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1. 天津科技大学食品工程与生物技术学院（天津 300457）；2. 天津捷盛东辉保鲜科技有限公司（天津 300399）；3. 国投中鲁果汁股份有限公司（北京 100070） 摘要：常规冷库运行需要大量电力, 目前世界范围内能源短缺严重, 某些国家或地区电力十分缺乏。溴化锂吸收式制冷技术多用于空调制冷, 用于果蔬保鲜未见相关报道。研究模拟溴化锂吸收式制冷技术应用于果蔬制冷保鲜,设计建造模拟试验库, 并研究其热工性能。通过试验得出, 循环制冷水温为5 ℃条件下, 库温最低可降至7 ℃。空库降温时间随初始温度的升高而增加。马铃薯入库温度为35 ℃时, 预冷到7 ℃所需要的时间为365 min。经计算试验库比普通冷库节能71%。试验证明, 余热溴化锂吸收式制冷技术可用于8 ℃~10 ℃果蔬保鲜与冷链流通, 可显著降低电力消耗, 具有广阔的发展前景。 关键词：溴化锂吸收式制冷技术; 冷库; 马铃薯; 性能研究 当前，我国低温贮藏总量约2 000万 t，仅为果蔬总产量2.4%，发达国家占60%，采后损失仅3%～5%[1]。我国果蔬年总产量约8.3亿 t，若冷藏率达60%，年耗电量约2 000亿 kW，相当于2013年全国轻工业耗电量31.4%，节能是我国果蔬冷链的首要问题[2-3]。 在我国现役发电机组总装机容量中，火电占74%，仍然是我国主要的发电方式，是电力生产的主力军[4]。目前，各行业的余热总资源约占其燃料消耗总量的17%～67%，可回收利用的余热资源约为余热总资源的60%[5]。溴化锂吸收式制冷利用不同温度下溴化锂水溶液对水蒸气的吸收与释放来实现循环式制冷，可利用工业废热、余热等低品质热能[6-8]。溴化锂制冷机组可制得最低冷水温度为5 ℃，这为该技术应用于果蔬保鲜提供了可能。研究搭建溴化锂余热制冷试验平台技术，以水为制冷剂重点研究溴化锂余热制冷技术应用于果蔬保鲜的可行性，分析试验库热工性能，为下一步应用鉴定基础。 1 试验材料与方法1.1 试验材料 库体建设所需材料主要有：（1）保温库板选用聚氨酯彩钢夹芯板，其中聚氨酯厚度150 mm，彩钢板厚度2 mm×2 mm；（2）无纺布；（3）气密胶；（4）地板革，厚度2 mm；（5）PVC网纹水管，Φ=25 mm；（6）铜管，Φ=15 mm；（7）橡塑保温棉管，Φ=30 mm；（8）三项五芯电缆；（9）试验材料为新鲜土豆，市售。 1.2 主要仪器与设备 （1）水冷型空气冷却器：BF-DL-5.0/25配有3个风机，名义排热量（Δt=库-to=7 ℃）：5 000 W，冷却面积25 m2，片距4.5 mm，风机风量3×1 800 m3/h；（2）落地式一体式制冷设备：GYT06HM-GN-H，名义制冷量（冷凝温度40 ℃时）8 000 W，制冷剂R22，配套ZB38KQ谷轮涡旋压缩机；（3）远程温湿度监控记录仪：GRM203G-8N2P型远程温湿度自动记录仪，使用前用精密气象温湿度计进行标定；（4）PE保温水箱：容量2 t，表面做保温处理，用以储存冷媒水；（5）MP-55R型管道增压泵，实际流量30 L/min，扬程最大8.2 M；（6）LD-2电脑控制箱，用以精确控制制冷水温及库温，精度±1 ℃；（7）AR866型热敏式风速仪；（8）精密气象温湿度计，测量精度0.1 ℃。 1.3 模拟溴化锂余热制冷控温库试验台设计[9] 试验平台设计图如图1所示，主要由制冷设备、保温库体、循环水泵、保温水箱和空气冷却器5部分组成。其中，制冷机组任意调控水温，温差小于±0.1℃。试验模拟溴化锂制冷机制冷机制，需用水为制冷剂。制冷机6通过保温水箱2内置的制冷机冷凝器1制取冷媒水，水泵5不断循环保温水箱内制冷水，保证水温均匀。配套LD-2型电脑控制箱精准控制冷媒水温度，精度±1 ℃。经增压泵5将制冷水循环通入库内蒸发器8，空气冷却器做吊顶处理，库内的送风方式如图2所示，3台轴流风机7实现库内强制通风制冷，可获得≥5 ℃冷风，名义最大制冷风量3×1 800 m3/h。  图1 模拟溴化锂余热制冷试验库结构简图 1: 冷凝器；2: 水箱；3: 保温棉；4: 循环水泵；5: 增压泵；6: 制冷机组；7: 轴  图2 试验库内送风模式 1.4 试验方法 1.4.1 溴化锂余热制冷试验库的温度场测试[10] 研究在库内风机持续强制通风制冷的条件下，库内温度分布及热量传递情况[11]：（1）测试试验库空气冷却器进水、回水温度，测温点分布见图1中温度探头12；（2）模拟试验库在不同气候条件下的应用效果，测试试验库在不同外界温度条件下的降温性能；（3）测试试验库空载条件下，库内不同位置的温度场分布情况，测温点分布如图3所示。  图3 冷库内测温点分布 1.4.2 溴化锂余热制冷试验库的湿度场分布测试 研究试验库在降温过程及长期工作状态下湿度的湿度变化。测量点分布如图4所示：分别设置在库内中心点以及其上下、前后、左右6个位置，分别记为S1、S2、S3、S4、S5、S6和S7，7个测量点，用湿度传感器对其进行测量，求取平均值，测湿分辨率±3%。  