差壓預冷外部遮擋開孔方式數值研究及實驗驗證

蔡景輝劉 斌王艷紅牛建會

(1天津市制冷技術重點實驗室 天津商業大學 300134；2浙江盾安機電科技有限公司 311835；3河北建筑工程學院 075024)

差壓預冷屬強制通風預冷的一種方式。它是利用包裝箱一側的軸流風機的抽吸作用在包裝箱兩側產生壓力差，通過在包裝箱兩側開孔，一定的碼垛方式迫使冷風從箱中穿過，在包裝箱內部，使產品與被吸人包裝箱內的冷空氣充分接觸，進行強烈的熱交換，從而達到冷卻產品的目的。對其的研究主要集中在送風工藝 和包裝箱上，如對送風速度、送風溫度、送風量、壓差、包裝箱的開孔面積[1-9]和開孔形狀、箱內果疏堆碼[10]等工藝。在不改變包裝箱開孔間距以及開孔規則排列下，包裝箱內果蔬的中心溫度沿氣流方向差別較大，呈現出先增后減的趨勢，即位于包裝箱中間稍偏出口位置果蔬的中心溫度最高，出口處其次，入口處最低，垂直氣流的兩個方向各處的中心溫度差別不是很大。這種預冷不均勻性會導致箱內局部果蔬凍傷，而局部果蔬溫度還沒有降到預冷要求的溫度。本文就是針對上述問題在包裝箱遮蓋的開孔方式改變上進行的數值模擬研究，用利用計算流體動力學軟件(FLUENT)對包裝箱進行外部遮擋五種不同開孔方式預冷內部流場進行的數值模擬，以期探索比較好的解決方法。

1 物理模型的建立

設計的外部五種開孔方式及實際實驗中選用6個尺寸相同的塑料周轉箱，排成方式和編號如圖1中子圖F所示，各開孔方式的開孔率如表1。

圖1 外部遮擋塑的五種開口方式及周轉箱的排放，尺寸Fig.1 Five vent-hole types of plastic cover and relative positions of six turnover containers and the sizes of them

表1 開孔率Tab.1 Porosity of covers

2 數值模型

2.1 模型簡化

為了簡化分析與計算，本文對理論模型進行如下假設:1)所有蔬菜均為球形且是均相和各向同性的，蔬菜熱物理性質如比熱、導熱系數和熱擴散率等不隨溫度的變化而變化。2)濕空氣的熱物理性質與溫度無關(因為在預冷過程中其溫度變化很小)；3)忽略預冷過程中周轉箱壁面與蔬菜之間、蔬菜與蔬菜之間的輻射傳熱及接觸導熱；4)對于蔬菜在周轉箱內的不同堆碼，認為各處的體積孔隙率一致。以土豆的預冷為模擬對象,其物理參數[12]為，密度:1227kg/m3、熱擴散率:754m2/s、導熱率:0.231W/m.K。

2.2 網格劃分

在上述的假設基礎上，實際模擬中由于各個球形蔬菜相互相切造成計算空間不連通，無法劃出計算網格，因此在此基礎上將各個規則球形蔬菜的連接處視為方形，正方體邊長設為球體直徑70mm。假定實驗中所使用的6個周轉箱整體為一個周轉箱，其尺寸按照6個周轉箱總尺寸進行模擬，模型長×寬×高為1000mm×560mm×500mm，即X×Y×Z，忽略相鄰周轉箱間的箱壁，在此假設前提下，相應地忽略相鄰周轉箱箱壁對冷空氣流的阻擋。

圖2 CFD 模擬的網格劃分Fig.2 The simulation domain and grid generation

周轉箱出風口一側即Y×Z=560mm×500mm面上的開孔，在模型中采用與周轉箱上實際具有的開孔形狀相似、尺寸相近的長方形條狀孔代替，即長×寬為50×20mm的長方形孔，孔間距在Y軸上為5mm，靠近周轉箱兩壁面的兩側的間距分別為 7mm和8mm；在Z軸上為10mm，靠近周轉箱兩壁面的兩側間距均為15mm，共在500mm 5600mm的出風口側面上設置160個長方形孔，開孔率為57.14%，與實際開孔率接近。

選用GAMBIT2.0軟件來生成三維立體計算區域和劃分網格，如圖1所示。圖中是外部兩側遮擋塑料布均開有32個直徑為80mm均勻布置孔的周轉箱為例劃分的網格，網格數量為1730916個。

