王鑒,韓厚德,闞安康,沙麗麗,朱杰

(上海海事大學(xué)制冷與低溫工程,上海200135)

真空預(yù)冷技術(shù)是在真空條件下,使被冷卻物品中所含的水分在較低的溫度條件下迅速蒸發(fā),達(dá)到冷卻效果;它具有冷卻速度快、制冷均勻清潔無污染、能量利用系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn),可應(yīng)用于大多數(shù)蔬菜。采用真空制冷時(shí),為了保持真空處理室的真空度,裝置中的捕水器把真空處理室的水蒸氣冷凝成液體排出,是一個(gè)帶氣液相變的換熱器;為了排放冷凝熱必須有一個(gè)冷源,因此捕水器同時(shí)又是另一直冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器。本文通過數(shù)值模擬分析VAC0.2型真空預(yù)冷裝置的壁面溫度、捕水面積和制冷量對捕水器捕水量的影響。

1 捕水器的運(yùn)行過程和特點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)裝置采用內(nèi)置式捕水器,如圖1。捕水器表面與真空室分開,通過真空泵抽取真空室氣體,氣體通過折流板導(dǎo)流,在捕水器內(nèi)凝結(jié)水分。

系統(tǒng)采用的國產(chǎn)XD-020單級旋片真空泵技術(shù)性能如表1。該捕水器的捕水過程和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的除濕機(jī)類似,不過捕水器是在一個(gè)降壓的過程中工作,因此真空室內(nèi)的氣體水蒸氣含量變化過程更復(fù)雜。

圖1 真空預(yù)冷實(shí)驗(yàn)機(jī)中的捕水器

表1 XD-020單級旋片真空泵性能

(1)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行前關(guān)閉真空室門,空氣中所含水蒸氣量就是關(guān)閉真空室門時(shí)的水蒸氣含量,空氣的相對濕度一般在50%～60%左右。系統(tǒng)開始工作后真空泵把真空室內(nèi)的空氣抽出,在真空度達(dá)到閃發(fā)點(diǎn)之前,室內(nèi)的水分子迅速減少,水蒸氣在捕水器的冷凝管上冷凝形成的水膜,其厚度的增長速度也逐漸降低。事實(shí)上,這部分水是非常少的。

(2)真空室內(nèi)壓力降到閃發(fā)點(diǎn)后,被冷卻果蔬所含的水迅速蒸發(fā),室內(nèi)空氣的相對濕度在低壓下接近100%,捕水器捕水任務(wù)加重。大量水蒸氣在捕水器的冷凝管上凝結(jié),液膜厚度變化明顯隨著水蒸氣的不斷蒸發(fā),進(jìn)入捕水器氣體的相對濕度保持在95%以上,捕水器管道上可以出現(xiàn)滴水現(xiàn)象。

(3)當(dāng)真空室內(nèi)壓力達(dá)到640 Pa后,由于蔬菜內(nèi)部溫度沒有達(dá)到預(yù)定值因此還需要繼續(xù)蒸發(fā)降溫,但水蒸氣不是很多。

2 捕水器傳熱傳質(zhì)的數(shù)學(xué)描述

捕水器內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,換熱器的制冷劑被分為三路,橫排共有18排,每一排被折流板分成6段,因此如果按小段計(jì)算,一共有324段。豎管有3根,都比較長;為了求解捕水器的捕水量,取其中一小段為代表進(jìn)行建模和傳熱傳質(zhì)分析,橫管和豎管物理模型如圖2和圖3。換熱器表面水膜的變化比較復(fù)雜,為了簡化模型本文的分析模型將取穩(wěn)定狀態(tài),水膜溫度在0～1℃左右;考慮到水表面有張力,豎管表面水膜均勻。

圖2 單根橫管的傳熱傳質(zhì)模型

2.1 捕水器單管傳熱量和傳熱系數(shù)K

捕水器單管傳熱量:

