血浆速冻柜设计和性能试验研究

刘发柱，张芳，许仁续，徐桂杰

（大连三洋冷链有限公司，辽宁大连 116600）

0 引言

速冻设备研制之前，液氮因其具有优良的物理和化学性能[1]，被用于医疗卫生行业的快速冷冻和保存。速冻制冷设备的研制，国外起步较早，我国的速冻设备研制开始于20世纪80年代。速冻机是使被冷却物质在低温环境中快速冷却的装置[2]，广泛应用于医疗领域和食品领域，按照冷却的类型，速冻机分为风冷式速冻和接触式速冻[3]。

血浆速冻柜是各大中城市血站和血液中心必备的设备之一。目前市场上使用较多的血浆速冻柜是接触式速冻柜，其特点是水平金属压板直接接触血浆、降温速度快、冻结量大[4]，但其缺点是价格昂贵、运行时机组噪音大、散热量大，高能耗等[5]。

为了改善机组运行时噪音大以及室内散热量大等问题，本文结合国内制冷设备生产厂商的生产工艺特点，自制一种强制风冷冷却式血浆速冻柜，用来研究血浆速冻过程。其使用较大功率的双级压缩制冷机组进行强制制冷，蒸发器的蒸发温度达到-50℃以下[6]，冷却风机将冷量快速传递分散到箱内，使箱内温度迅速降低。

1 血浆及血浆速冻

1.1 血浆

血浆是血液的重要组成部分，包含了全部的凝血因子，特别是不稳定的凝血因子[7]。其主要作用是运输人体内所需的营养成分和排出的物质，并具有抗凝血功能。

1.2 血浆速冻

血浆经过采集、运输、分离、保存等处理过程，必须在6小时(全血保养液为ACD时)或者8小时(全血保养液为CPD，CPDA-1时)内冻结成型[8-9]，并在-30℃以下保存。目的是为了防止血浆中不稳定的凝血因子失效以及血浆中有效成分的损失。

2 制冷系统的设计

2.1 热负荷计算

血浆速冻柜的总热负荷由以下部分组成：箱体的热量损失 Q1、冻结血浆的热量 Q2、门开时的热量损失Q3、其他热量损失Q4。由于血浆速冻过程中不需要开门，计算总热负荷时只考虑箱体的热量损失Q1和储存物品的热量Q2。

箱体的传热系数计算公式为：

式中：

aw——箱体外空气对箱体外表面的传热系数，W/(m2·K)；

an——箱体内表面对箱体内空气的传热系数，W/(m2·K)；

δ ——隔热层厚度，m；

λ ——隔热层的导热系数,硬质聚氨酯发泡的导热系数λ取 0.018 W/(m2·K)。

箱体结构的漏热量计算公式为：

式中：

k1——箱体的传热系数；

A1——箱体的传热面积，m2；

a ——修正系数；

tw——环境温度，℃；

tn——箱内温度，℃。

冻结血浆的热负荷 Q2分为冻结前的冷却热量Qd、冻结潜热 Qe、冻结后的冷却热量 Qf。假设血浆冻结量为60袋，400 ml；整个冷却过程时间为1 h。上述参数的计算公式为：

式中：

W ——冻结血浆的质量；

C1——冻结前血浆的比热；

C2——冻结后血浆的比热；

T ——冷却时间；

Δt ——冷却温差；

h ——血浆的冷却潜热。

总热负荷：

2.2 蒸发器的设计和机组的选择

蒸发器的制冷量Q为3834.1 W。

选定蒸发器的结构参数：

选用φ15.88 mm×0.5 mm的紫铜管，翅片选用δf= 0.18 mm的铝套片，翅片间距Sf= 10 mm，管簇按照正三角形差排方式排列，垂直于流动方向的管间距S1=38.1 mm，沿流动方向的管排数n=6。[10]

