侯可明　王广海　李庆　陆华忠　吕恩利

摘要：为了提高液氮充注式气调保鲜运输装备的气调效果，设计了液氮充注式汽化器，搭建了液氮汽化试验平台，通过改变汽化器翅片间距、迎面风速进行液氮充注试验，分析不同翅片间距、迎面风速对汽化器出口温度、壁面温度和结霜量的影响。结果表明：迎面风速越大，换热效果越好，出口温度越高，结霜厚度越小；汽化器迎面风速对壁面温度、出口温度的影响权重高于翅片间距；当汽化器迎面风速为0 m/s时，翅片间距越大，出口温度、壁面温度越高，换热效果越好；当汽化器迎面风速为0.8 m/s时，翅片间距越小，结霜速度越慢，出口温度、壁面温度越高，换热效果越好。试验结果为气调保鲜运输装备的进一步开发设计提供了参考依据。

关键词：汽化器；翅片间距；迎面风速；温度；结霜

中图分类号：S229 文献标志码：A 文章编号：1002—1302（2016）01—0386—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。但是液氮自身温度较低，为了防止液氮充注式气调对果蔬产生低温伤害，在气调过程中必须采用汽化器对液氮进行汽化。文献[7-9]对汽化器的传热和结霜特性进行了分析和研究；文献[10-14]分析了蒸发器的结霜和传热性能，而针对液氮汽化器设计和特性研究的相关文献较少，因此有必要进一步对液氮汽化器的设计和试验进行深入分析。本研究主要结合气调保鲜运输需求设计液氮充注式汽化器，并研究该汽化器在不同翅片间距、不同迎面风速下对应的温度分布和结霜特性，为气调保鲜运输装备的进一步开发设计提供参考。

1材料与方法

1.1试验平台

试验平台如图1所示，试验支架由铝合金材料搭建而成，直流风机（型号YM2420AXB1，最大流量16.84m³/min）由脉宽调速器控制，汽化器表面风速由热线式风速仪（型号testo425，量程0～20 m/s，精度±0.03 m/s）进行测量，温度用PT100温度传感器（测量范围：-200～500℃，精度为±0.15℃）进行采集，用无纸记录仪记录各传感器数值（数据记录频率1次/s），同时显示并存储于计算机内。液氮罐（型号YDZ-100，最大出液压力为0.09 MPa，容积为100 L）增压电磁阀工作使罐内出液压力迅速达到并稳定在0.09 MPa，出液电磁阀工作实现液氮充注。在汽化器出氣口处放置1个PT100温度传感器，并在汽化器壁面均匀放置4个PT100温度传感器。汽化器结霜厚度用木质刻度尺（精度0.5 mm）进行测量，并通过相机定时记录汽化器结霜状况。

1.2汽化器的设计

如图2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的基础上加装翅片，以增大传热面积、提高汽化器的换热效果，使液氮能够得到更好的汽化。汽化器的结构参数：管束选用直径9.5 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，管束按正三角形叉排排列；翅片为平翅片，翅片长度200 mm，宽45 mm，厚度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。

2结果与分析

试验在室内进行，环境温度为（16±1）℃，相对湿度为（65±5）%。以汽化器翅片间距、迎面风速为试验因素，连接好液氮罐，开启出液电磁阀、增压电磁阀进行液氮充注试验。每组试验持续进行30 min，用无纸记录仪将温度传感器采集到的数据记录并保存在计算机中，结霜厚度每30 s拍照并记录1次。

汽化器迎面风速的测定：在汽化器表面均匀布置30个测点，每个测点通过热线式风速仪读取3个风速值，最后对所有风速值取平均值，作为其迎面风速。

汽化器壁温的测定：在汽化器表面均匀布置4个温度测点，取4个壁面温度的平均值来表征汽化器的壁面温度。

汽化器翅片结霜厚度的测定：在汽化器上表面均匀布置3个厚度测点，每个测点重复测量5次，取其平均值作为该测点的结霜厚度。

2.1温度的分布特性

取翅片间距为5 mm的汽化器，测量其在不同迎面风速下的液氮出口温度、壁面温度，试验结果见图3、图4。

从图3、图4可以看出，迎面风速对汽化器壁面温度的影响较大，当风速为0 m/s时，汽化器表面结霜较为严重，换热效果差，试验结束时液氮出口温度低至-60℃，壁面平均温度低至-56℃；当迎面风速为0.4 m/s时，试验结束时液氮出口温度、壁面平均温度比风速为0 m/s时高，分别为3.9、-18.4℃；当迎面风速分别升至0.8、1.2、1.6 m/s时，试验结束时液氮出口温度、壁面平均温度均有不同程度的升高，但随着风速的增大，液氮出口温度、壁面平均温度的增量逐渐减小，当风速为1.2、1.6 m/s时，液氮出口温度相差较少且接近室温。因此，液氮汽化效果随着汽化器迎面风速的增大而越趋良好。

