摘要：針對液氮充注氣調(diào)方式液氮溫度較低，直接充注將對果蔬產(chǎn)生凍害問題。為提高液氮汽化器出口溫度的控制精度，提高冷量利用率，設(shè)計(jì)了一種蓄冷式液氮充注沉浸式汽化器并搭建試驗(yàn)平臺，研究盤管長度、蓄冷劑類型和液氮流量等因素對汽化器工作特性的影響?；趥鳠崂碚摻⒘似鞒隹跍囟扔?jì)算模型。計(jì)算得到的汽化器出口溫度值與試驗(yàn)值基本一致，相對誤差值為2.01%和8.06%。試驗(yàn)結(jié)果表明：盤管長度、蓄冷劑類型和液氮流量都對汽化器工作特性有顯著影響，盤管長度和液氮流量與充注時(shí)間呈線性關(guān)系，隨著盤管長度和液氮流量的增大，相關(guān)性系數(shù)越高；采用盤管長度為3m，液氮流量為0.0075kg/s和蓄冷劑類型為水時(shí)，汽化器的換熱性能較佳，而采用盤管長度為3m，液氮流量為0.01kg/s和蓄冷劑類型為水時(shí)，汽化器的蓄冷效率較佳。

　　關(guān)鍵詞：氣調(diào)保鮮；沉浸式汽化器；出口溫度；盤管長度；蓄冷劑類型；液氮流量

　　氣調(diào)保鮮技術(shù)通過控制儲運(yùn)環(huán)境的氣體成分，降低果蔬呼吸強(qiáng)度，從而延長其保鮮期。國外采用的氣調(diào)方式，如制氮機(jī)制氮?dú)鈿庹{(diào)、制臭氧氣調(diào)和果蔬呼吸自調(diào)等氣調(diào)方式普遍存在氣調(diào)速率低或成本高等問題。而液氮充注氣調(diào)方式具有氣調(diào)效率高和成本低等優(yōu)點(diǎn)。在液氮充注氣調(diào)中，液氮的溫度為-196℃，若直接將液氮注入箱體時(shí)，會(huì)對箱體中的果蔬造成低溫傷害。因此，需要先通過汽化器對液氮進(jìn)行汽化升溫之后再注入箱體內(nèi)。對低溫貯罐自增壓汽化器進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算。對空浴式汽化器的傳熱、結(jié)霧和結(jié)霜特性進(jìn)行了分析和研究。通過理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究的方式初步建立了在豎直通道內(nèi)液氮流動(dòng)沸騰適用的理論模型，并對該模型進(jìn)行了完善和擴(kuò)充，使之能夠有效預(yù)測豎直通道內(nèi)低溫液體流動(dòng)沸騰中的傳熱系數(shù)等參數(shù)。針對在汽化器的表面形成的霜層，研究了其結(jié)霜的機(jī)理和傳熱的熱阻。目前國內(nèi)外對液氮充注汽化器的相關(guān)研究較少。開展液氮充注沉浸式汽化器的研究具有重要意義。

　　本文主要結(jié)合氣調(diào)保鮮運(yùn)輸需求，建立液氮充注沉浸式汽化器的出口溫度預(yù)測模型，并研究該汽化器在不同盤管長度、不同蓄冷劑類型和不同液氮流量下的工作特性，為氣調(diào)保鮮運(yùn)輸裝備的進(jìn)一步設(shè)計(jì)提供參考。

　　1  沉浸式汽化器試驗(yàn)平臺

　　試驗(yàn)平臺如圖1所示，平臺支架由鋁合金材料搭建而成。液氮充注式汽化器(圖2略）所示，主要由盤管、蓄冷劑、出氣橫管和箱體組成。汽化器的結(jié)構(gòu)參數(shù)：箱體尺寸（長寬高）為600mm×200mm×150mm，其材料為鑄鐵。盤管材料為紫銅管，其外直徑d0 為12mm，內(nèi)直徑di為10mm，單根管長為1000mm、2000mm和3000mm，總管數(shù)為3根，分別記作L1、L2、L3。出氣橫管長500m，均勻開有4個(gè)同向小孔（直徑3mm）。