2.3 控制方程

預冷過程中在周轉箱的有限空間內存有兩種物質—冷空氣和預冷產品，考慮到周轉箱內的實際情況，周轉箱內冷空氣的氣流組織比較復雜，但是又不能使湍流模型太過復雜。模擬中選用了目前使用最廣泛的標準k-ε兩方程模型。

連續性方程:

動量方程:

能量方程:

k方程:

ε方程:

式中:k為湍流動能；ε為流動能耗散率；λ1為層流導熱系數，W/m.K；λt為湍流導熱系數，W/m.K；υeff為有效運動粘性系數，m2/s；υ為運動粘性系數，m2/s；υt為湍流運動粘性系數，m2/s；xixj為笛卡爾坐標，i、j =1，2，3分別代表x、y、z 3個坐標方向；ui，uj為xi，xj坐標方向的時間平均速度分量，m/s。k-ε兩方程模型中各湍流常數的標準值見文獻[11]。

2.4 邊界條件

周轉箱的外壁設為溫度為274K的恒溫壁面；外部160個長方形出風口為Pressure-outlet類型，壓力值為-200Pa；周轉箱內的土豆外表面設為溫度291K的恒溫壁面，外部兩側的進風口設成Velocity-inlet類型，進入的冷空氣溫度值設為274K，每種開孔方式降溫過程的外部遮擋開孔風速見文獻[12]附錄1。

3 模擬結果及驗證

3.1 溫度場的模擬

對五種不同的開口方式的預冷進行了同條件的模擬，溫度模擬結果如圖3所示。沿X方向的不同的三個位置的Y-Z截面，對應于實際中的靠近差壓風機，周轉箱堆碼的中部，距差壓風機800mm處。

對比圖3中不同開孔方式的截面可以看出，同一截面中及不同截面間的溫差比較小的是32個非均勻孔的和28個孔的，二者的降溫速率相對也會比較快。從二者的X=0、X=500截面的溫度分布可以看出，達到要求溫度的范圍是32個非均勻孔的大于28個孔的，但是對于下部是28個孔的大一些，溫差小一些，降溫也會快一些。對于X=800的溫度場是28個孔的均勻性較好于32個非均勻孔的；同一個截面內溫差最大是32個均勻孔的；對不同X位置的截面間來說，溫差最大的是50個孔的，其遠離差壓風機處溫度最高，降溫速率也相應的會最低。綜合來看32個非均勻孔的預冷均勻性最好。

3.2 實驗驗證及原因分析

3.2.1 實驗驗證

研究表明，位于這個堆碼的中部位置和遠離差壓風機的果蔬冷卻降溫情況較具代表性，建立了實驗臺對此位置的馬鈴薯中心溫度進行了試驗測試。實驗在天津市重點實驗室壓預冷實驗室內進行，利用現有冷庫制冷裝置和差壓預冷設備。冷庫內部尺寸長×寬×高為4.5m×2.5m×2.4m。實驗中選用的塑料周轉箱及堆碼排列方式如圖1所示。實驗測試設備分別為:銅-康銅熱電偶測量溫度，美國Agilent儀器有限公司生產的數字式六十通道自動巡回檢測儀實現10秒鐘掃描采集一次誤差范圍為±0.2℃，其型號為Agilent 34970A；用奧地利E+E Elektronik Ges.m.b.H 公司生產的型號為HUMOR10的24通道風速溫濕度測試儀測量內部的風速和濕度，共布置了11個風速測量探頭和2個濕度測量探頭，每隔10秒中采集一次；外部采用德國Testo公司生產的熱線風速儀測量，精度為±0.01℃，其型號為435熱敏風速儀；美國TSI生產的差壓計測量壓差，其型號為DP-CALC8605。

采用7/8冷卻時間作為衡量預冷效果的標準。7/8 冷卻時間是指果蔬溫度與冷風溫度的差值為果蔬初始溫度與冷風溫度差值的1/8 時所對應的冷卻時間。結果如圖4示，3#箱和4#箱對應于中間位置的上半部分和下半部分，6#箱和5#箱對應于遠離差壓風機位置的上半部分和下半部分。

圖4 實驗的五種不同開孔方式下降溫過程馬鈴薯中心溫度對比圖Fig.4 Contrast drawing of potato center temperature under process of fi ve vent-hole types cooling

從圖4的4幅子圖中都反映32個均勻孔降溫速率最慢。A、B中可以看出，中部位于上半部分的3#箱是32個非均勻孔降溫速率最快，28個孔的次之；下半部分的4#箱是28個孔的降溫速率最快，32個非均勻孔的次之。這與圖3中32個非均勻孔和28個孔X=500mm處的截面的模擬結果對應比較好。

