果蔬气调保鲜液氮充注汽化模型的构建与验证

夏晶晶+王广海+吕恩利+侯可明

摘要：为预测果蔬气调保鲜液氮充注汽化器的出口温度，搭建了液氮充注汽化试验平台，构建了汽化器的汽化模型，总结了不同翅片间距、迎面风速条件下对应汽化器的出口温度，利用MATLAB软件对该汽化模型进行数值求解；开展液氮充注试验，测得汽化器出口温度在不同翅片间距、迎面风速等条件下的实际数值，并与汽化模型的数值计算结果进行对比。结果表明，汽化模型求解结果与试验结果的总体趋势保持一致，误差较小，验证了模型的准确性，为果蔬气调保鲜液氮充注汽化器进一步优化设计提供了理论基础。

关键词：果蔬；气调保鲜；液氮充注；汽化模型；出口温度；翅片间距；迎面风速

中图分类号： TS255.3

文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2016）04-0374-03

液氮充注式气调方式是国内外较为先进的果蔬保鲜贮藏和运输技术，具有效率高、成本低等优点。液氮蕴含巨大的冷能，进行液氮充注时汽化器出口温度过低会对果蔬造成冷害[1-4]，为了更精确预测果蔬气调保鲜液氮充注汽化器的出口温度，有必要建立汽化器的汽化模型。苏海林通过研究翅片管换热器的结霜机理优化设计了换热器结构[5]。陈瑞球等结合试验，研究低温条件下肋片管蒸发器结霜对传热性能的影响，分析了肋片间距、相对湿度、风速和传热系数的关系[6]。王云龙等运用一系列经验公式对翅片管换热器、汽化器、蒸发器进行设计计算及研究[7-15]。针对液氮充注式汽化器的理论研究还相对较少。本试验结合低温热交换的经验公式对液氮充注式汽化器换热特性展开研究，利用理论公式、经验公式建立了汽化器的汽化模型，并对该模型进行计算求解，通过试验对比验证模型的准确性，为果蔬气调保鲜液氮充注汽化装置的设计提供了参考依据。

1 试验装置

如图1所示，液氮充注式汽化器主要由盘管、翅片、进液管、出气管和两端的端板组成，通过机械胀管的方式在盘管上加装翅片，可以增大传热面积[16]，提高汽化器的换热效果，加快液氮的汽化速率。汽化器的结构参数如下：盘管选用9.5 mm×1.0 mm的紫铜管，单根管长850 mm，总管数为16根，沿空气流动方向的管排数为2排，管束按正三角形叉排排列，翅片为平翅片，翅片长200 mm，宽45 mm，翅片厚度为 0.3 mm。根据试验需要，按翅片间距不同共设计加工了4套汽化器，其翅片间距分别为4、5、6、7 mm。

铜管外径D0=9.5 mm，翅片厚度δf=0.3 mm，翅片间距Sf=5 mm，管中心距S1=25 mm，沿气流流动方向管间距S2=S1cos30°=25×3/2=21.65 mm，管内径di=7.5 mm，套片后管外径db=D0+2δf=10.1 mm，紫铜管壁厚δ=1 mm，根据经验值可知紫铜管热导率λ=393 W/（m·K） 。

2 汽化模型构建

从图2可以看出，随着汽化器翅片间距的增大，汽化器出口温度的预测值和试验值均逐渐下降，整体趋势基本一致，翅片间距为7 mm时预测值与试验值的差值最小。从图3可以看出，随着迎面风速的增大，汽化器出口温度的预测值、试验值均逐渐升高，整体趋势一致，预测值和试验值的误差较小。通过与试验值进行对比，进一步验证了液氮汽化模型的准确性。

4 结论与讨论

为了预测液氮充注式汽化器的出口温度，建立了汽化器的汽化模型，并对模型进行计算求解，得出汽化器出口温度的预测值，并与试验值进行了验证，结果表明：预测值与试验值整体变化趋势基本一致，数值误差较小，液氮汽化模型构建合理，数据准确，为果蔬气调保鲜液氮充注汽化器进一步优化设计提供了理论基础。

参考文献：

[1]李建黎. 我国果蔬气调保鲜产业存在的问题及对策[J]. 农业工程技术：农业产业化，2006（4）：55-56.

[2]王广海，吕恩利，陆华忠，等. 保鲜运输用液氮充注气调控制系统的设计与试验[J]. 农业工程学报，2012，28（1）：255-259.

[3]吕恩利，陆华忠，罗锡文，等. 果蔬气调保鲜运输车的设计与试验[J]. 农业工程学报，2012，28（19）：9-16.

[4]Ravindra M R，Goswami T K. Comparative performance of precooling methods for the storage of mangoes （Mangifera indica L.cv. amrapali）[J]. Journal of Food Process Engineering，2008，31（3）：354-371.

[5]苏海林. 低温翅片管换热器表面结霜机理研究[D]. 兰州：兰州理工大学，2008：73.

[6]陈瑞球，韩学廷. 肋片管蒸发器结霜对传热性能影响的实验研究[J]. 暖通空调，2005，35（2）：15-19.

[7]王云龙. 翅片管式换热器设计软件开发及影响参数研究[D]. 大连：大连理工大学，2013：97.

[8]潘俊兴. 低温槽车排液自增压汽化器的设计计算[J]. 低温工程，1996（1）：43-47.

[9]昌 锟. 低温翅片管换热器的设计计算研究[D]. 兰州：兰州理工大学，2006：82.

[10]陈叔平，来进琳，陈光奇，等. 低温工况下翅片管换热器的设计计算[J]. 低温与超导，2008，36（4）：12-14，22.

[11]郑桂玲. 低温液体罐车自增压汽化器的设计[J]. 中国化工装备，2003，5（1）：39-43.

[12]陈叔平. 低温贮罐自增压汽化器的设计计算[J]. 深冷技术，1996（4）：19-22.

[13]刘雪玲. 螺旋翅片管换热器换热性能试验及计算机辅助试验[D]. 杭州：浙江大学，2003：90.

[14]吕丹丹. 平行流蒸发器结构参数对空气侧换热和阻力性能影响研究[D]. 长沙：中南大学，2012：73.

[15]谭月普，欧阳新萍. 套片式翅片管换热器传热与空气流动阻力性能试验研究[J]. 低温与超导，2009，37（5）：66-68，71.

[16]吴业正. 小型制冷装置设计指导[M]. 北京：机械工业出版社，1998：66-142.胡国文，陆志峰，林 萍，等. 无级型交变磁场发生装置的设计[J]. 江苏农业科学，2016，44（4）：377-380.