图4 冷库内测湿点分布 1.4.3 溴化锂余热制冷试验库的风力速度场测试[12] 冷库内冷却大多选用冷风机强制循环库内空气的方式，冷库内空气的流通状态直接影响着微型冷库内的温度分布及果蔬的冷却速率。测试试验库内垂直距离地面0.5，1.5和2.5 m 3个水平面上风机轴向方向不同距离处测量点的风速，研究风力在不同高度平面上距风机距离的变化规律。 1.4.4 模拟果蔬余热制冷预冷效果研究 试验设置15 ℃，20 ℃，25 ℃，30 ℃，35 ℃，40 ℃和45 ℃ 7个处理温度，将土豆装筐码垛至于不同处理度温度下48 h，待温度稳定后，入库进行预冷试验。用远程温湿度记录仪的温度探针记录各个样品的果心温度变化，研究土豆在试验库内的预冷效果。 2 试验结果与分析2.1 模拟溴化锂余热制冷试验库的温度场研究 2.1.1 制冷过程中冷媒水温度变化  图5 库内空气冷却器进水、出水温度 通过对空库降温过程中蒸发器进水、回水温度的变化研究（图5）得出：降温前期，由于库内蒸发器热负荷较大，回水温度可高达9.5 ℃，此时蒸发器进水与回水温度差值最大。随降温时间的增加，两者差值逐渐减小，最终稳定在0.4 ℃左右，证明试验台设计合理，管道各部分保温处理合适，冷损耗较少。 2.1.2 试验库降温效果研究 温度是影响果蔬贮藏保鲜品质最重要的因素[13]，温度的整体作用主要表现在对呼吸作用的影响[14]。冷库的优越性能主要体现在其降温效果，保温效果以及库内温度场分布情况[15]。 如表1和图6所示，库内初始温度分别从10 ℃，15℃，20 ℃，25 ℃，30 ℃，35 ℃，40 ℃和45 ℃降到下限温度8 ℃所需要的时间分别为25，45，58，78，84，98，106和118 min。对于不同的初始温度，试验库均能在2 h以内将温度降低到8 ℃，证明试验库制冷性能够适应亚热带、热带的气温条件，降温效果显著。 表1 不同初始温度降温所需时间  项目降温幅度/℃10~815~820~825~830~835~840~845~8所需时间/min254558788498106118  图6 不同起始库温条件试验库降温时间 2.1.3 试验库内温度场分布 通过对库内不同高度平面温度场分布研究（图7～图9）发现：由于库门处热漏导致0.5 m和1.5 m高度平面上靠近库门位置温度略高于库内平均温度。库内的低温区域主要分布在距离地面0.5 m平面处的四周角落及2.5 m高度平面风机直吹处。库内的高温区域主要分布在冷风机下方的回风口处。库内不同平面温度场分布与降温时库内气流组织有关，低温气流由风机吹出到达对面墙壁并贴壁下降，经由冷库下部回流到风机回风口处。而距离地面2.5 m平面处温度分布（在货物区较高位置处即冷风直吹区域）随风力的递减而呈现规律性的减弱，空气流速较大、换热快，因而温度也较低。  图7 距离地面0.5 m高平面温度场分布图  图8 距离地面1.5 m高度平面温度场分布图  图9 距离地面2.5 m高度平面温度场分布图 2.2 模拟溴化锂余热制冷试验库的湿度研究 较高的水蒸气分压力能够抑制果蔬的蒸腾作用，保持贮藏水果、蔬菜优良品质[16]。研究（图10）得出，库外的湿度稳定在60%左右，没有较大的波动。库内湿度（未使用加湿器加湿）空库降温过程中先由环境湿度65%急速降低到52%，再逐渐回升，最后在77%附近波动。这是因为相对湿度除与空气的含湿量有关，还与空气的温度有关[17]。在降温的初始阶段，含湿量下降导致相对湿度下降的速率超过相对湿度升高的速率，表现为相对湿度降低。但在降温10 min后，总体上含湿量下降导致相对湿度下降的速率低于相对湿度升高的速率，从而总的趋势相对湿度有所增加。之后随着绝对湿度的回升和温度的降低，相对湿度继续上升到77%左右。  图10 连续一周内库内湿度变化 2.3 溴化锂余热制冷试验库的风力速度场研究 刘斌[18]、杨磊等[19]研究表明库内保鲜库内的气流布置对果蔬预冷、冷藏阶段的冷量分布、果蔬干耗与传热效率、货物的贮藏品质有着极为重要的作用；而且单一送风模式条件下，库内的气流组织如表2和图11所示。 研究发现，冷风机工作时风机射程达到有效货物装载区的0.5 m范围内（风速不小于0.5 m/s）。在距离地面2.5 m平面上（冷风机所在平面），风速随送风距离的增加逐渐降低，由风机出风口6.3 m/s逐渐缩减到1.5 m/s，并紧贴风机对面的墙壁垂直流下。而在距地面1.5 m和0.5 m高度平面处分别以0.5 m/s和1.0 m/s的风速波动，这与冷库内的气流组织流动路径相关。 表2 各测量点的风速值 m·s-1 高度/ m距风机距离/m 00.511.522.533.5 2.56.24.33.32.41.91.61.41.28 1.50.40.340.370.410.390.370.420.5 0.511.111.211.311.1 图11 不同高度平面内风速随距离变化曲线 2.4 模拟果蔬余热制冷预冷效果研究 试验通过土豆作为研究试验材料来测试试验库的果蔬预冷效果，入库量15%，库内温度7 ℃，经试验得出当入库温度为15 ℃，20 ℃，25 ℃，30 ℃，35℃，40 ℃和45 ℃时，预冷到7 ℃所需要的时间分别为271，305，321，340，365，377和389 min。