李金偉 尹義金
摘要: 為研究捕水器最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)并使系統(tǒng)不過于復(fù)雜及成本太高,本文給出了真空預(yù)冷的原理,建立了真空預(yù)冷裝置捕水器數(shù)學(xué)模型,采用Fluent和Gambit軟件,選用kε湍流模型及連續(xù)性方程來封閉NS方程組,通過編寫用戶自定義函數(shù)名稱凝固與融化(solidification and melting,SAM),對不同直徑、不同長度和不同壁面溫度組合而成的18種壁面凝結(jié)式捕水器進(jìn)行理論模擬與分析。分析結(jié)果表明,當(dāng)管徑為200 mm,管長為700 mm,壁面溫度為-30 ℃時,該捕水器的捕水率可達(dá)724%,說明當(dāng)捕水器總材料一定時,選用第18組的結(jié)構(gòu)尺寸,其捕水率最高。該研究為實際捕水器的優(yōu)化改進(jìn)提供了理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞: 真空預(yù)冷; 捕水器; Fluent; 優(yōu)化
中圖分類號: TB661; TB657文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
目前,我國已成為果蔬生產(chǎn)及消費(fèi)大國,由2015年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知,全國水果的總種植面積達(dá)到1 53671萬公頃。由于果蔬的保存期不長,據(jù)不完全統(tǒng)計,我國果蔬采摘后損失率達(dá)20%~30%,在損失的果蔬中,絕大多數(shù)是由于腐敗潰爛所導(dǎo)致。低溫可以抑制果蔬呼吸作用以及有害微生物的滋生,但直接將果蔬置于冷庫,降溫效果并不理想,所以預(yù)冷是保持果蔬品質(zhì)重要措施之一。1904年,Powel和他的助手向美國農(nóng)業(yè)部提出了預(yù)冷的概念,在眾多預(yù)冷方式中,真空預(yù)冷因具有冷卻時間短,冷卻均勻,清潔,能耗低等優(yōu)點(diǎn)脫穎而出。20世紀(jì)40年代,西方國家開始了真空預(yù)冷的研究,美國在20世紀(jì)四、五十年代對凍結(jié)食品溫度變化與品質(zhì)關(guān)系進(jìn)行研究,總結(jié)出了大多數(shù)果蔬的凍結(jié)溫度和貯藏溫度帶;1965年,日本將真空預(yù)冷歸納于冷藏鏈中,并進(jìn)入迅速發(fā)展時期;20世紀(jì)80年代,我國開始對真空預(yù)冷技術(shù)進(jìn)行研究[17],其多數(shù)是對真空預(yù)冷中真空室的傳熱傳質(zhì)理論研究。在建立的眾多模型中,對傳熱過程描述較準(zhǔn)確,對傳質(zhì)過程描述的誤差較大,而對于捕水器數(shù)學(xué)模型的建立方面幾乎未涉及。捕水器既要保證捕水效率足夠高,保證真空泵的正常運(yùn)轉(zhuǎn),還要有足夠的強(qiáng)度滿足真空的要求?;诖?,本文主要對真空預(yù)冷設(shè)備中的捕水器進(jìn)行理論模擬和結(jié)構(gòu)優(yōu)化,并通過模擬優(yōu)化選擇捕水器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。該研究對保持果蔬品質(zhì)具有重要意義。
1真空預(yù)冷的原理
水在一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸點(diǎn)是100 ℃,蒸發(fā)熱是2 25669 kJ/kg,水在壓力為613 Pa時的沸點(diǎn)是0 ℃,蒸發(fā)熱為2 49952 kJ/kg。研究發(fā)現(xiàn),隨著壓力的降低,水的沸點(diǎn)降低,而水的蒸發(fā)熱卻上升。真空預(yù)冷系統(tǒng)主要由真空室、捕水器、制冷機(jī)組及真空泵組成,真空預(yù)冷實驗裝置如圖1所示。
其過程是使果蔬中的水分在真空條件下蒸發(fā),在沒有外界熱源時,水分蒸發(fā)吸收熱量,從而使真空室內(nèi)溫度降低,產(chǎn)生制冷效果。隨著環(huán)境壓力的降低,相應(yīng)的水的飽和蒸發(fā)壓力也降低,水從果蔬中蒸發(fā)出來,同時使果蔬溫度降低,水蒸氣通過捕水器成為干燥空氣后經(jīng)真空泵抽出,由此維持真空室真空狀態(tài)[8]。
2真空預(yù)冷裝置捕水器的數(shù)學(xué)模型
2.1建模過程及簡化假設(shè)