圖3 單根豎管的傳熱傳質(zhì)模型

式中:Q為單位時(shí)間通過單根管子的傳熱量,W;K為傳熱系數(shù),W/(m2?K);F of為單管的傳熱面積,管外面積,m2;Δt m為管內(nèi)外流體的溫差,℃。αi為管內(nèi)制冷劑兩相流的熱擴(kuò)散率,W/(m2?K);γi為內(nèi)側(cè)銅管的污垢系數(shù),取0.4 mm?K/W;F i為單管內(nèi)側(cè)的傳熱面積,m2;F of為單管內(nèi)、外表面積的算術(shù)平均值,m2;δ為銅管的厚度,m;x為平均水膜厚度,m;λ為紫銅的導(dǎo)熱率,400 W/(m?K);d0為水膜的導(dǎo)熱率,1℃時(shí)0.553 W/(m?K);h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),W/(m2?K)。

在空氣的冷卻過程中,捕水器表面還存在著相變換熱過程:當(dāng)捕水器入口處空氣的露點(diǎn)溫度高于換熱器管子外壁溫度t wo時(shí),空氣中的水蒸氣就要凝結(jié)?？紤]到水蒸氣凝結(jié)時(shí)潛熱傳遞的影響,為了充分考慮水分相變產(chǎn)生的熱傳遞,因此引入析濕系數(shù)到傳熱系數(shù)K中:

式中:γ0為0℃時(shí)水蒸氣凝結(jié)潛熱,2 501.6 k J/kg;cp,v為水蒸氣的定壓比熱容,1.86 kJ/(kg?K);c w水的比熱容,4.19 k J/(kg?K);cp,m為濕空氣的定壓比熱容,k J/(kg?K);t w為壁面溫度,℃;d w為飽和濕蒸汽在壁面溫度時(shí)的含濕量,g/kg;dm為流經(jīng)單根管的平均含濕量,g/kg;t m為濕空氣流經(jīng)單根管的平均溫度,℃。

2.2 管外凝結(jié)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

當(dāng)水蒸氣與低于其飽和溫度的冷壁面接觸時(shí),就會發(fā)生凝結(jié)換熱現(xiàn)象,水蒸氣釋放出汽化潛熱,凝結(jié)為液體。實(shí)驗(yàn)觀察表明,水蒸氣在冷壁面上凝結(jié)時(shí),凝結(jié)液體以兩種形式依附在壁面上,分別為膜狀凝結(jié)和珠狀凝結(jié)。對于橫管,層流到湍流的轉(zhuǎn)變點(diǎn)的雷諾約為3 600,經(jīng)計(jì)算可得雷諾數(shù)在600～700之間,所以屬于層流。

橫圓管表面膜狀凝結(jié)時(shí)定形尺寸為圓管外徑d0,其平均表面的傳熱系數(shù)hh為:

式中:ρ1為水的密度,1 ℃時(shí) 999.88 kg/m3;ρv為水蒸氣的密度,kg/m3;T s為蒸汽壓力對應(yīng)的飽和溫度,℃;μ1為水的動力粘度,Pa?s。

對于豎管的表面膜狀凝結(jié),其定形尺寸為管長L,則有:

2.3 捕水器管內(nèi)的熱擴(kuò)散率

捕水器內(nèi)部出現(xiàn)的兩相流流動換熱,隨管子復(fù)雜的分布,出現(xiàn)不同的兩相流動,換熱計(jì)算這里作了一定的簡化。對于內(nèi)部冷量采用平均分配,分別計(jì)算出每一小段橫管和豎管的冷量。制冷劑在管內(nèi)作兩相流動然后沸騰。立管內(nèi)沸騰時(shí),熱擴(kuò)散摔的計(jì)算式為 :

式中:qi是按內(nèi)表面計(jì)算的熱流密度,W/m2。

水平管內(nèi)沸騰時(shí),熱擴(kuò)散率為:

