压（即存在一个水蒸气压力差时），苹果表面的水分在压力差的作用下蒸腾至空气中，使得苹果质量减小。随着喷淋流量增加，空气与冰浆接触面积增大、热湿交换效果增强，冷库内空气的相对湿度升高，这使得循环空气与苹果表面的水蒸气压力差减小，苹果的蒸腾作用减弱；同时随着喷淋流量增加，苹果降温速率加快，预冷时间缩短，减少了循环风与苹果的接触时间，两方面共同作用，使得预冷过程中随着冰浆喷淋流量的增加，苹果水分流失减少、失重率减小。

图4 不同冰浆流量下苹果预冷失重率和均匀度变化

值得注意的是，冰浆流量为150 L/h时，失重率较小仅为0.29%，远低于果蔬冷库储藏的失水要求5%[20]，其进一步降低的空间存在一定的限度，并且由上一节分析可知，继续增加冰浆流量，循环空气与冰浆的热湿交换速率以及苹果的降温速率均趋于稳定，这使得循环风与苹果的接触时间将无明显缩短。因此可以预见继续增加冰浆流量，对苹果预冷失重率降低的影响作用不明显。

由图4还可知，苹果预冷结束后的均匀度随喷淋流量的增加而小幅升高。喷淋流量最小为50 L/h时，预冷均匀度最小为0.17，而在喷淋流量最大为150 L/h时，均匀度最大为0.3。这是因为在冰浆流量较小时，冰浆与空气热湿交换速率相对降低，循环空气温度下降的速率相对较小，预冷过程中空气与苹果的温差相对较小，这使得各测点苹果中心温度下降速率相对缓慢，各测点苹果中心温度越来越接近，因而预冷均匀性较好。

综上所述，冰浆喷淋流量是影响苹果预冷降温速率的重要因素，在一定范围内（50～150 L/h），提高冰浆喷淋流量，会缩短预冷时间、减少预冷失重率，但也会导致预冷完成时的均匀度有所增加，若继续增加冰浆流量，苹果的降温速率将趋于稳定，且对预冷失重率降低的影响不明显，因此在实际应用中需要合理设置冰浆流量，不宜一味通过增加冰浆流量来实现综合预冷效果的优化。

3.3 不同载冷剂对苹果预冷效果的影响

为了测试不同载冷剂对湿冷预冷系统性能的影响，分别使用冰浆和冷冻水作为载冷剂对苹果进行预冷实验，其中冰浆的含冰率为6%，分散剂浓度为6%；冷冻水含盐率为6%，维持在冰点温度。控制载冷剂喷淋流量为125 L/h，其它条件保持不变。

图5所示为不同载冷剂时，苹果中心平均温度随时间的变化。表3所示为不同载冷剂时，苹果的平均降温速率和预冷完成时的失重率。由图5及表3可知，在两种不同的载冷剂下，苹果中心平均温度均随时间快速降低，满足苹果预冷需求。对比两种不同载冷剂的预冷效果，可以发现，冷冻水为载冷剂时，苹果的预冷时间为135 min，平均降温速率为7.6 ℃/h；而在以冰浆为载冷剂时，苹果的预冷时间为107 min（缩短了28 min，约21.5%），平均降温速率为8.8 ℃/h（提高了1.2 ℃/h，约15.8%），即冰浆为载冷剂时，苹果的预冷时间更短，平均降温速率更快。这是因为在相同体积流量下，冰浆与循环空气进行热湿交换时，其所携带的冰晶粒子能释放出大量融化潜热（冰的潜热约为335 kJ/kg）冷却循环空气，使得空气的降温速率更快，进而对苹果的降温冷却更快。此外，由表3可知，以冰浆为载冷剂相较于冷冻水为载冷剂时，苹果的失重率下降了0.41%，这表明以冰浆为载冷剂能有效降低苹果的失重率，达到更好的预冷保鲜效果。

图5 不同载冷剂时苹果中心平均温度随时间变化

表3 不同载冷剂时苹果的平均降温速率和失重率

图6所示为不同载冷剂时，苹果预冷过程中均匀度随时间的变化。由图6可知，在不同载冷剂时苹果的均匀度均呈现出先上升后降低的趋势。这主要是因为在苹果预冷初期，由于库内流场不均匀、温度场分布不均匀，不同测点处苹果降温速率不同，因此冷却均匀度升高；但随着预冷过程的进行，苹果温度逐渐降低，与库内空气的温差逐渐减小，使得苹果降温速率减缓，各测点苹果中心温度逐渐趋于一致，均匀性得到改善，因此预冷均匀度减小。

图6 不同载冷剂时苹果预冷均匀度随时间的变化

此外，对比两种不同载冷剂时苹果预冷均匀度，可以发现，在整个预冷过程中，冷冻水为载冷剂对苹果预冷的均匀度小于冰浆预冷的均匀度。这是因为在相同体积流量下，冷冻水的载冷量相对较少，使得循环空气的降温速率相对较慢，进而苹果的降温速率越慢，各苹果中心温度越接近，均匀度越小。进一步对比可以得出，冰浆和冷冻水为载冷剂时，苹果预冷完成时的均匀度分别为0.27和0.23，表明冰浆为载冷剂时苹果预冷完成后的均匀度略高于冰浆为载冷剂，但均匀度相差较小（仅为0.04），对苹果预冷完成后的保鲜影响不大。综上所述，以冰浆为载冷剂相较于冷冻水为载冷剂时，苹果的预冷时间更短，平均降温速率更快，且苹果的失重率更低，更有利于苹果的预冷保鲜。