真空預(yù)冷裝置捕水器的原理是通過制冷機(jī)的冷卻作用,把果蔬蒸發(fā)出來的水蒸氣冷凝成水或結(jié)霜而排除。因為水蒸氣會溶于真空泵的潤滑油,使?jié)櫥褪Ъ觿≌婵毡媚p,降低真空泵性能。為防止水蒸氣進(jìn)入真空泵,必須用捕水器捕集水蒸氣,真空泵只用來排除非冷凝性氣體,若直接由真空泵排出水蒸氣,則要求真空泵具有巨大的排氣量,因此捕水器的性能決定了整個預(yù)冷設(shè)備性能的高低。捕水器要求通導(dǎo)系數(shù)高,可保證氣體快速安全的流通捕水器,同時要求氣體與壁面碰撞效果好,這將加強(qiáng)捕水器的捕水效率。本文利用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值實驗,對捕水器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,從而減少后續(xù)實際實驗工作的投入[814]。捕水器模型如圖2所示。
將殼體部分長度定義為L,入口及出口與殼體一段的最小長度L=100 mm;將殼體直徑定義為D,入口及出口直徑D=50 mm;捕水器壁面溫度用te表示,入口溫度293 K。實際情況中,真空泵抽吸氣體,故此處模擬將上部定義為蒸汽入口,在殼體內(nèi)完成凝結(jié)過程,氣體從下部出口排出。
具體設(shè)置為:將壓力設(shè)置為600 Pa,由于是流體強(qiáng)制對流,考慮到重力的影響,該流體在捕水器內(nèi)不隨時間的變化而變化,因此選用穩(wěn)態(tài)過程進(jìn)行求解。在流動過程中,水蒸氣與空氣兩相流動,所以開啟多相流模式,選擇混合流。由于蒸汽流沖刷壁面,產(chǎn)生了對流換熱需開啟能量方程并且使用k-ε模型[1521]。入口處速度設(shè)置為常用的1 m/s。其壁面由于制冷劑的不斷冷卻,設(shè)置為常壁溫,溫度為253K,這里使用液體水蒸發(fā)及凝結(jié)所選用的UDF。建立連續(xù)性方程、動量守恒方程、能量守恒方程如下:
不可壓流體連續(xù)性方程為
uxx+uyy+uzz=0
能量守恒方程為
Tt+div(UT)=div(λρcpgradT)+STρ
動量守恒方程為
duxdt=fx-1ρpx+ν2uxx2+2uxy2+2uxz2duydt=fy-1ρpy+ν2uyx2+2uyy2+2uyz2duzdt=fz-1ρpz+ν2uzx2+2uzy2+2uzz2
式中,ux為沿x方向流速,m/s;uy為沿y方向流速,m/s;uz為沿z方向流速,m/s;ν為運(yùn)動粘性,m2/s;ρ為流體密度,kg/m3;p為流體壓力,Pa;T為流體溫度,K;cp為流體定壓比熱容,J/kg·K;λ為導(dǎo)熱系數(shù),W/m·K;ST為內(nèi)熱源,W/m3
2.2模擬結(jié)果及分析
每組達(dá)到穩(wěn)態(tài)后,通過Fluent的后期處理功能可以得到系統(tǒng)速度場、溫度場及液態(tài)水出入口質(zhì)量流量。捕水器速度場分布圖如圖3所示,由圖3可以看出,捕水器上部氣流速度大,下部速度小,表明水蒸汽在捕水器中凝結(jié)后,液體在下部流動,氣體在上方流動。由于出口外接抽真空系統(tǒng)的原因,在進(jìn)、出口處流動面積減小,速度急劇增大。捕水器溫度場分布圖如圖4所示,由圖4可以看出,流體進(jìn)入捕水器后直接沖擊壁面,產(chǎn)生劇烈擾動,迅速降溫;而后由于溫差變小,隨下壁面流動,冷卻速度開始減緩,直至出口處。
由圖3和圖4還可以看出流體在捕水器中的流動規(guī)律,對液態(tài)水分含量進(jìn)行流量確定,可以得到每組捕水器的液態(tài)水出口質(zhì)量流量。根據(jù)水蒸汽進(jìn)口質(zhì)量流率和捕水量,計算捕水器的捕水率。針對捕水器不同結(jié)構(gòu)、尺寸和兩種壁溫,通過上述模擬,獲得不同結(jié)構(gòu)尺寸的捕水器的捕水率如表1所示。
由表1可以看出,當(dāng)管徑為200 mm,管長為700 mm,壁面溫度為-30 ℃時,該捕水器的捕水率可達(dá)724%,說明當(dāng)捕水器總材料一定時,選用第18組的結(jié)構(gòu)尺寸,其捕水率最高。捕水器內(nèi)的管路捕水面積對捕水量影響最大,管路面積又會影響捕水器尺寸、真空室處理能力、捕水器材料用量及價格。捕水器形狀對捕水效率的影響并不大,入口溫度與壁溫之差在適當(dāng)范圍內(nèi)越大越好。
3結(jié)束語
