（食品科学专业论文）湿冷系统混合换热器中传热与传质研究.pdf

摘要 湿冷技术在水果蔬菜保鲜方面有其独特的优势，能使库的温度降到适应的保存温度， 且使库内相对湿度保持在9 5 左右。混合换热器为湿冷系统提供高湿低温的空气，所以混合 换热器是其核心部分。 以湿冷系统中混合换热器为主要研究对象，使湿冷技术能够实现宵能与提高保鲜效果 作为总体的研究目标，通过理论和实验分析，确立其实际效果和实用意义。 本文结合工程实际，系统的分析和研究了两种不同送风方式湿冷系统混合换热器。内 容包括：分析混合换热器降温增湿性能的效果：通过改变气液质量流速，获得大量实验数 据；通过程序和线性同归方法得到传质系数、静压损失和气液质量流速之间的关联式：k h a ：2 3 5 7 l “”g o ”8 ；a p = 3 8 6 1 3 l 0 2 5 8 g 0 5 2 0 ；k n , a = 2 9 2 7 l o g o 2 6 7 为湿冷库的使用和设计提 供参考；并且通过比较两种混合换热器，对系统的性能做出评价。 结果表明：横流式混合换热器要优于逆流式混合换热器。 关键词：湿冷系统，混合换热器，传质系数 a b s t r a c t h u m i d i c o l d t e c h n i q u eh a s a p a r t i c u l a r a d v a n t a g ei np r e s e r v i n gf r u i ta n dv e g e t a b l e f r e s h ，m a k i n gr e f r i g e r a t o r y st e m p e r a t u r e d e c r e a s e a p p r o p r i a t et e m p e r a t u r ea n dr e f r i g e r a t o r ) , s r e l a t i v eh u m i d i t ya b o u t9 5 t h em i x e dh e a te x c h a n g e rp r o v i d e s h i g h h u m i d i t ya n d l o w t e m p e r a t u r ea i rf o rh u m i d i c o l ds y s t e m ，s oi ti sah a r d c o r ep a r t t h em i x e dh e a te x c h a n g e ri nh u m i d i c o l ds y s t e mi st h ep r i m a r yr e s e a r c h f u lo b j e c ta n dt h a t h u m i d i c o l d m c h n i q u ec o u l de c o n o m i z ee n e r g ya n di m p r o v ee f f e c ti np r e s e r v i n gf r u i t a n d v e g e t a b l ef r e s hi st h et o t a lg o a l b ya c a d e m i ca n de x p e r i m e n t a la n a l y s i s e s t a b l i s h i n ga c t u a l e f f e c ta n da p p l i e dm e a n i n g b e i n gr e l a t e dt ot h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，t h i sp a p e rs y s t e m i c a l l ya n a l y z e dt h em i x e dh e a t e x c h a n g e r so ft w ok i n d so fb l a s t si nh u m i d i c o l ds y s t e m i n c l u d i n g ：a n a l y z i n gt h ee f f e c to f d e c r e a s i n gt h et e m p e r a t u r ea n di n c r e a s i n gt h eh u m i d i t yo ft h em i x e dh e a te x c h a n g e r ；b yc h a n g i n g w a t e ra n da i rm a s sv e l o c i t y , g a i n i n gm a n ye x p e r i m e n t a lv a l u e s ；a p p l y i n gp r o g r a ma n dl i n e a r r e g r e s s i o n ，o b t a i n i n gt w of o r m u l a s ：r