式中:a2為系數(shù);di為圓管內(nèi)徑m;vm為單位面積質(zhì)量臨界流速,kg/(m2?s);q m為制冷劑質(zhì)量流量,kg/s;Q0為制冷系統(tǒng)的制冷量,k J;q0為制冷系統(tǒng)單位制冷量,k J/kg;N為捕水器流程。

2.4 捕水器中濕空氣成分變化和壓降

當(dāng)初始真空室內(nèi)溫度為 25℃,相對濕度為65%,可以先計(jì)算出飽和水蒸氣的分壓力,在利用P q=φPqb就可以計(jì)算出初始的水蒸氣分壓力。

濕空氣密度變化如下式

式中:M為空氣的分子量,取29。

經(jīng)過計(jì)算,由于空氣密度變化明顯,而且數(shù)值很小,壓力損失非常小,所以計(jì)算時(shí)將流經(jīng)捕水器濕空氣的壓力損失忽略。

3 計(jì)算方法

本計(jì)算采用數(shù)值模擬的方法,通過Matlab模擬捕水過程并計(jì)算捕水量,包括3個(gè)計(jì)算模塊:橫管凝結(jié)換熱系數(shù)計(jì)算模塊;橫管水膜厚度計(jì)算模塊;豎管水膜厚度計(jì)算模塊。橫管分為108段,每一小段水蒸氣參數(shù)各不相同。循環(huán)結(jié)束后得出橫管捕水量,然后計(jì)算豎管捕水量,兩者相加完成一個(gè)時(shí)間步長。下一個(gè)時(shí)間步長時(shí),壓力發(fā)生了變化,因此捕水器入口濕空氣參數(shù)隨之改變,重新進(jìn)行橫管和豎管的水量計(jì)算,直到捕水結(jié)束,得到總的捕水量。

4 計(jì)算結(jié)果及其分析

捕水器的壁面溫度是影響捕水效果的因素之一,蒸發(fā)溫度過低卻會使壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)困難,而且要把蒸發(fā)溫度下降如此之多也十分困難。對于捕水器管道而言,過低的壁溫會讓管道外結(jié)霜而不是結(jié)冰,霜層的熱導(dǎo)率與密度都低于冰層,因此結(jié)霜不利于捕水。從能耗角度來說,冷面溫度太低也不利于節(jié)能。圖4采用了熱泵逆循環(huán)的除霜方式,利用四通換向閥,除霜時(shí)熱氣如圖中箭頭方向排入蒸發(fā)器,而冷凝器作再蒸發(fā)器使用。此法除霜要求在冷凝器后安裝定壓膨脹閥,用以控制進(jìn)入再蒸發(fā)器的制冷劑流量。

4.1 捕水器的壁面溫度

圖5和圖6是不同壁面溫度下的捕水量?？梢钥闯?壁面溫度在保持在0℃以上,水蒸氣以液體形式凝結(jié),壁溫對捕水量影響很小。

4.2 捕水面積

(1)由于捕水器的首要作用就是捕水,因此增大捕水器的實(shí)際捕水面積,是目前捕水器結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化的主要手段。增大管路內(nèi)徑是使捕水器捕水面積增大的有效措施,但是內(nèi)徑太大會導(dǎo)致設(shè)備結(jié)構(gòu)龐大、繁雜且造價(jià)增加,因此要綜合考慮實(shí)際工程情況和生產(chǎn)需要,確定最佳的捕水器管路內(nèi)徑,使得捕水面積增大的同時(shí)不凝性氣體的通導(dǎo)不受太大影響,并且捕水器結(jié)構(gòu)比較緊湊。如果管路內(nèi)徑的增加有困難也可以通過增加管束的數(shù)量來增大捕水面積。

圖5 不同時(shí)刻2種壁面溫度對應(yīng)的捕水量

圖6 不同時(shí)刻2種壁面溫度下的總捕水量

(2)由于捕水器同時(shí)還是制冷循環(huán)中的蒸發(fā)器,因此存在著傳熱傳質(zhì)的過程,同樣要考慮能耗問題。在給定相同的條件下,要使截面上的傳熱量增加一倍,截面面積必須增加到原來的8倍。