　　沉浸式汽化器橫管小孔處溫度和蓄冷劑溫度均采用4個(gè)PT100溫度傳感器（型號 WZP-PT100、精度為±0.1、測量范圍為-200℃～500℃進(jìn)行采集，采用無紙記錄儀（型號為SIN-R9600、精度為2%）記錄各傳感器的數(shù)值（數(shù)據(jù)記錄頻率是1次/min），同時(shí)儲存于計(jì)算機(jī)內(nèi)。液氮罐（型號YDZ-100，最大出液壓力為0.09MPa，出液電磁閥工作使罐內(nèi)出液壓力迅速達(dá)到穩(wěn)定在0.09MPa，容積100L）增壓電磁閥工作實(shí)現(xiàn)液氮充注。數(shù)字電子秤（型號為XK3190-A6、精確度等級三級）記錄液氮的消減量。蓄冷劑材料包括水（潛熱值為335J/g，密度為0.998g/cm3）和相變蓄冷劑（潛熱值為403J/g，密度為0.912g/cm3。

圖1  液氮充注沉浸式汽化器試驗(yàn)平臺

　　1、增壓電磁閥；2、液氮罐；3、出液電磁閥；4、數(shù)字電子秤；5、鋁型材；6、PT100傳感器；7、箱體；8、出氣橫管；9、無紙記錄儀；10、計(jì)算機(jī)

　　在沉浸式汽化器中，其出口溫度為其換熱性能的主要評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。而其主要的換熱元件為盤管，根據(jù)所設(shè)計(jì)的盤管的規(guī)格及長度獲取汽化器的傳熱特性。將盤管取其中一段（長度L=0.01m）進(jìn)行分析（圖3略）所示。

　　沉浸式汽化器的傳熱形式有三種：①管外側(cè)的自然對流換熱；②盤管壁面的熱傳導(dǎo)；③管內(nèi)側(cè)的強(qiáng)迫對流換熱。

　　沉浸式汽化器的管外側(cè)向盤管壁面?zhèn)鳠?，其Q1傳熱量為

　　Q1=h1（T1-Th）Лd0L           （1）

　　式中：Q1——管外側(cè)向盤管壁面?zhèn)鳠崃?，W

　　h1——管外側(cè)的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)

　　T1——蓄冷劑溫度，℃

　　Th——盤管外壁面溫度，℃

　　2.2  盤管壁面的熱傳導(dǎo)

　　盤管壁面是通過熱傳導(dǎo)的方式將熱量從盤管外壁面?zhèn)鲗?dǎo)到盤管內(nèi)壁面。其溫度從管內(nèi)側(cè)Ty升高到管外側(cè)Th，導(dǎo)熱量Q2 為

　　                （2）

　　式中：Q2-盤管外壁面到盤管內(nèi)壁面導(dǎo)熱量，W

　　λp-盤管材料的熱導(dǎo)率，取值為398W/(m2·℃)

　　2.3  管內(nèi)側(cè)傳熱

　　沉浸式汽化器的管內(nèi)側(cè)是由盤管內(nèi)壁面向液氮傳熱，其傳熱量 Q3為

　　          （3）

　　式中：Q3-盤管內(nèi)壁面向液氮傳熱量，W

　　h3-管內(nèi)側(cè)傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)

　　T3-液氮的溫度，℃

　　qy-液氮流量，kg/s

　　Ly-液氮的汽化潛熱，取值為2.79kJ/mol

　　MN-氮?dú)饽栙|(zhì)量，kg/kmol

　　t-試驗(yàn)時(shí)長，s

　　根據(jù)熱平衡原理，從盤管壁面向管外側(cè)傳導(dǎo)的熱量Q1等于盤管壁面導(dǎo)熱吸收的熱量Q2，等于液氮升溫吸收的熱量Q3，等于蓄冷劑直接傳到液氮的熱量Q5，也等于管內(nèi)液氮溫度升高吸收的熱量Q4，即：

　　Q1=Q2=Q5=Q3=Q4              （4）

　　Q5=KЛL（T1-T3）                （5）

　　             （6）

　　式中：Q4-管內(nèi)液氮吸收的熱量，W

　　Q5-蓄冷劑傳到液氮的熱量，W

　　Cy-液氮定壓比熱容，J/(kg·℃)

　　Tb-氮?dú)馍弦粋€(gè)時(shí)刻的溫度，℃

　　綜合上式（1）～（6）聯(lián)立可得：

　　             （7）

　　式中：K-總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)

　　在建立汽化器出口溫度模型中，主要計(jì)算管外側(cè)的傳熱系數(shù)h1、管內(nèi)側(cè)的傳熱系數(shù)h3以及盤管的導(dǎo)熱系數(shù)λp。液氮在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，屬于強(qiáng)迫流動(dòng)，一方面在靠近管壁處沸騰，一方面又以一定的速度流過管壁，其傳熱系數(shù)與其他兩項(xiàng)的傳熱系數(shù)相比較大，故忽略不計(jì)。因此，對于沉浸式汽化器傳熱計(jì)算，主要研究的是盤管的導(dǎo)熱系數(shù)λp 和管外側(cè)的傳熱系數(shù)h1。