e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n t sa n d w a t e r a n da i r m a s s ，r e l a t i o n s h i p b e t w e e n d r o p o f p r e s s u r e a n dw a t e ra n da i rm a s s ：k ha = 2 3 5 7 l o “i g 0 ：a p = 3 8 6 1 3 l o “8 g 0 5 ”：k a a = 2 9 2 7 l o g 0 ”w h i c h p r o v i d er e f e r e n c e f o r r e f f i g e r a t o r y su s ea n dd e s i g n b yc o m p a r i n gt w ok i n d so fm i x e dh e a te x c h a n g e r s ，e v a l u a t i n gt h e e f f e c ta n dp e r f o r m a n c eo ft h es y a e m r e s u l t ss h o w ：t h et r a n s v e r s em i x e dh e a te x c h a n g e ri sb e t t e rt h a nt h ec o n t r a n a t a n tm i x e dh e a t e x c h a n g e n k e y w o r d s ：h u m i d i c o l ds y s t e m ，t h em i x e dh e a te x c h a n g e r ，t h em a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n t l i 独创性声明 y 7 7 4 5 5 5 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 辑 而 时间： 枷f 年7 月2 只 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 奋雨 时间： 如甲年月z 同 导师签名：葛互l 时问：抄严年，月仁日 第一章绪论 1 1 果蔬贮藏方法综述与国内外发展状况 1 1 1 影响果蔬品质的因素 果蔬的鲜度是果蔬质景的一个重要指标，新鲜果蔬团富含备种维生索、矿物质和纤维素， 发热量低以及具有独特的口味感、风味和美丽的外观，深受消费者的欢迎。在定量评价果蔬鲜 度方面目前仅仅只对一些品种在一定程度上确立了方法。人们一般根据直观从三个方面进行判 断：”。“1 保持果蔬特有的颜色，如绿色蔬菜的绿，白色部分的自；2 保持相当多的水分( 9 麟) ， 很有生气；3 特有的质地、形状、大小以及无病菌感染等。 影响果蔬品质的因素主要有以下几个方面”。“5 ： 1 、呼吸作用引起质量下降 呼吸的强弱被温度的商低所左右，通常是温度越低，呼吸作用越小。 ( i j 呼吸作用产生的现象 a 成分损耗：呼吸作用使体内有机成分分解，由此产生追熟、过熟、软化、风味变化、 营养价值减少等； b 产生c o ：有机成分分解产生c 0 ：，周围空气中c 0 2 浓度上升，由此影响到果蔬本身的 呼吸以及其它代谢作用： c 产生水分：呼吸作用产生水分，水分通过蒸腾作用而损失，使果蔬软化、萎蔫； d 产生呼吸热：呼吸产生的热量使果蔬的温度上升，井促进了呼吸作用及其它生理反应， 使果蔬质量下降。 ( 2 ) 果蔬的呼吸类型和呼吸速度 果蔬的呼吸类型可分为三大类：衰减型、强弱变化型和后期上升型。如菠菜、生菜属于衰 减型，萧茄属下强弱变化型，草莓属于后期上升型。大多数果蔬均属于收获初期呼吸最旺盛， 然后逐渐下降的衰减型。果蔬装箱放置一段时间后，呼吸热不宜散发而使果蔬温度上升，温度 上升导致呼吸更加增强。因此，为了防止呼吸增强，在收获之后要通过预冷尽快把初期呼吸强 度降f 来，这是果蔬收获后最基本、最有效的保鲜方法。 果蔬的呼吸速度因种类不同而不同。通常叶菜摄大，果菜类次之，根菜类最小，如表ll 。j 所示，另外也和果蔬收获时的成熟程度、周恩环境有关。 衰1 - 12 0 c 时累蔬的呼吸强度 t a b l e l 1 r e s p i r a t o r yi n t e n s i o no ft r a i t v c g c t a b l ca t2 0 c 2 、蒸腾作用引起质量下降 中周农业大学硕上学位论文第一章绪论 果蔬中含水量极高。通常在9 0 以上。果蔬在呼吸时由于生理作用产生的水分及从果蔬 表面蒸发的水分都会使果蔬发生萎蔫，水分的损失严重影响到果蔬的质虽。水分在减少5 之后，它的商品价值就菲常低。采用箨种方法，极力防止水分的蒸腾作用是很重要的。 3 、酶的作用引起质量下降”。 酶能脱离活细胞起催化作用，参加生物体内箨种复杂的生物、化学反应。网此，酶在适宜 的条件下，会促使呼吸作用加强，分解果蔬有机成分，产生硫化氢、氨等各种难闻的气体和有 毒物质，使果蔬枯萎、发黄、品质变坏。