季阿敏，郭 靖，孟慶海

(哈爾濱商業(yè)大學(xué)，能源與建筑工程學(xué)院，哈爾濱150028)

壓差預(yù)冷是普遍用于蔬菜、水果或切花上的預(yù)冷技術(shù)，其降溫方式是強(qiáng)迫冷風(fēng)進(jìn)入包裝箱中，使冷風(fēng)直接與被冷卻產(chǎn)品接觸.利用風(fēng)機(jī)的抽吸作用在包裝箱進(jìn)出口兩側(cè)形成壓差，冷風(fēng)從包裝箱一側(cè)通風(fēng)口進(jìn)入箱內(nèi)與產(chǎn)品接觸使其降溫，從另一側(cè)出來帶走熱量，從而使物品快速均勻地降溫，以防止貯運(yùn)過程中果蔬的質(zhì)與量的損失[1].

1 物理模型

包裝箱取材硬紙板料，箱體尺寸為540×320×280 mm，將番茄整齊地?cái)[盛放在其中，箱體開孔位置見圖1.

圖1 包裝箱開孔位置

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 箱內(nèi)流體數(shù)學(xué)模型

為了簡(jiǎn)化分析，對(duì)預(yù)冷箱內(nèi)空氣的流動(dòng)與換熱的物理模型做了下列假設(shè)[2]:1)箱內(nèi)流體為牛頓流體;2)氣體在箱內(nèi)側(cè)壁上無滑移;3)忽略環(huán)境與箱外保溫層及箱內(nèi)的輻射熱;4)忽略維護(hù)結(jié)構(gòu)泄露而引起的熱損失;5)將箱內(nèi)氣體看作是各向同性的多孔介質(zhì)流動(dòng)，各向的滲流系數(shù)相等;6)氣體流動(dòng)看作為穩(wěn)態(tài)紊流;7)箱內(nèi)孔隙率均勻，不考慮冷卻過程中由于番茄生理變化及濕度損失而引起收縮帶來的孔隙率變化.

2.2 番茄箱中單體所在單元內(nèi)熱平衡模型

將預(yù)冷箱內(nèi)看作均勻的介質(zhì)，劃分為若干個(gè)立方體單元，由流動(dòng)模型，可以獲得每個(gè)單元質(zhì)心的速度分量 Vx，Vy，Vz，如圖2 所示，則流量分量可由下式求得:

流量分量=速度分量×空氣密度×垂直于速度分量的表面積

其中，垂直于速度分量的表面積=單元體積/流向的單元長(zhǎng)度

圖2 單元體流量平衡圖

假設(shè)由相鄰元進(jìn)入某特定元三個(gè)面的流量分別為 m1，m2，m3(見圖2).相應(yīng)溫度分別為T1，T2，T3三部分流體在單元體內(nèi)混合均勻，則混合后空氣溫度可由下式求得:

其中:m為流入元體的總質(zhì)量，m=m1+m2+m3，(kg);Tf為混合后溫度，(K).式(1)又可寫作Tf=(m1T1+m2T2+m3T3)/m此溫度作為番茄單體溫度計(jì)算中的環(huán)境溫度對(duì)于流出單元體的空氣溫度，依據(jù)能量守恒的原則，單元體內(nèi)空氣的能量變化應(yīng)等于其中番茄的能量變化[3].

其中:Tp為平均溫度，K;cacp為分別為空氣，番茄的比熱，J/kg·K;τ為時(shí)間，s;V，Vp為為控制體體積和其中番茄的體積，m3.

V，Vp有如下關(guān)系:

把式(3)代入(2)得:

單元內(nèi)的空氣溫度值已由式(1)確定，則式(5)所得的溫度變化值就能確定離開每個(gè)單元表面的空氣溫度，以此值作為下一單元的進(jìn)入值，如此迭代循環(huán)，這樣任一位置番茄的環(huán)境溫度就能求得.

流經(jīng)番茄冷空氣的對(duì)流換熱系數(shù)α為:

考慮到單元體是有限體，上式又可近似寫為:

3 ANSYS分析及結(jié)果

3.1 速度場(chǎng)分布

對(duì)冷空氣的速度場(chǎng)分布，利用ANSYS方法計(jì)算[4].首先，對(duì)流場(chǎng)網(wǎng)格劃分，對(duì)進(jìn)、出口處梯度比較大的地方，要求細(xì)分以得到更精確描述.本文采用進(jìn)口風(fēng)速，區(qū)別于以往文獻(xiàn)[5－7]實(shí)驗(yàn)中的送風(fēng)速度(與包裝箱等截面的靜壓箱內(nèi)測(cè)得的截面平均風(fēng)速).