分别设置汽化器迎面风速为0、0.8 m/s，选取不同翅片间距汽化器进行试验，试验结果见图5、图6。

从图5、图6可以看出，当迎面风速为0m/s时，汽化器表面结霜严重，出口温度、壁面温度的总体趋势是随着翅片间距的增大而升高，即翅片间距越大，换热性能越好。原因是翅片间距越小结霜越严重，换热面积越小，结霜造成的热阻也越大，换热性能也就越差，所以壁面温度、出口温度总体偏低。当迎面风速为0.8 m/s时，汽化器表面结霜量较少，出口温度、壁面温度的总体趋势是随着翅片间距的增大而降低，其中壁面温度的变化趋势较为明显，出口温度的变化较小。原因是汽化器迎面风速高，致使表面结霜量减小，结霜造成的热阻也减小，翅片间距越小、翅片数目越多，换热面积越大，换热性能越好，所以壁面温度及出口温度总体偏高。因此，汽化器迎面风速对壁面温度、出口温度的影响权重高于翅片间距。

2.2结霜特性

取翅片间距为5 mm的汽化器，测定其在不同迎面风速下对应的结霜厚度，结果如图7所示。从图7可以看出，汽化器在不同迎面风速下结霜量均随时间推移呈现增大趋势，但对应的结霜速率存在明显差异。当风速为0 m/s时结霜最为严重，随着迎面风速的增大，结霜厚度变化逐渐减小，整体趋势是风速越大，结霜厚度变化越小。

取不同翅片间距的汽化器，测其在迎面风速分别为0、0.8 m/s时对应的结霜厚度，试验结果如图8、图9、表1所示。

由图8可以看出，当汽化器迎面风速为0 m/s时，在试验的前半部分，结霜速率随翅片间距增大而降低；在试验的后半部分，结霜速率随着翅片间距增大而升高。由图9可以看出，当汽化器迎面风速为0.8 m/s时，整个试验过程中汽化器结霜速率随着翅片间距增大而升高。由表1可以看出，当汽化器迎面风速为0 m/s时，翅片间距为4 mm的汽化器开始结霜、结霜布满翅片的时间均最早，分别为3.0、11.0 min，而翅片间距为7 mm的汽化器开始结霜、结霜布满翅片的时间均最迟，分别为5.0、23.0 min。试验过程中从汽化器开始结霜到结霜布满翅片的耗时随着翅片间距增大而增加，原因是当汽化器迎面风速较低时，翅片间距小的汽化器更容易结霜，致使结霜热阻增大，影响汽化器的换热能力，加快结霜速率；当汽化器结霜厚度超过一定值时，结霜热阻的影响因素降低，翅片间距小的汽化器换热面积较大，提高热交换效果，降低结霜速率。当汽化器迎面风速较高时，翅片间距越大，换热面积越小，换热性能越差，致使结霜速率升高。

3讨论与结论

为了提高液氮充注式气调保鲜运输装备的气调效果，设计液氮充注式汽化器，通过搭建液氮汽化试验平台，选择汽化器翅片间距和迎面风速为试验因素，针對温度分布特性和结霜特性进行液氮充注试验，结果表明：（1）相同翅片间距的汽化器，其迎面风速越大，换热效果越好，出口温度越高，结霜厚度越小。（2）汽化器迎面风速对壁面温度和出口温度的影响权重高于翅片间距。（3）当汽化器迎面风速为0m/s时，翅片间距越大，开始结霜的时刻越晚，汽化器出口及壁面温度越高，汽化器换热效果越好；当汽化器迎面风速为0.8m/s时，翅片间距越小，结霜速度越慢，结霜造成的风阻及热阻也越小，且换热面积越大，使其换热效果越好，出口温度、壁面温度也越高。