酶的活性与温度有关，在低温时，酶的活性很小，随 着温度( o _ _ 4 0 ) 升高，酶的活性增大，催化化学反应速度随之加快，在3 0 一5 0 时其活性 最强。因此，果蔬应保持在适当的低温，防i r 由于酶的作用而引起变质。 4 、微生物的作用引起质量下降 微生物在生活过程中能分泌出各神酶类物质刹毒性物质( 主要是水解酶) ，破坏细胞壁，进 入细胞内部，促使果蔬成分发生分解，将细胞中高分子物质分解为低分子物质，导致果蔬质量 降低，进而发生变质和腐败。微生物的生存和繁殖需要一定的环境条件：温度、氧气、湿度等， 其中温度对抑制微生物的生存和繁殖影响最大，是最主要的影响因素。 1 t 2 预冷和保鲜技术国内外发展概况 l ，国内外预冷技术现状”“ 预冷是将采集的新鲜果蔬在运输、贮藏或加工之前，通过处理，尽快除去其田间热，迅速 冷却到预定贮藏温度的过程。在经济发达的国家，预冷是果蔬采收后必不可少的一道工序，这 样做既能提高产品品质，又可减少冷藏车、冷藏船和冷藏库的冷冻负荷，是科学组织果蔬流通， 实现冷藏链的关键环。商业上常用的预冷方式有以下几种： a 、冷水冷却方式：用冷水淋在果蔬上或把果蔬浸在水里冷却的方法，此法冷却速度快，但 产品冷却后带有较多的细菌，且沥水不充分。易引起果蔬腐烂。 b 、强制通风冷却：用风机将冷风欧到果蔬上使之冷却的方法，此法设备费用较低，适用品 种也较多，但果蔬的冷却很费时间，且冷却不均匀。 c 、差压通风预冷：在强制通风基础上发展起来的一种方法。它是将果蔬按特殊方式堆积在 仓库内，用风机在容器两侧产生压差，使冷风通过容器内的果蔬将其冷却下来。这种方法冷却 速度比强制通风冷却快，冷却均匀性也比较好但果蔬的装箱、堆放较费人工。 d 、冰冷却：把冰放在果蔬上或放在包装箱中，直接与果蔬接触来降温的方法，此法适用品 种少，且制冰需要增加额外投资，操作麻烦。 e 、真空预冷方式：靠果蔬自身水分在真空状态下蒸发，吸收果蔬内部的热量，使其温度f 降的方法。它具有降温快，冷却时间短的优点，但冷却品种却有限，仅适用于表面积大的叶菜 类，且真空预冷装置造价高，投资大。 果蔬预冷效果取决于：采用适合果蔬种类及包装的预冷方式；及时组织预冷；适宜的预冷速度 和终点温度；适当的预冷后处理。 2 、国内外保鲜技术现状“。 7 0 年代初，我国开始进行这方面的研究，现在中国科学院、中国农业科学院及各地有笑科 研机构、大专院校、果品公司等韶在进行探索研究。果蔬保鲜贮藏方法大致有以下几种t 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 a 、十法贮藏：群众跃期实践并以科学总结而完善的传统贮藏方法，形式多样，大致有窖藏、 缸罐贮藏、沟埋沟藏沙藏以及草木灰、术松针叶贮藏等等，是一种简便而行之有效的保鲜方法。 b 、低温贮藏：果蔬贮藏的好坏，除与侵害有关外，还与果蔬的呼吸作用的强弱有直接的关 系。降低贮藏温度可减弱果蔬的呼吸强度，减少果蔬的养分消耗并抑制病菌滋长，延长果蔬的 贮藏时间。不同种类的果蔬，对冷藏温度的要求也不同。苹果在4 c 的冷藏效果最好；生长在 热带的香蕉1 2 的温度适宜；菠萝不能低于o 。c ；番茄贮藏的晟适宜的温度是j 2 1 。 c 、气调贮藏：科学研究发现，果蔬成熟的快慢与乙烯有密切关系。只要有效地抑制乙烯的产 生，就能抑制、推迟果蔬的成熟和衰老。常用的气调方法，是在冷藏的基础上进一步降低氧气 的浓度，提高二氧化碳气体的浓度，这不仅能有效地抑制果蔬乙烯的产生和乙烯对对果蔬发生 的作用，而且还能明显地减慢果蔬的呼吸作用和新陈代谢。从而推迟和延缓果蔬的成熟衰老进 程。但由于气调库房比普通冷库造价高，需增加价格昂贵的气调成套设备，目前国内气调贮藏 仅用于苹果、梨等需要长期贮存及在普通高温库难以贮藏的猕猴桃等水果品种。 d 、薄膜包装贮藏：采用聚乙烯塑料薄膜来封闭贮藏果蔬，是一种简单的自发气调贮藏法。 这种贮藏方法的缺点是，袋内的氧气和二氧化碳的浓度不宜控制，在应用上有一定的局限性。 e 、辐射贮藏：y 射线是一种穿透力很强的看不见的射线，用它杀菌效果很好。果蔬经过辐 射以后，生命活力降低，能使贮藏时间延长。射线照射也能推迟香蕉、芒果等在贮藏运输期问 的成熟，从而减少腐烂损失。 f 、减压贮藏：减压贮藏保鲜也称低压贮藏保鲜或真空贮藏保鲜，是气调贮藏的发展，是将 果蔬及其它鲜活食品置于密闭库房( 容器) 内。在降温的过程中将贮藏库( 容器) 内的空气部 分抽出进行减压降氧，随着压力的不断降低，一些对贮藏有害的气体( 如乙烯) 也随之减少或 基本消失，为果蔬的长期贮藏保鲜提供有利的条什。与气调贮藏不同的是，减压贮藏只改变贮 藏环境中空气的总含量和密度，不改变空气成分和组合比例。减压库在正常运行中可同时连续 完成真空预冷、减压冷藏过程，减少了贮藏工艺环节；由于库内所贮藏的果蔬无需气密包装， 库内可很方便的采崩臭氧连续消毒，灭菌、抑霉，贮藏保鲜期比普通冷藏延长卜2 倍，但难于 用到大型库中。 g 、物理处理贮藏：采用负离子净化空气，杀死空气中的细菌，延长贮藏时间。