本文主要對真空預(yù)冷設(shè)備中的捕水器進(jìn)行理論模擬和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。模擬結(jié)果可知,在設(shè)計捕水器時,捕水面積是重點(diǎn)考慮的因素。在一定范圍內(nèi),捕水器壁面與進(jìn)入捕水器的蒸汽溫度差越大越好。在理論計算中,此溫度差會影響凝結(jié)換熱系數(shù),但通過模擬發(fā)現(xiàn)其對捕水量影響不大。本文通過模擬,優(yōu)化選擇現(xiàn)有捕水器模型,該捕水器為壁面凝結(jié)式捕水器,首先可以將冷凝管穿越捕水器內(nèi)部,增添折流板,讓蒸汽在冷凝管上凝結(jié),可大大增加捕水面積,其次該捕水器是將蒸汽凝結(jié)為水,也可加大溫差使之凝結(jié)為霜,且可嘗試新型材料,使其更親水,增大捕水量。制冷系統(tǒng)設(shè)定不同的蒸發(fā)溫度,機(jī)組的能耗就會有差別,從而直接影響理論計算中的參數(shù),所得捕水量差別較大。本文僅嘗試了管長,管徑,壁溫的梯度改變,還可對出入口距一端的距離、壁面材料、網(wǎng)格劃分和含水量等參數(shù)進(jìn)行梯度劃分,通過數(shù)值實驗,優(yōu)化捕水器,從而實現(xiàn)整個真空預(yù)冷系統(tǒng)性能最優(yōu)。
參考文獻(xiàn):
[1]楊昌智, 羅志文, 蔣新波. 夏季潮濕地區(qū)不同THIC空調(diào)系統(tǒng)綜合COP對比分析[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2016, 43(5): 144150.
[2]胡仁喜, 康士廷. FLUENT16. 0流場分析從入門到精通[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2012.
[3]董岱, 李小寧. 基于Fluent高壓氣動驅(qū)動系統(tǒng)的仿真研究[C]∥全國流體傳動與控制學(xué)術(shù)會議, 太原: 中國機(jī)械工程學(xué)會, 2014: 7679.
[4]陳艷捷, 劉斌, 王慶, 等. 果蔬熱物性的研究與比較[J]. 保鮮與加工, 2006, 6(3): 2628.
[5]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): 230234.
[6]鄒同華. 果蔬真空預(yù)冷過程及捕水器特性的研究[D]. 天津: 天津大學(xué), 2004.
[7]嚴(yán)雷, 劉斌, 鄒同華. 真空預(yù)冷中捕水器與真空泵的優(yōu)化匹配研究[J]. 制冷學(xué)報, 2006, 27(1): 4952.
[8]張朋, 吳志林. 基于FLUENT的液氮相變傳熱的數(shù)值模擬[J]. 低溫與超導(dǎo), 2014, 42(8): 2629.
[9]羅小平. ZLG3型真空冷凍干燥機(jī)的總體設(shè)計探析[J]. 現(xiàn)代制造, 2016(2): 2634.
[10]廖彩虎, 單斌, 鐘瑞敏, 等. 不同真空預(yù)冷終溫對新鮮牛肉品質(zhì)的影響[J]. 食品工業(yè)科技, 2013, 34(24): 334338.
[11]王雪芹, 劉寶林. 蔬菜真空預(yù)冷中降低失水率的方法研究[J]. 制冷學(xué)報, 2013, 34(2): 8184.
[12]陳穎, 劉寶林, 宋曉燕. 荷蘭豆真空預(yù)冷及其對貯藏品質(zhì)的影響[J]. 食品科學(xué), 2013, 34(6): 276279.
[13]施冰心, 劉寶林, 王小波. 不同真空預(yù)冷終溫對豆腐品質(zhì)的影響[J]. 食品科學(xué), 2013, 34(4): 226229.
[14]雷宏健. 水蒸氣噴射泵內(nèi)部濕蒸汽兩相流動的數(shù)值模擬[D]. 沈陽: 東北大學(xué), 2011.
[15]張哲平. 果蔬真空預(yù)冷降溫效果及貯藏特性研究[D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2009.
[16]劉金策. 基于FLUNET的真空系統(tǒng)元件氣體流動模擬計算方法的研究[D]. 沈陽: 東北大學(xué), 2010.
[17]劉芬. 青花菜真空預(yù)冷工藝及保鮮效果的研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2010
[18]馬騫. 果蔬真空預(yù)冷技術(shù)的研究概況[J]. 河北農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009, 13(3): 1516.
[19]Cheng W L, Peng Y H, Chen H, et al. Experimental Investigation on the Heat Transfer Characteristics of Vacuum Spray Flash Evaporation Cooling[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer, 2016, 102: 233240.
[20]石柯. 球閥開啟過程的瞬態(tài)數(shù)值模擬與實驗研究[D]. 杭州: 浙江理工大學(xué), 2013.