试验结果（图12）证明：试验库可用较高入库温度的土豆预冷，适用于高温地区或田间高热的果蔬降温，实现了废热的高效转化，具有较好的应用价值。 图12 不同入库温度所需的预冷时间 3 讨论与展望研究模拟吸收式溴化锂制冷技术，通过对试验库的空载降温效果、湿度波动和果蔬预冷效果试验，证明了溴化锂技术应用于果蔬保鲜上的可行性，通过耗电量计算，余热制冷比电制冷运行节能减少71%，具有广阔的应用前景。但由于溴化锂制冷技术制冷下限温度仍比较高，温度在5 ℃以上，可广泛应用于热带水果保鲜和冷链流通，若应用于大宗果蔬保鲜，其保鲜期则要低于电制冷冷库的保鲜期。下一步将对库体的体型系数进行优化，得出最佳的设备匹配参数，优化余热制冷保鲜库性能。 参考文献： [1] 常丽娜, 韩星. 我国果蔬冷链物流建设现状及发展建议[J].中国果菜, 2015(02): 5-10. 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Design and Study of Performance of Simulating Recycling Power Plant Waste Heat Refrigeration for Fruits and Vegetables Zhang Xin1,2, Zhang Ji-ming3, Li Xi-hong1*, Zhang Rui1, Jia Xiao-yu2, Yun Juan1 Abstract：Conventional refrigerator operation need consume huge amount of power source, however the worldwide energy is limited, some countries or regions even face energy crisis. Minimizing its overall operation and amortization cost is of great importance. LiBr absorption refrigeration technology has been used in air-conditioning application, but few reports find the application in fresh products. In this study, the modelling, simulation and thermodynamic analysis of a LiBr absorption refrigeration system applied in cold storage are presented. The results show that when the circulation cooling water temperature sets to 5 ℃, the temperature falls to lowest 7 ℃. In the cold storage without any fresh products, the cooling time increases with the increase of initial temperature. When temperature sets to 35 ℃ during potato storage, it takes 365 minutes to decrease to 7 ℃ precooling temperature. The test cold storage with LiBr absorption refrigeration technology lowers the energy consumption to 71% than regular one. Our experiments indicate that heat lithium bromide absorption refrigeration technology can be used for 8 ℃ to 10 ℃ cold chain which can significantly reduce the power consumption, which has a broad development prospects. Keywords：LiBr absorption refrigeration technology; cold storage; potato; thermodynamic performance |
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