但这种贮藏 方法需要设备大，投资较多，目前我国还很少使用。 h 、化学处理方法：应用化学试剂处理果蔬，在果蔬保鲜中有十分重要的地位。常用的防腐 剂、抗氧化剂和植物生长调节剂三大类。常用的防腐剂有拖布津、多菌灵、苯雷特、仲j 氨等。 如柑橘采摘前t h j 赤霉酸喷果处理，可减少桔水病发生， 以上这些国内外贮藏方法其中一些由于技术复杂、能耗大、建筑投资高、设备昂贵，使 得贮藏费用较高，虽然贮藏效果较好，但在我国目前能源紧张的情况下，很难推广。 1 。2 湿冷系统( 冰库贮藏) 及其国内外研究现状分析 1 2 1 冰库储藏( 湿冷系统) 的含义和工作原理“2 ”“3 湿冷系统( h u m i d i c o o ls y s t e m ) 是专门针对果蔬的保鲜要求而研究开发的。它是一个复杂 的生物传热体系。其基本工作原理是：通过机械制冰、蓄冰蓄积冷量，获取低温的冰水，经过 混合换热器让冰水与库内的空气传热传质，得到接近冰点温度的高湿空气( 含湿量9 0 9 6 9 6 ) - 3 - 中国农业大学硕j 学位论文第一章绪论 强制低温高湿空气在库内流动，直接吹拂物料使物料快速降温并保持所需要的低温，再以o s 灭 菌配合高湿处理有效控制微生物的生长繁殖，获得适宜而卫生的果蔬保鲜环境。 湿冷系统( h u m i d i c o o ls y s t e m ) 也称冰库储藏( i c eb a n k ) ，它具有独特的三循环特征， 即系统内包括制冷剂、载冷剂和湿空气的三个循环( 图卜1 ) ，通过采用机械制冷、蓄积冷量的 方法，获得0 5 左右的冷水，再在混合换热器中进行气水之间的热质交换，使其在较短时间 内得以冷却，并抑制其水分的蒸发使果蔬在储藏和销售期间保持新鲜的外观和良好的风味 制冷剂循环b 载冷剂循环c 湿空气循环 1 0 冷压缩机2 冷擞器3 膨胀阀4 燕笈器5 水箱6 水泵 7 混合换热嚣8 风机9 物料 围1 - 1湿砖系统的“三循环”示意图 f i g 卜l 。t h et r i p l ec i r c u l a t i o n ”s k e t c hm a po fh u m i d i c o o ls y s t e m 目前大量使用的普通机械冷库用于储藏果蔬，存在着许多不足之处，它所具有的“二循环” 特征是利用制冷剂通过蒸发器排管来使库内空气得以冷却的。由于蒸发器冷却排管表面的温度 大大低于冷库中水蒸气的露点，所以空气中的水分不断在其表面结霜，使空气湿度下降，冷库 内的相对湿度只能达到8 0 左右，这同时也加速了库内果蔬水分的蒸发，为弥补这种不足，常 辅以增湿措施，但水分最终还是在冷却排管上结霜，并导致其传热效率下降，于是不得不进行 频繁的停机除霜，结果又造成冷库温度的波动- 不利于果蔬的储藏，同时也使制冷压缩机的效 率卜降，耗电量增加。 高湿低温的贮藏环境使果蔬的呼吸强度大大降低，降低养分消耗，蒸腾作用受到抑制。最 人限度的保持果蔬原有的新鲜程度和风味。对于高含水量、易失水的果蔬，湿冷保鲜技术有其 独特的保鲜优势，有非常好的应用前景。 1 2 2 新型湿冷系统与常规冷库对果蔬保鲜适应性的比较1 ”+ ”1 1 温度控制比较 首先前期降温的速度不同：采后果蔬由于含热量大，在常温冷库中就降温较为缓慢。不能 d 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 使高呼吸率受到抑制。从而产生较大的呼吸消耗；湿冷系统中由于强制冷空气按需要流晕直接 接触果蔬，使产品很快降温直预定的低温，大大减少了底物的消耗。 其次温度分布和稳定性不同：常规冷库冷却管温度往往低于库温很多，且冷却管本身的温 度总是低于0 ，因此库内温度存在不一致，且水汽易在冷却管表面凝结霜。只要有温差，霜 层就会加厚，这一方面使库内的湿度越来越低，另一方面霜层的附着严重阻碍制冷效应导致库 内温度回升。为了提高制冷效果，不得不采用定期除霜。结霜除霜的反复进行，库温就会上f 反复波动，对产品的品质造成不利的影响；湿冷系统库房内部无冷却管，不存在结霜阿题。它 利片j 冰水与空气进行热质交换，再采用压羞冷却方式使低温高湿的空气流以规定的流速在库内 流动，以达到快而均的分布，所以湿冷系统内温度是均衡的，提供稳定的气流速度就能保证库 温的稳定。 再次提供储藏的适温，防止低温伤害：绝大多数采蔬菜适宜的贮存温度在0 - 1 5 范围内， 如苹果，甘蓝，青豆等为0 4 c ，茄子，青椒，柑橘等在5 - 9 。c ，香蕉，黄瓜，南瓜等在1 0 一1 3 ， 湿冷系统的冷却介质是接近o 。c 的高湿空气，根据具体产品的特征，控制风速风量就可使产品 在规定的时间内达到贮存适温。因此，湿冷库中的产品不会发生低温伤害，这对丁原产于热、 亚热带的多种栗蔬提供了有利的条件和安全保障。如果以不同浓度的盐水代替一般的水又可 获得o c 以f 的低温，可以满足具有不同耐寒性的产品的需要。 2 湿度控制比较 常规冷库中由于反复的除霜后水分不断的流失，库内湿度的降低不能满足产品需要的湿度 湿冷系统中库内的冷却方式已完全改变，为了保证库内的高湿需求，它首先解决了入库期快速 冷却的问题，这是减少失水的关键一步，在储藏期间中，以高湿冷空气维持库温，保持着高温 环境。