水冷管式换热系统的设计与性能研究

杨雷(山西太原市阳煤化工机械（集团）有限公司)

普通机械冷库在工作时相应的半冷时间长。为了增加对湿度，普通机械冷库通常采用微量喷雾来防止蔬菜脱水。但在喷雾过程中会导致冷库内形成大小不一的水滴，这些水珠附着于果蔬表面，果蔬出现水渍状凹斑和萎缩，导致细菌繁殖，进一步造成果蔬腐烂变质。为了解决上述问题，改进的方法是采用湿冷空气入库进行果蔬的湿冷保鲜。本文以果蔬保鲜为研究对象，采用湿冷库系统研究水冷管式换热器的设计和计算方法，为今后的普及和推广应用提供有效依据。

1 计算方法

1.1 货架降温速率

湿冷库中的货架采用的是不锈钢材质，不锈钢货架的质量为30kg，相应的比热容数值大小为0.5kJ/(kg·K)，可以计算得出对湿冷库中的不锈钢货架的降温速率(Q2)为0.0375kW。此计算结果未考虑其他热量损失。

1.2 湿冷库库体的冷量损失速率

在湿冷库中通常采取PS材料作为库体的保温材料，PS即聚苯乙烯。绝热泡沫PS的厚度为0.2m，PS泡沫的导热系数为0.06W/(m·K)，保温封装用PS的长、宽、高分别为2.5×2.5×2m。根据表面积计算公式得出湿冷库的库体表面积为28m2。最好计算得出库体导热引起的冷量损失速率(Q3)为0.190kW。此计算结果未考虑其他热量损失。

1.3 换热总速率的计算

水冷管式换热器制冷机的冷冻工作条件如下:冷凝温度为35℃，制冷剂的制冷温度为2℃。最后计算得出水冷管式换热器在标准工作状况下其制冷量达到0.63kW。因此按此计算结果可以选用合适的制冷机(制冷机的标准制冷量不应低于上述计算结果0.63kW)来进行果蔬的制冷保鲜。此计算结果未考虑其他热量损失。

2 换热器填料高度的计算

根据传递速率方程，湿冷换热器的填料高度计算公式为：

传递速率方程表示传递体系温度、焓变、温度差与传递速率之间的定量关系。其中Ha表示气相传质系数，kg/(m3·h)，G表示湿冷系统中空气流速，kg/(m2·h)k，I表示湿空气的焓，kJ/kg，Nf表示传递单元数，Hf表示湿冷系统传递单元高度，m，Ie表示饱和湿空气的焓，I1表示湿冷系统换热器底部中湿空气产生的焓变，I2表示湿冷系统换热器顶部湿空气产生的焓变。湿空气平均比热容C=1.021kJ/(kg·K)，湿空气进出口温度差Δt=2℃，最后计算得出湿空气绝干空气的质量流量mg为0.612kg/s。此计算公式未考虑其他热量损失。

3 湿冷系统试验

本文基于上述设计思路和实际计算结果，构建出一套水冷管式换热器冷冻保鲜系统。分别测试此水冷管式换热器冷冻保鲜系统在不同状态时的仪器参数，包括在刚开机和开机后的2.5h后的水箱温度以及空气的温湿度等实验数据。

在本实验中，实际选用的制冷机的制冷功率在0.5kW以上，再加上水冷管式换热器制冷体系中使用的循环水是低浓度的盐水，因而水箱水温和库内空气温度逐渐下降。研究数据表明，水冷管式换热器冷冻体系中的库内的空气流量、填料高度、水箱中的水流量是决定库内空气状态的主要参数，其调节目的是达到运行安全，提高冷管式换热器制冷系统的可靠性。

研究数据显示，湿冷库的预冷效果优于普通冷库。在设置好的工作状态下，水冷管式换热器的工作功率完全能够抵消实际产生的热量，因而使得水冷管式换热器在工作时处于最佳的运行状态。经过改进后的水冷管式换热器进行了多种果蔬的保鲜保质试验。

为了验证水冷管式换热器对多种果蔬都具有保质保鲜作用，因而采用经改进后的水冷管式换热器进行了猕猴桃的预冷试验。综上所述，本文设计出的水冷管式换热器冷冻系统对猕猴桃具有明显的保鲜保质作用。

4 结语

在果蔬的冷冻保鲜过程中，对于提高水冷管式换热器壳体的使用承载能力，防止果蔬出现水渍状凹斑和萎缩导致细菌繁殖有积极的作用,从而为水冷管式换热器的设计制造、实际使用和后期维护、延长使用寿命的关键技术研究提供了有益的指导。水冷管式换热器尤其适用于新鲜果蔬采摘之后的预冷环节，对于新鲜果蔬的保质保鲜也有一定的使用效果和意义。水冷管式换热器不久将迎来丰硕的市场前景。

[1]张晓彦，刘伟民.国内外果蔬涂膜技术动态.食品科技，2000(6):2-3.

[2]时钧，汪家鼎，余国宗等.化学工程手册(上卷).北京:化学工业出版社，1996.