低温冷库防冻胀技术分析

唐福波，李鹏，喻全龙，黎桂聪，罗晓生，李静

（中建二局第一建筑工程有限公司，北京 100000）

1 引言

近些年，国内关于生鲜产品的运输量飞速增长，每年均在3 亿吨以上[1]。但在运输过程中，不完善的冷链物流会导致大量果蔬在运输途中损坏、腐烂，损耗量接近总量的20%～30%[2]。有学者研究得出，如果制定运输过程中的预冷措施，能够在很大程度上降低果蔬的损耗率，大大增加生鲜产品的质量[3]。在当前各种预冷方法里，对于水分含量较高且容易失去水分的果蔬，湿冷预冷有非常明显的优势[4]。冰浆湿冷换热器作为新式湿冷预冷系统的重要部分[5]，在湿冷换热器填料外部喷淋冰浆，和循环空气接触发生热质交换。填料种类不同，其结构形式和特工性能也不同，所以填料类型会对上述热值交换过程造成直接影响，也会对冰浆湿冷预冷系统的预冷效率造成较大的影响[6-7]。

基于此，为了分析各类填料对冷库预冷效果的影响，本文以杏鲍菇为分析对象，通过室内模拟实验的方式研究冷库的内空气温降速度、温降时间、相对湿度的变化趋势。

2 填料选择和实验方式

2.1 填料选择

填料的种类一共有4 种，分别是波纹丝网、纸质湿帘、金属孔板以及陶瓷波纹填料，各类填料的相关指标如表1 所示。

表1 各类填料的相关指标

2.2 实验装置的设置

实验装置具体由循环水泵、蓄冰槽、湿冷换热器、模拟预冷库等组成。在预冷库中放置一方形腔体，长×宽×高为80cm×80cm×90cm，在此腔体中进行物品的降温冷却。蓄冰槽的有效容量为0.15m3，功能是保存实验用的冰浆溶液，配备的扇叶状搅拌器能够避免冰晶结集。库中湿润和冷却的重要部分为湿冷换热器，它的主要组成为填料、外壳、增压式喷淋器和变频风机。系统的运行机理和过程是把冷冻盐水和冰晶粒子混合在一起配制或符合实验的冰浆溶液，并保存在蓄冰槽里；之后存放的冰浆溶液会通过变频泵输送到湿冷换热器中，再由上部喷淋器将其喷淋到填料外部；风机形成的强劲风力作用在库内空气上，使空气穿过填料间的空隙，和填料间的冰浆溶液完成热量交换；热量转换完成后的高湿低温空气输送至预冷库中，对库内物品进行降温，最后再回送至风机进风口，至此循环完成。

实验过程中需要测量的指标包括预冷库中空气的相对湿度和温度、湿冷换热器出风口和进风口位置空气的对湿度和温度、杏鲍菇的中心温度和质量、冰浆的温度和流量。

2.3 测试工况和实验方式

实验时预冷对象选择成熟度相同、个头均匀的杏鲍菇。将常温条件下负载湿冷预冷库开启到杏鲍菇结束预冷视作一个实验周期[4]，以此研究湿、冷负荷最大工况时，各类填料对库中杏鲍菇降温效果、循环空气增湿降温效率的影响。表2为实验工况的具体信息。

表2 实验工况的具体信息

具体实验步骤为：

在蓄冰槽里保存好配制的冰浆溶液；

称重并挑出12 个杏鲍菇样品，将T型热电偶放置在杏鲍菇中心位置并送至冷库中，将库门关闭静置；

观察温湿度传感器，当库中各参数基本稳定后开启循环泵，观测流量计示数并调节变频器，同时把冰浆流量调节到合适的值；

开启库中轴流风机，调整送风速度；

当库里杏鲍菇中部平均温度保持在2°C 左右时开启库门，称重并记录数据，此次实验结束。

按次序更换湿冷换热器填料，重复上述步骤三次。

2.4 评价指标

湿冷预冷系统对杏鲍菇预冷效果的评价指标主要为最终库内稳定湿度和温度、预冷降温时间。

3 实验结果分析

3.1 填料种类对预冷库温湿度的影响

实验过程中将温湿度测点安装在预冷库的周围壁面上，以此测出预冷时库中相对湿度和温度的变化趋势。图1 为预冷库填料不同时，库中空气温度随时间变化的变化趋势。由图可知，库中循环空气最终温度都保持在-1.01℃左右，并且随着时间的增长，各填料类型库中空气温度下降趋势大致相同，均呈现为先快速减小、后逐渐趋于平稳。但对于四种填料来说，陶瓷波纹填料冷库库内温度始终高于其他类型填料，而波纹丝网填料一直处于最低水平。