冷却管用来制冰，排除了结霜弊端，冈而湿冷系统从根本上克服了常规冷库的湿度管理 难点，为果蔬产品创造了稳定的高湿环境。 3 微生物控制方面 引起果蔬败坏的微生物主要是霉菌、酵母菌和细菌，霉菌的污染更为常见。根据报道，即 使在o 的低温有的霉菌也能生产繁殖。湿冷系统在通风时结合臭氧充入处理有效的控制了病 害的发生。臭氧是一种高效的杀菌剂，其氧化还原电位高反应快，氧化过程时间短，不会在 环境中蓄积，其杀菌力强是氯剂的l | 5 倍，可迅速的杀死微生物和病毒，自身分解产物为氧气， 当其作用于微生物时，使其细胞中的脂质，d n a ，r n a 等大分子破坏，新陈代谢受到严重的干扰 而致死。氧气由于其氧化性还能作用于果蔬的代谢产物，使不利于储存的乙烯、乙醇和乙酸等 等挥发性成分被氧化分解，最终彻底氧化生成二氧化碳，消除了贮存环境中乙烯的刺激呼吸、 诱导成熟作用及其它的不利影响【6 1 。在湿冷系统中使用臭氧非常必要。日前常规冷库的微生物 污染和采用适合的微生物控制措施仍然值得研究。 4 成本投入方面 果蔬入库时含有大量的田间热，为热负荷高峰期。当田间热完全排除达到储藏适温，呼吸 热大大下降，为热负荷稳定期对于果蔬冷库，热负荷高峰期与热负荷稳定期所需要的制冷量差 别很大。为了排除入库时的大量的田间热，必须加大动力配套，一旦库内温度平衡之后，已经 配套的动力就会显得多余。 湿冷系统通过制冰而具有蓄冷功能，利用用电低谷期的富余电力增大冰的蓄积量以满足热 5 负荷高峰期的耗冷量，这样可降低装机容量，使压缩机配套动力减少1 3 1 2 ，制冷剂的用量 减少1 5 1 3 ，节省了冷库建设的一次性投入。 1 2 3 湿冷保鲜技术的优势“8 “2 2 “ 湿冷保鲜技术有如下优势： 1 采用高湿冷气流压差预冷，使其冷却果蔬的速度比一般风冷却快4 - 6 倍，并且水分损失 少。 2 免去加湿、除霜作业，库内温度、湿度稳定 3 臭氧可抑制霉菌产生，并达到消除乙烯贮藏的目的。 4 压缩机配套动力比常规的冷库减少3 0 5 0 。制冷剂用量节省2 0 3 0 。 5 利用低谷廉价电力蓄冷，贮藏保鲜成本可下降2 0 3 0 。 6 产品可以随时进出库，方便于连续流通。 湿冷保鲜技术利用低谷电力机械蓄冷、果蔬压差预冷、高湿环境及臭氧的协同作用进行果 蔬贮藏保鲜，有其真正协调果蔬季节性生产和周年供应，区域性生产和跨地区消费的潜在能力。 湿冷保鲜库的投资与普通冷库的投资相近，但前者的运行成本却远远低于后者。在电力分时计 价地区，湿冷保鲜库的优势将更加明显。 1 2 4 国内外研究现状分析。3 “”“7 2 ” 欧美一些国家早在7 0 年代中期就已经开始着手湿冷系统在果蔬保鲜方面的应用研究。1 9 7 8 年英国已经用该系统建成了四座实验冷库和四座商业冷库( 农业工程师r t 林德希和m a 尼 尔斯) ，为这项技术的应用奠定了基础。8 0 年代。英国t e s ( t h e r m a le n g i n e e r i n gs y s t e ml t d ) 公司已拥有两个系列的“湿冷系统”配套装置。在中国直到1 9 9 4 年，英国t e s ( t h e r m a l e n g i n e e r i n gs y s t e ml t d ) 公司赠送给中国农业大学食品学院一套小型的湿冷系统的关键设备。 在我校建成了第一座实验冷库，进行了几年的实验研究。我国1 9 9 7 年在海南省海口建成南方第 一座商业冷库后，被国家科委列为9 7 “火炬计划”。于2 0 0 0 年在河北献县建成第二坐商业冷 库，采用盐水作为载冷剂，把库内温度降到o 以下，并且使库内相对湿度仍能保持在9 5 左庙。 在果蔬保鲜实验中，无论是好果率还是贮藏晶质，都明显优于同期的其它贮藏方式。2 0 0 0 年9 月2 8 日湿冷果蔬保鲜技术通过了机械工业技术发展基金委员会组织的科技成果鉴定。目前，我 校所拥有的“湿冷果蔬保鲜技术”处于国内领先地位。其他院校也有在研究，例如江苏大学， 主要是关于湿冷系统在果蔬保鲜方面的应用。对于湿冷系统中渥合换热器的研究无论国内外几 乎没有。 1 3 课题研究的目的及意义 研究的目的： 湿冷系统中混合换热器为主要研究对象。使湿冷技术能够实现节能与提高保鲜效果作为总 体的研究目标通过理论和实验分析，确立其实际效果和实用意义，掌握湿冷系统的性能与影 响因素，在此基础上提出系统的合理的结构和运行参数。 6 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 研究的意义； 湿冷系统中的高湿低温空气是由混台换热器提供的，在冷水和循环空气量一定的情况下，填 料体积的人小将直接影响进库空气的温度和湿度，而这又由其中冷水与空气间的传质( 或传热) 系数所决定。由丁气液之间的热最与质量交换关系非常复杂，目前尚缺乏求取传热与传质系数 的理论方法，而通常是采用由实验数据整理出来的经验式，本课题正是采用通过实验得到一系 列的实验数据，然后整理得到经验式。所得到的结果可以为类似条件下的湿冷系统的设计和使 用提供科学的理论根据。 