　　汽化器中，管外側(cè)的傳熱系數(shù)可水平圓筒自然對流換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式求得：

　　 （8）

　　式中：λw-蓄冷劑的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)

　　Ra-蓄冷劑的瑞利數(shù)

　　Pr-蓄冷劑的普朗系數(shù)

　　2.5  模型求解結(jié)果

　　為了驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的可行性，依照上述沉浸式汽化器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和液氮流量為0.014kg/s與蓄冷劑為水的參數(shù)，利用模型計(jì)算不同盤管長度的出口溫度，共10個(gè)長度，分別記作 L1～L10（1m～10m，間隔1m），其預(yù)測值如圖4所示。結(jié)合汽化器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和成本的考慮，選取其中兩組L2和L3進(jìn)行試驗(yàn)，作為預(yù)測驗(yàn)證組。

圖 4  汽化器出口溫度預(yù)測值

表1  預(yù)測值與試驗(yàn)值相對誤差

　　在與試驗(yàn)相同的條件下，將模型求解得到的汽化器出口溫度與試驗(yàn)得到的出口溫度相比較，由表1可知，模型結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為接近，其相對誤差值分別為2.01%和8.06%，表明模型的效果較好。

　　為了更好地了解該汽化器的工作特性，采取不同的試驗(yàn)因素，對其進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，環(huán)境溫度為( 25±1)℃。以汽化器盤管長度、蓄冷劑類型和液氮流量為試驗(yàn)因素，連接好液氮罐，開啟出液電磁閥、增壓電磁閥進(jìn)行液氮充注試驗(yàn)。每組試驗(yàn)持續(xù)進(jìn)行10min，用無紙記錄儀將溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)記錄并保存在計(jì)算機(jī)中。每組試驗(yàn)重復(fù)2次，取平均值進(jìn)行分析。

　　蓄冷劑溫度的測定：在箱體內(nèi)布置4個(gè)溫度測點(diǎn)，取4個(gè)蓄冷劑溫度的平均值來表征蓄冷劑的溫度。

　　汽化器出口溫度的測定：在汽化器出氣孔處布置4個(gè)溫度測點(diǎn)，取4個(gè)出口溫度的平均值來表征汽化器的出口溫度。

　　液氮流量的測定：記錄液氮罐試驗(yàn)期間的質(zhì)量的變化量，液氮流量計(jì)算公式為

　　qy=（ms-mf）/t                （9）

　　式中：ms-試驗(yàn)前液氮罐的重量，kg

　　mf-試驗(yàn)后液氮罐的重量，kg

　　存儲冷量：蓄冷劑通過與盤管內(nèi)的液氮進(jìn)行換熱得到的冷量，其計(jì)算公式為

　　Qc=CxmxTx                       (10)

　　式中：Cx-蓄冷劑的比熱容，J/(kg·℃)

　　mx-蓄冷劑的質(zhì)量，kg

　　Tx-試驗(yàn)前后蓄冷劑的溫差，℃

　　釋放冷量：液氮通過與盤管外的蓄冷劑進(jìn)行換熱釋放出來的冷量，其計(jì)算公式為

　　        (11)

　　式中：TL-試驗(yàn)前后液氮的溫差，℃。

　　蓄冷效率：用存儲冷量除以釋放冷量來表征汽化器的蓄冷效率。

　　4  試驗(yàn)結(jié)果與分析

　　采用水作為蓄冷劑，液氮用量和流量分別為16.2kg和0.0075kg/s，進(jìn)行液氮充注試驗(yàn)，測量不同盤管長度下的液氮出口溫度，分析其對蓄冷效率的影響。以汽化器出口溫度與蓄冷劑溫度等指標(biāo)為因變量，采用 Excel軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)系擬合，擬合結(jié)果如表2所示，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

　　表2  不同盤管長度下各項(xiàng)指標(biāo)與時(shí)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系式