蒸发器所需的换热面积：

式中：

K——基于蒸发器外表面积的换热系数，K取58 W/(m2·K)；

Δt——柜内温度与蒸发温度差，取为10℃。

蒸发器几何参数：

套片后的管外径：

沿气流流动方向的管间距：

每米管长翅片的外表面积：

每米管长翅片间的铜管表面面积：

每米管长的总外表面积：

蒸发器所需传热管长度：

取蒸发器宽为 B=330 mm，高 H=762 mm，迎风面积Af=0.2362 m2。

已选定垂直于气流方向的管间距为 s1=38.1 mm，则垂直于气流方向的每排管数：

传热管的实际总长：

参考蒸发器设计的各项参数，选择型号为FE031-4DA.0C.A7型风机，其功率为0.12 kW，转速为1410 r/min。

根据制冷量要求，选择某公司型号为CMU-50MSN的一体式机组。

3 试验研究与数据分析

血浆速冻装置搭建好以后，布置测试点，主要进行空负荷降温速度试验和实负荷降温速度试验，并对数据进行分析探讨。

3.1 试验装置

本文所研究的血浆速冻柜尺寸内部尺寸为490 mm×600 mm×1140 mm,内容积为 330 L,内部搁架分为四层。主要由冷冻机组和冷冻箱体两部分组成，制冷机组的压缩机功率选为 5600 W,制冷机组主要由双级制冷压缩机、翅片盘管式冷凝器、冷凝风机、储液罐及压力保护装置等辅助部件组成，安装时置于室外，降低了运行噪音和对室内的热量排放。冷冻箱体由发泡箱体、门组合、蒸发器、冷却风机及搁架等部件组成。根据到血浆速冻的温度、冻结速度和制冷量的要求，按照ODP值和GWP值越小越好的原则[11]，本试验选用R-404A作为制冷剂，其蒸发温度为-46.1℃，制冷性能良好。血浆速冻柜的箱体和制冷机组如图1和图2所示，制冷原理图如图3所示。

图1 血浆速冻柜箱体

图2 血浆速冻柜机组

图3 血浆速冻柜制冷原理图

根据速冻柜箱体结构特性，箱内有三个搁架共分隔为4层，在每层搁架上分别布置3个测定点，测试点布置在血袋的几何中心位置，测定点具体位置如图4所示。

图4 试验测定点位置

3.2 空负荷降温速度试验

试验环境30℃，箱内无负荷，温控器短路，机组持续运转。试验过程中记录了相关测点的温度随时间的变化情况。图5为各层中间温度随时间变化曲线、图6为蒸发器出入口温度随时间变化曲线。

图5 30℃时各层中间温度随时间变化曲线

图6 蒸发器出入口温度随时间变化曲线

从空负荷降温速度试验曲线可知，速冻柜箱体内各检测点温度从 30℃降到-30℃约 10分钟，15分钟后最低温度可达到-45℃以下，说明机组的冷却性能满足血浆速冻要求。而蒸发器入口最低温度-58.42℃，蒸发器出口最低温度-49.38℃，蒸发器换热温差约为10℃，同时也满足设计要求。

3.3 实负荷降温速度试验

试验环境 30℃，箱内放置负荷，温控器设定-30℃。由于血浆中水分的含量为90%～92%，试验时用水代替血浆。实负荷试验分别放置30袋和60袋400 ml水负荷[12]。放置30袋水负荷时，25℃开始进行试验。而放置 60袋水负荷时，考虑到负荷量较大，放置时水负荷之间贴合紧密，所用从保存温度4℃开始试验。图7为25℃时各层中间温度随时间变化曲线。

图7 25℃时各层中间温度随时间变化曲线

水负荷温度为 4℃时速冻柜箱体各层中间温度随时间变化曲线如图8所示。

图8 4℃时各层中间温度随时间变化曲线

实负荷降温速度试验，速冻柜放置30袋400 ml水负荷时，60分钟柜内各测定点可以达到-30℃以下，最低温度可达-47℃，满足血浆速冻要求。从降温曲线可知，负荷温度下降过程中，有一段平缓的线，而且时间较长，主要原因是负荷从 0℃水变成0℃的冰需要吸收较多冷量，花费时间也较长。由实验数据可知，每层左侧和右侧温度较低，中间温度较高，原因是中间点处于冷却风机扇叶中心，风量较小，导致冷却速度慢，温度较高；两侧处于冷却风机扇叶边缘，风量较大，冷却速度快，所以温度较低。速冻箱内温度从上到下逐渐升高，主要是因为冷却风机安装在箱体上部，冷空气从上部吹出，从上而下空气温度逐渐升高，风速逐渐减小。

血浆表面的热量主要由制冷剂对流换热方式带走[13]，放置60袋400 ml水负荷时，虽然水负荷温度从 4℃开始降温，但部分监测点温度没有达到-30℃以下，不满足血浆速冻要求。原因是放置 60袋水负荷时由于空间过于拥挤，水负荷互相贴合，导致冷却空气无法充分冷却，所以速冻速度变慢。

4 结论

通过对速冻柜的试验研究，并对实验结果的分析可知，为了保证血浆速冻效果，需要从以下两方面考虑：一方面是保证血浆袋的放置空间，不能互相贴合；另一方面保证冷却风机直吹到被冷却的血浆袋。本文所设计的血浆速冻柜制冷性能基本满足血浆速冻要求。

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