研究方法： 1 对于逆流式和横流式混合换热器，通过改变过帘风速和冷水的流量获取实验数据： 2 应用软件来对数据进行处理，得到传质系数、压降与冷水和空气流量之间的关联式； 3 分别分析两种送风方式的特点并且对它们进行比较，得到一定的结果。 第二章混合换热器热质交换机理分析 2 1 混合换热器的工作原理 混合换热器将热空气引入被冷水淋湿的湿帘并与湿帘表面的水分充分接触。在温差和水蒸 汽分压力差的驱动f ，热空气与水之间产生热、湿( 质) 交换。其结果是使热空气向湿帘表面 水分放热，其本身温度下降；湿帘表面的水分吸收空气传给的显热量后，分子动能增大引起本 身相变从湿帘表面蒸发出来，叉混合在空气中随着流动的空气一起排出湿帘。这种热、湿( 质) 交换的最终结果是使排出湿帘的空气温度下降。相对湿度上升。 一o 。空气 要! 三羔垂童! 矍理圣血盖盖相界面 团2 1空气与水的热质交换 f i g 2 1h e a ta n dm a 鼯e x c h a n go f a 证a n dw a t e r 当空气流经水面时，会把边界层中的饱和空气带走一部分而补充以新的空气继续以饱和 因此饱和空气将不断与流过的空气相混合，使箍个空气状态发生变化。 2 1 2 混合换热器中空气与冷水间的传热传质关系“1 混合换热器热质交换的传递关系有如下两种情况： 第一种情况是热空气与冷水接触，气温大丁液温，且气相主体的湿度大丁气液相界面的湿 度，此时传热传质都是从气相传到液相，这是气体减湿( 湿含量减少) 与降温的过程( 图2 2 ) 。 第二种情况是热空气与冷水接触，气温高于液温，但气相主体的湿度小于气液相界面的湿 度，此时传热方向由气到液，而传质方向由液到气，即两种传递方向相反，气体是增湿降温过 8 程( 图2 - 3 ) 。 围2 - 2气体减湿降温传热传质关系 f i g 2 - 2t h er e l a t i o nb e t w e e nh e a tt r a n s f e r a n d a s st r a n s f e ro fd e c r e a s i n gh u m i d i t y a n dr e d u c i n gt e m p e r a t u r eo fa i r 图2 - 3 气体增湿降温传热传质关系 f i g ，2 - 3t h er e l a t i o nb e t w e e nh e a tt r a n s f e ra n d m a s st r a n s f e ro fd e c r e a s s n gh u m l d i t y a n dr e d u c i n gt e m p e r a t u r eo fa i r 贮藏阶段，应减少循环风量，同时保持一定的热质交换强度，以保证果蔬呼吸热及时排出； 操作中，应该根据果蔬贮藏特性加以具体选择。与预冷阶段不同的是，进入换热器的气体的温 度不再下降，而湿度也保持相对稳定。 2 1 3 湿帘的结构与空气流动的特征“3 。“”蚓 蜂窝纸蒸发湿帘的结构如图2 - 4 所示。它是由相邻两层对置的波纹纸片粘结而成的一个空 间结构体。循环水沿l 的方向从上而f 流动，空气逆水流方向2 进入湿帘，经过降温增湿后， 沿方向2 流出。 l 1 f 2 图2 - 4 蜂窝纸湿帘结构示意图 f i g 2 4s t r u c t u r a ls k e t c hm a po fa l v e o l a t el a y e r 分析空气漉动状况时，可不考虑循环水流动的影响，认为自由水表面呈递帘波纹状，并为 一9 一 中国农业大学硕士学位论文第二章混台换热嚣热质交换机理分析 ! l l l li l i 曼量曼量笪笪量曼曼皇曼舅量量置| 皇| 皇罾曾鼍 流动空气形成流动通道。波纹流道是倾斜6 0 。枯结而成的一个三维流道，几何尺寸非常复杂， 沿轴线( x 、y 、及z 轴) 的剖面形状是连续变化的，如图2 5 所示。这种连续变化的流道使流 动空气的流态处于亮度紊流状态，既有波动，又有螺旋翻滚的滚动。正是这种流态使湿帘能得 到较高的换热效率。 溪溅 ( a )(b)(c) 图2 - 5 湿帘通道截面图( 波纹角9 = 6 0 。) f i g 25l a y e rc h a n n e l ss e c t i o r l ( a n g l e = 6 0 。) 2 1 4 湿冷系统热交换器的特性”“ 当气液两相在填料层内的流动时，液体借重力在填料表面作膜状流动。当液体流量一定时， 膜内平均流速决定丁流动的阻力。流动的阻力来自液膜与填料表面及液膜与上升气流之间的摩 擦。显然，液膜与上升气流间的摩擦阻力同气体流量有关。上升气体流量越人，阻力越大，膜 内平均流速越低。 填料表面的液层厚度不仅决定于液体流量，也与气体流量有关。液体流量越人，气体流量 越大，则液膜越厚，填料层的滞液量也越大。不过填料塔在低气速下操作时，气速造成的阻力 较小，液膜厚度与气体流量关系不大，但在高气速下操作时，气体流量对液膜厚度将有不容忽 视的影响。 气体在填料层内的流动：一般处与湍流状态。