图1 预冷库填料不同时，库中空气温度随时间变化的变化趋势

填料种类不同时，预冷库库中循环空气温度减小到0℃时的速度和时间如图2所示。由图2可知，各类填料的预冷库中循环空气从23.0℃左右减小到0℃的温降速度和时间分别是陶瓷波纹（0.23℃/min 和106.0min）、纸质湿帘（0.30℃/min 和83.0min）、金属孔板（0.31℃/min 和71.1min）、波纹丝网（0.43℃/min 和55.9min），由此能够看出预冷库中循环空气温降速度受填料种类的影响较大。

图2 填料种类不同时，预冷库中循环空气预冷时间温降速度

对各填料温降速度进行比较能够得出，库内循环空气在填料选择波纹丝网时降温速度最快，而填料种类为陶瓷波纹时降温速度最慢。造成这种现象的原因是填料类型的不同，其各自的材料和结构特性也有所不同，导致循环空气与冰晶颗粒间热量转换的效果存在差异，所以冷库填料种类不同时，降温速度也不同。波纹丝网降温速度最快的原因是波纹丝网填料比表面积较大且布液能力较好，增大了冰浆和循环空气的接触面积，提高了热量转换的效果，使空气温度减小的速度大大增加。而陶瓷波纹降温速度最慢的原因是陶瓷填料有着一定的比热和厚度，在刚开始预冷时，因为陶瓷自身存在的温度，间接削弱了冰浆液的温降效果，使循环空气无法被充分冷却，所以空气温度减小速度就比较慢。

填料种类不同的预冷库在时间增长下库中循环空气的平均相对湿度的变化趋势如图3所示。由图3可知，时间增长下库中空气相对湿度表现出先迅速减小、再缓慢提高的趋势，但填料种类的不同，提高的程度也有所差异。各填料类型的冷库所对应的空气相对湿度的最后稳定值和增长速度由小到大分别是陶瓷波纹（90.2%）＜纸质湿帘（90.3%）＜金属孔板（90.4%）＜波纹丝网（92.2%）。出现这种现象是由于填料种类的不同，其结构类型和材质也不同，导致冰浆溶液在其表面的分布情况也有所差异，液体分布更好，接触就越充分，传质系数越高，空气湿度就更高。

图3 各填料预冷库库中循环空气的平均相对湿度的变化趋势

3.2 预冷温降时间受填料种类的影响

填料种类不同时，杏鲍菇的中心平均温度随时间变化的变化趋势如图4 所示。由图4 可知，各类填料冷库中预冷杏鲍菇从23.0℃减小到2.0℃所耗费的时间从大到小依次是陶瓷波纹填料（108.2min）＞纸质湿帘（98.8min）＞金属孔板（76.5min）＞波纹丝网（71.3min）。这表示杏鲍菇的预冷温降所耗费的时间会受填料种类的影响，当湿冷换热器的填料选择波纹丝网时，能够缩短温降所耗费的时间，有助于杏鲍菇的降温预冷，但将填料换成陶瓷波纹时，温降所耗费的时间就大大增加，使这个过程变得较为缓慢。这种现象是由于在填料种类不同时，湿冷换热器中的冰浆溶液和循环空气间热量交换过程会受到较大的影响，从而改变了库内空气的温度减小的速度和循环风出口温度。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温度降低速度相对较缓慢，使杏鲍菇预冷时间相对最长。填料种类为丝网波纹时，其有着较高的孔隙率和比外表积，能够提高库中循环空气和冰浆的热量交换效率，所以大大缩短了预冷降温所耗费的时间。

图4 各填料冷库杏鲍菇的中心平均温度的变化趋势

4 结论

为了分析各类填料对冷库预冷效果的影响，本文以杏鲍菇为分析对象，通过室内模拟实验的方式研究了冷库的内空气温降速度、温降时间、相对湿度的变化趋势，结论如下。

①各类填料的预冷库库中循环空气从23.0℃左右减小到0℃的温降速度和时间分别是陶瓷波纹（0.23℃/min 和106.0min）、纸质湿帘（0.30℃/min 和83.0min）、金属孔板（0.31℃/min 和71.1min）、波纹丝网（0.43℃/min 和55.9min），由此能够看出预冷库中循环空气温降速度受填料种类的影响较大。

②库内循环空气在填料为波纹丝网时，温度减小至0℃所需要的时间是最短的，而填料种类为陶瓷波纹时所耗费的时间最长；时间增长下库中空气相对湿度表现出先迅速减小、再慢慢提高的趋势；各填料类型冷库所对应的空气相对湿度的最后稳定值和增长速度由小到大分别是陶瓷波纹（90.2%）＜纸质湿帘（90.3%）＜金属孔板（90.4%）＜波纹丝网（92.2%）。

③各类填料冷库中预冷杏鲍菇从23.0℃减小到2.0℃所耗费的时间由大到小依次是陶瓷波纹填料（108.2min）＞纸质湿帘（98.8min）＞金属孔板（76.5min）＞波纹丝网（71.3min）。填料种类为丝网波纹时，其有着较高的孔隙率和比外表积，能够提高库中循环空气和冰浆的热量交换效率，大大缩短了预冷降温所耗费的时间。