　　從表2可以看出，汽化器出口溫度和蓄冷劑溫度都與充注時(shí)間呈線性關(guān)系，當(dāng)盤管長度增大時(shí)，其相關(guān)性系數(shù)越高。當(dāng)盤管長度為L3時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)汽化器出口溫度為4.05℃，相比于盤管為L1時(shí)，其試驗(yàn)結(jié)束的汽化器出口溫度升高了44.47℃。從圖5（略）可以看出，當(dāng)盤管長度增加時(shí)，汽化器的蓄冷效率也會(huì)相應(yīng)增大。這可能是由于當(dāng)液氮流量一定時(shí)，其盤管長度越大，液氮在汽化器內(nèi)流動(dòng)的時(shí)間越長，液氮通過盤管與蓄冷劑進(jìn)行換熱的過程就越充分，從而能夠升高液氮汽化后的溫度，降低蓄冷劑的溫度，更好的吸收液氮所釋放的冷能，存儲更多的冷量。因此液氮的換熱性能和蓄冷效率會(huì)隨著汽化器內(nèi)的盤管長度的增大而提高。

　　4.2  液氮流量對汽化器工作特性的影響

　　采用水為蓄冷劑，液氮用量為16.2kg，選取L3盤管長度，進(jìn)行液氮充注試驗(yàn)，測量不同液氮流量下的液氮出口溫度，及其對蓄冷效率的影響，以汽化器出口溫度與蓄冷劑溫度等指標(biāo)為因變量，采用Excel軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)系擬合，擬合結(jié)果如表3，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

　　表3  不同液氮流量下各項(xiàng)指標(biāo)與時(shí)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系式

　　從表3可以看出，汽化器出口溫度與蓄冷劑溫度都與充注時(shí)間呈線性關(guān)系，當(dāng)液氮流量增大時(shí)，其線性關(guān)系相關(guān)性系數(shù)越高。當(dāng)液氮流量為0.014kg/s時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束后其汽化器出口溫度為-45.33℃。而從圖6（略）可以看出，當(dāng)液氮流量增加時(shí)，汽化器的蓄冷效率成先增加后減小的趨勢。這可能是由于液氮流量增大時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)液氮與盤管換熱量增大，換熱更加充分，而當(dāng)液氮流量增大到一定程度時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)液氮釋放冷量速率過大，蓄冷劑所能吸收冷量的速率已經(jīng)到達(dá)一定程度，增長緩慢，導(dǎo)致其蓄冷效率有所下降。

　　因此，適當(dāng)減少液氮流量，對汽化器的換熱性能和蓄冷效率都有一定的提高。

　　4.3  蓄冷劑對汽化器工作特性的影響

　　采用盤管長度為3m，液氮流量為0.01kg/s，進(jìn)行液氮充注試驗(yàn)，測量不同類型的蓄冷劑下的液氮出口溫度，分析其對蓄冷效率的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖7（略）、圖8（略）所示。

　　從圖7（略）可以看出，在同一條件下，不同的蓄冷劑對汽化器出口溫度和其本身溫度都有著較大的影響。當(dāng)蓄冷劑類型為水時(shí)，其試驗(yàn)結(jié)束后，汽化器出口溫度達(dá)-22.80℃，相比于采用相變蓄冷劑時(shí)，其溫度升高了28.98℃。而從圖8可以看出，采用水為蓄冷劑時(shí)，液氮釋放的冷能較大，蓄冷劑吸收的冷能較多，其蓄冷效率比采用相變蓄冷劑時(shí)高24.12%。因此，選擇水作為蓄冷劑比選擇相變蓄冷劑時(shí)，其汽化器的換熱性能更佳。

　?。?）為了提高液氮充注式氣調(diào)保鮮運(yùn)輸裝備的氣調(diào)效果，建立了沉浸式汽化器的出口溫度模型，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的正確性，其相對誤差值分別為2.01%和8.06%；搭建了沉浸式汽化器試驗(yàn)平臺，通過改變沉浸式汽化器盤管長度、蓄冷劑類型、液氮流量進(jìn)行液氮充注試驗(yàn)，分析汽化器工作特性。

　?。?）汽化器出口溫度和蓄冷劑溫度都與充注時(shí)間呈線性關(guān)系，當(dāng)盤管長度增加抑或是液氮流量增大時(shí)，兩者與充注時(shí)間的相關(guān)性系數(shù)越高。當(dāng)采用盤管長度為3m和液氮流量為0.0075kg/s時(shí)，汽化器的換熱性能較佳；

　?。?）隨著液氮流量的增大，汽化器蓄冷效率成先增加后減小的趨勢，當(dāng)采用液氮流量為0.01kg/s時(shí)，汽化器的蓄冷效率較優(yōu)；

　?。?）相比于采用相變蓄冷劑作為蓄冷劑，采用水作為蓄冷劑時(shí)，汽化器的出口溫度更高，其換熱性能和蓄冷效率更佳。