气体通过千填料层的压降与流量的关系如图 中的直线所示，其斜率为1 8 - 2 0 ，当气液两相逆流流动时，液膜有一定的厚度，占有一定的 空间。在相同的气体流量情况下。液膜的存在占去了一部分气体流动的空间，使气体在填料空 隙间的实际流速有所增加，压降也相应增大。同理，在气体流最相同的情况下，液体流鼍越大， 液膜越厚，压降越大。如图2 - 6 所示，其中l 1 ，l 2 ，l 3 为液体的流量。在a 1 、a 2 、a 3 等点， 气液两相流动的交互影响开始变得比较显著，这些点称为载点。当气液流量达封菜一定值时， 两相的交互作用恶性发展，将出现液泛现象，在压降曲线上，出现液泛现象的标志是压降曲线 近于垂直。压降曲线明显变为垂直的转折点b 1 、b 2 、b 3 称为泛点。塔内充满液体，压降剧增， 填料塔在液泛点虽仍然能够维持操作。但塔内液体返混和气体的液沫夹带现象严重，传质效果 极差。 1 0 1 妻 围2 - 6 填料塔压降与空塔速度的关系 f i g ，2 - 6t h er e l a t f o nb e t w e e n 口f e s s u r ed d c r o a s ea n dv e l o g i t yo fe m p t yf llj n 暑t o * e ， 2 2 描述混合换热器降温增湿性能的指标啪。“”。“矧 混合换热器的主要功能是降低空气温度，提高空气相对湿度。在空气初始状态相同的条 件下，通过混合换热器后的温度越低，相对湿度越大，说明降温增湿性能越好。 1 传质系数k 。 传质系数表示流体传质性能的一个重要参数，其数值体现传质通量的人小，它的倒数表 示传质阻力。混合换热器是利用水与空气间的热质交换，从而使空气的温度降低，湿度增加， 以达到使用要求的一种设备。虽然混合换热器的应用日益扩大，但是对其传质过程的研究却很 不充分。为了正确地建立混合换热器中填料表面的传热传质过程，需要正确地描述填料表面传 热传质过程的理论模型，以及传质系数的关联式计算方法。这些问题实质上就是研究填料酷备 的传质规律。传质系数是流动情况的函数推动力为浓度差。实际中流动条件是千变万化的， 包含的因素又多，如流体的流量。流体的性质，流动状态以及流场的几何特性等，不是容易 确定的。 2 压降p 压降反映出空气在混合换热器中流动受到填料层阻力的大小。在干填料时，其压降实际 上即为流体通过多孔层的阻力问题。在湍流时，压降基本上与气速的平方成正比。在喷淋时， 由于填料表面被覆盖了液膜层，比表面及空隙率均发生变化，还有气液相的相对流动等问题， 流体力学状态也在不断变化，情况比较复杂。 总之影响混合换热器性能的因素是很多的，本文主要考虑水流量以及空气流量与传质系 数、压降的关系进行研究。 中国农业大学硕士学位论文第三章逆流式混台换热器降温增湿性能的实验研究 第三章逆流式混合换热器降温增湿性能的实验研究 3 1 实验装置与测定方法 3 1 1 实验装置 实验装置主要由湿冷实验冷库、风机、水泵、湿帘箱体、和蓄冷槽五部分组成，其结构 如图3 1 。 1 湿冷实验冷库：规格为2 5 x 2 2 2 ，1 m ，冷库库板为夹层板，表面两层为钢板，中问 有一层为l o m 的胶合扳，其余为聚氨脂泡沫塑料1 6 0 m m 2 风机的型号为s j g 3 5 f ，电功率0 2 7 千瓦，北京风机二厂生产。 3 水泵的型号y 8 0 1 2 ，电功率为0 7 5 千瓦，j b 京宏丰电机厂生产。 4 箱体里面填放孔径1 0 m m ，层厚1 0 0 m m ，层间距为0 ，共6 层的蜂窝纸湿帘，湿帘高 度为0 6 m ，填料层的体积0 5 x 0 5 o 6 m 3 。箱体顶部装有喷水管，喷水管与水泵连 接，循环水经连接管从蓄冷槽送到喷水管，使水在一定的压力作用下从喷水管的圆孔 喷出，均匀地打在湿帘上，从湿帘下方流出的水又汇集于蓄冷槽，循环使用。在箱体 上布置有两个测压孔。 5 水的流量和风的流量分别通过变频器来调节。 6 为防止外界太阳辐射和对流传热影响混合换热器内部流体的流动t 况，该实验在室内 进行。 3 1 2 测定仪器 1 压力计：u 型压差计，北京石景山玻璃仪器厂 2 热球式电风速仪：a z 8 9 0 8 型，测量的风速范围：0 2 4 0 m s ，台湾衡欣科技股份有 限公司。 3 温度巡检仪：型号为a i 一7 0 8 2 j 2 j 2 ，北京宇龙仪器仪表有限公司；配套传感器为 w z p _ 一2 型p t l 0 0 ，上海超能有限公司。 4 流量计：l z b 一5 0 s 塑料管浮子流量计，常州勤丰流量仪表厂。 5 调频器：型号为a c s l 4 3 一l k 6 3 一c ，频率范围为0 5 0 赫兹a b bi n d u s t r y o y 生产。 - 1 2 中国农业人学硕。学位论文第三章逆流式混合换燕器降温增湿性能的实验研究 i粼 揪一、 千。- ，恻啉盘趔 冷库 椰吼隧爵麓霞 脚量。