對(duì)流體模型設(shè)置類型、邊界條件、施加負(fù)荷，對(duì)不同的送風(fēng)孔徑、送風(fēng)口速度為依據(jù)進(jìn)行分析.如以開口56 mm，開口處風(fēng)速8 m/s為例，箱內(nèi)速度場(chǎng)的分布如圖3所示.

圖3 開口56 mm，開口處風(fēng)速8 m/s箱內(nèi)速度場(chǎng)的分布

由速度場(chǎng)圖形，可以看到開口處和出口處風(fēng)速很大，速度梯度也很大，這主要是因?yàn)榱魍ㄍǖ赖慕孛娣e出口和入口處速度突變的結(jié)果，符合理論分析.在箱內(nèi)由于番茄的阻力和截面積的擴(kuò)大，風(fēng)速很快降得很小，在箱中大部分區(qū)域由于截面積的均勻，風(fēng)速比較穩(wěn)定.

3.2 溫度場(chǎng)分布

為了尋求理想的預(yù)冷效果，對(duì)影響預(yù)冷的因素分析比較.選擇其中溫度分別改變?yōu)?、7、9℃的三種工況實(shí)驗(yàn)，箱體開孔直徑56 mm，則典型番茄中心預(yù)冷時(shí)間如圖4.另外選擇三種改變箱體開孔直徑分別為36、46、56 mm，送風(fēng)溫度按7℃工況實(shí)驗(yàn)，則典型番茄中心預(yù)冷時(shí)間如圖5，以上兩種工況送風(fēng)速度均采用8 m/s.

4 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)在小型聚氨酯庫(kù)板冷庫(kù)內(nèi)進(jìn)行，制冷系統(tǒng)工質(zhì)為R22，實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示，庫(kù)溫可調(diào)精度0.1℃.用熱電偶測(cè)量番茄溫度，每間隔20 min記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

圖6 壓差預(yù)冷實(shí)驗(yàn)臺(tái)

設(shè)置需要測(cè)試番茄點(diǎn)排列序號(hào)如圖7所示.考慮到二層 22、23、24、25、26、27、28 更具有代表性，以送風(fēng)溫度7℃，開孔直徑為56 mm，送風(fēng)口風(fēng)速為8 m/s工況為例，對(duì)該層番茄進(jìn)行溫度隨時(shí)間變化的測(cè)試，如圖8所示.

圖7 測(cè)試點(diǎn)排列序列號(hào)

圖8 二層22～28點(diǎn)番茄溫度隨時(shí)間的變化曲線

表1列出了所測(cè)番茄溫度點(diǎn)理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較，可以看出誤差率最大不超過10%.

表1 二層番茄溫度測(cè)點(diǎn)在240 min時(shí)的理論值與實(shí)驗(yàn)值比較

通過理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，可以得到以下結(jié)論:

1)在送風(fēng)速度和孔徑大小不變的情況下，較低的送風(fēng)溫度對(duì)冷卻速度的影響很大，用傅立葉定律解釋，就是因?yàn)榉褟较驕囟忍荻鹊脑龃?，從而?dǎo)致流過番茄表面的熱流密度變大，冷卻就比較快.

2)在送風(fēng)速度和送風(fēng)溫度不變的情況下，增大孔徑有利于加快冷卻速度，其主要原因是因?yàn)轱L(fēng)量的增加，提高了箱體內(nèi)各點(diǎn)的平均風(fēng)速，換熱系數(shù)提高，有利于冷空氣與番茄單體的換熱.

3)送風(fēng)口風(fēng)速大有利于提高冷卻速度.在送風(fēng)溫度和孔徑大小不變的情況下，加大風(fēng)速，與加大孔徑有同樣加大風(fēng)量的效果，但是前提要充分考慮防止干耗過大的問題.

5 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)番茄壓差預(yù)冷過程進(jìn)行理論分析與實(shí)驗(yàn)，得到了壓差預(yù)冷工藝中冷空氣流動(dòng)的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證.研究結(jié)果有助于對(duì)壓差預(yù)冷技術(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)，并可以作為實(shí)際壓差預(yù)冷冷庫(kù)設(shè)計(jì)的參考數(shù)據(jù)，并減少實(shí)際設(shè)計(jì)的盲目性.

[1] 高麗樸，胡 鴻，鄭淑芳，等.蔬菜采收、分級(jí)、包裝、差壓預(yù)冷技術(shù)規(guī)程(六)——結(jié)球生菜[J].蔬菜，2002(12):24 －25.

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