綜上所述,要合理的增加捕水器的面積,在增大捕水器面積的同時(shí)考慮到能耗問題,謀求合理的能率使用率。

根據(jù)真空泵的功率,真空室內(nèi)的壓力在6 min左右達(dá)到閃發(fā)點(diǎn)(若室溫20℃,閃發(fā)點(diǎn)為2 400 Pa),在此之前真空室內(nèi)只有少量氣體被捕水器捕集,這部分水就是真空室容積大小的空氣所含的水蒸氣量,經(jīng)過計(jì)算是4 g水,數(shù)量不大可以忽略。另外,當(dāng)壓力下降到640 Pa左右時(shí),水蒸氣的沸騰溫度為1℃左右,此時(shí)蔬菜表面溫度冷卻到1℃,在此后的一段時(shí)間內(nèi),真空泵的壓力一直維持在640～600 Pa左右,蔬菜表面水分蒸發(fā)殆盡,內(nèi)部熱量通過導(dǎo)熱傳遞到表面并通過少量的蒸發(fā)帶走熱量,所以從蔬菜表面達(dá)到預(yù)處理溫度到試驗(yàn)結(jié)束的這段時(shí)間內(nèi),捕水器捕水量也非常有限。從閃發(fā)點(diǎn)的2 400 Pa到 640 Pa這段時(shí)間內(nèi),大約有 10～12 min左右,是捕水的高峰期。在達(dá)到閃發(fā)點(diǎn)后,真空室內(nèi)的水蒸氣含量迅速增加,所以捕水器的捕水量有一個(gè)明顯的最大值,隨后逐分鐘減少。

圖7圖8是不同面積對應(yīng)的捕水量,可以發(fā)現(xiàn),采用改變管徑方法改變捕水器的面積,雖然只是改變了2 mm,但是捕水量的變化是明顯的,f14管徑的總捕水量達(dá)到1 357.9 g,而最小的f10的管子只有491.27 g,兩者差別很大。根據(jù)分析可以認(rèn)為,捕水面積是決定捕水量大小的一個(gè)關(guān)鍵因素。

圖7 不同時(shí)刻對應(yīng)的捕水量

圖8 不同時(shí)刻對應(yīng)的總捕水量

4.3 制冷量

圖9 和圖10是不同制冷量即不同的蒸發(fā)溫度時(shí)捕水量變化,可以看出,在蒸發(fā)溫度為-5℃時(shí)捕水量最大,總捕水量在856 g左右,基本上達(dá)到系統(tǒng)要求。制冷機(jī)組的能耗是系統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)鍵,因此必須選擇合適的制冷量和蒸發(fā)溫度,保證真空預(yù)冷系統(tǒng)的能耗最低。

圖9 不同制冷量對應(yīng)的捕水量

圖10 不同制冷量對應(yīng)的總捕水量

5 結(jié)論

經(jīng)過分析,捕水器的壁面溫度對捕水效果的影響很小,捕水器面積對捕水器捕水的效果影響很大,同時(shí)還要考慮到能耗問題,選擇合適的制冷量和蒸發(fā)溫度。

[1]徐成海,張世偉,關(guān)奎之,等.真空冷凍干燥機(jī)真空系統(tǒng)特性的研究[J].真空,2000(6):16-19.

[2]霍家佩,蘇樹強(qiáng).果蔬真空預(yù)冷裝置的設(shè)計(jì)與研究[J].真空,2001(2):25-29.

[3]楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1998:420.

[4]任澤霈.對流換熱[M].北京:高等教育出版社,1998:213.

[5]杜建通,張榮鈴.果蔬真空預(yù)冷裝置的技術(shù)發(fā)展前景[J].真空,1999(5):175-181.

[6]劉洋,申江,鄒同華,等.真空預(yù)冷中捕水器的理論研究[J].真空與低溫,2004,10(4):230-234.