i 9 榭f 卢睑一- u k ， 缓 iu ， 蚓意 侈h 图3 - 1逆流式混合换热器性能测定实验装置 f ig 3 - 1e x p e r i m e n t a ie q u i l e n to fo o n t r a n a t a n tm i x e dh e a te x c h a n g e rp e r f o r m a n c em e a s u r e m e n t 3 1 3 测定方法 在测定之前，需要对于测温点进行布控，把六个温度巡检仪传感器感应头分别固定好在各 个测温点，具体见图3 - 1 。同时准备好两个湿纱布和容器按照图3 - 2 套在空气出入口的两个传 感器感应头。在澳4 温点布控完后，然后把确定六个传感器感应头分别与温度巡检仪屏的显示编 号相对应，并贴好标签。 测定选择在温度大于1 5 ，实验时间在晴天上午九点至下午四点之间。 待测定数据有：湿帘进、出口空气的干、湿球温度；循环水进出口温度；过帘风速：空气 静压损失。 1 温度巡检仪，对湿帘进、出口的干、湿球温度，进出蓄冷槽的水温进行自动巡同检测。 相对湿度是“湿冷系统”的项重要指标，由下式定义“1 ： m 。旦1 0 0 ( 3 1 ) p q b 式中：中一空气的相对湿度； p 。一空气中水蒸气分压，p a ： 1 3 中周农业大学硕十学位论文 第三三章逆流式混合换热器降温增湿性能的实验研究 p q b 一同温度下饱和水蒸气压，p a ： 测相对湿度的原理如图3 2 和3 3 所示，并通过计算求得相对湿度。 t w t - - - + ( 潜热) t w 湿纱布 围3 - 2 干湿球温度计围3 - 3 气体与液体接触时的传热与传质 f i g 3 - 2d r ya n dh u m i dg l o b et h e r m o m e t e rf i g 33h e a tt r a n s f e ra n dm a s st r a n s f e rw h e na i ra n d 1 i q u i dm e e t 测试的基本原理是根据空气对湿球的传热量q - 与纱布上水分蒸发需要热量q z 这一平衡关 系，即q t = m 根据传热原理： q t = a ( t - t ) ( 3 - 2 ) 式中：q l - - - 空气对湿球的传热量，k j ( 0 s ) ： d 一对流给热系数，k w ( m 2 ) ： t ，t ，空气的干湿球温度，： 另一方面，液体从液滴表面汽化，其传质( 传递潜热) 速率为 n = k ，( h 。- n )( 3 - 3 ) 式中：n - - - 液体汽化的传质速率，k g ( m z s ) 1 ： k 。液体汽化的传质系数( 以湿度差为推动力) ，k g ( m 2 s h ) 一： h 。一在湿球温度下的饱和湿度，k g ，k g d 一： q 2 = n r ( 3 - 4 ) 式中：r 一在湿球温度下液体的汽化潜热，k j k g - 1 ： 当气体向液滴传递显热的速率与液体汽化向气体传递潜热的速率相等时，即q 产q 。a 则有 a ( t - t ) = k h ( k ：h ) r f 是，h = h s - 譬止型( 3 - 5 ) k h ， 1 4 f f 旦k h 的值仅与系统的物系有关，对于空气一水系统，常压下，旦k h 的值约为1 0 9 所以空气的湿度h ：h s 一1 0 9 ( t - t w ) ( 3 - 6 ) 2 风速的测定采用台湾衡欣科技股份有限公司生产的风速计。测点值为点风速值，为获得管内 平均风速，需测若干点取平均值。测平均风速时，将截面划分为几个同心方形截面，测点位于 方形截面对称轴上，如图3 - 4 所示。 l 。：三曼( 3 7 ) 4 式中： l t 一第 个方形的边长，m ； l 风管边长。m i l l ( l = 4 0 0i n m ) ； i - - - 从风管中心算起的测风点顺序号； f 味3 - 4m e a s u r e m e n ts p o td i s t r i b u t i n go fr e c t a n g l ew i n dc h a n i 风管截面所划分的环数愈多，测定愈准确。管内风量可由下式计算可得： q = 啪 ( i = ”，3 ，4 ) ( 3 _ 8 ) f - - 1 式中：v ；一一各测点的风速，m 2 s ； s t - - - 环的面积，n 1 2 ； 0 - - - 风量，一s 一： 3 测量湿帘的压降，测压管位置对数据影响较大。测压管位置距湿帘越近，所测数据越大。这 可能是由于贴近湿帘处气流状态较复杂，测压计读数中不仅包含静压而且包含一定的动压，使 读数偏人。测量时测压孔选择在气流稳定流段，距离湿帘不宣太近。风筒上布置测压孔。保持 测压孔伸入跃度相等，且垂直于气流方向。实验中针对蜂窝纸湿帘进行测试，通过改变循琢水 - 1 5 中国农业人学硕上学位论文第三章逆流式混合换热器降温增湿性能的实验研究 量气量，分别测景其压降。然后，水气循环量为自变量，压降和传质系数为因变量，将全部实 验结果线形回归。 3 2 实验数据的测定 第一组： 测定地点：中国农机院食品机械加工中心 测定条件：逆流式混合换热器，水泵电源频率为20 赫兹。各参数实验值见表3 1 。 表3 1各参数实验值 t a b l e 3 1p a r a m e