C中反應的是32個非均勻孔的降溫速率最快，28個孔的不是最快的，這與圖3中二者X=800mm的截面模擬結果對應稍差些。D中，28個孔的降溫速率最快，32個非均勻孔的稍次之，在此位置上二者的降溫速率遠大于另外的三種的，與圖3中反映的也比較一致。對于50個孔的，中部的3#和4#箱與遠離差風機的6#和5#箱相比，前者的7/8降溫時間遠小于后者，與圖3中50個孔的三個截面模擬結果比較對應。

由于實驗和模擬的工況比較多，只取了理論結果和實驗結果溫差最大的進行了分析，即圖5中外部遮擋開孔為32個均勻孔的6 #箱4#馬鈴薯中心溫度理論結果與實驗結果對比，可以看出兩者之間的溫度差最大不超過1.5℃。考慮到理論計算是在多個假設條件下進行的等因素，理論模擬結果與試驗測試結果較接近，特別是到預冷的后期的后期。

圖5 32個均勻孔6#箱4#馬鈴薯中心溫度理論結果和實驗結果對比Fig.5 Contrast drawing on theoretical result and experimental result of 4# potato center temperature in 6 #box under process of 32 vent-hole types cooling

3.2.2 原因分析

模擬結果及實驗結果這種現象的原因從圖1中的物種開孔方式可以得出，第二種和第三種開孔方式的前三列相對而言孔徑小開孔率低，有利于風從遠離差壓側抽吸進去，所以遠離差壓處的果蔬預冷效果是此兩種方式好于其他三種方式。第三種方式的最下面一行是大孔徑的，有利于風從底部吸進去，所以出現了第三種方式的下部溫差小于第二種開孔方式的。

第五種開孔方式和第二種的形式類似的，都是前三列的孔徑小為30mm，但是遠離差壓風機的果蔬預冷效果卻比較差，原因是第五種方式前三列孔的數量為15個大于第二種的12個，且相鄰孔心距是100mm也大于第二種的120mm，二者致使第五種方式的開孔率大于第二種的，由此得出靠近壓差風機處的開孔率的絕對值要小。

外部遮擋的開孔方式應該是靠近壓差風機處的開孔率低，遠離差壓風機處開孔率要高，最底部的孔徑應稍大于上部的。

4 結論

1)對比分析了外部遮擋五種不同開孔方式的差壓預冷模擬結果，并用實驗測試的降溫結果對其進行了驗證，二者基本吻合。

2)五種開孔方式中32個非均勻孔的預冷速率和均勻性最好，28個孔的次之；平行于差壓箱的平面內，即同一個Y-Z截面的32個均勻孔的溫差最大，降溫速率最慢；整體上溫差最大的是50個孔的。

3)對于果蔬差壓預冷，建議外部遮擋的開孔方式應該是靠近壓差風機處的開孔率低，遠離差壓風機處開孔率相對要高，最底部的孔徑應稍大于上部的。

(本文受天津市教委項目資助(2006ZY08)及天津市科委項目資助(09ZCKFNC00600). The project was suppored by Tianjin Education Commission (2006ZY08) and Tianjin Science and Technology Commission (09ZCKFNC00600).)

[1] Ravi Kumar, Anil Kumar, U. Narayana Murthy. Heat transfer during forced air precooling of perishable food products[J]. BIOSYSTEMS ENGINEERING, 2008,99(2008): 228-233.

[2] Talbot M T, Oliver C C, Gafney J L. Pressure and Velocity Distribution for Air Flow Through Fruits Packed in Shiping Containers Using Porous Media Flow Analysis[J]. ASHARE Transactions, 1990, 91(1): 406-417.

[3] 劉斌, 郭亞麗, 鄒同華. 強制通風預冷風速選擇研究[J]. 食品科學, 2004, 25(7): 181-183. (Liu Bin, Guo Ya li, Zou Tong hua. Study on Selection of Supplying Air Velocity of the Forced-air Pre-Cooling[J]. Food Science,2004, 25(7): 181-183.)

[4] Gakwaya A，Sadfa S O. Study of parameters affectingcooling rate and temperature distribution in forced-air precooling of strawberry [J].Transactions of the ASAE，1996, 39(6): 1950-1955.

[5] 苗玉濤, 鄒同華, 黃健.壓差預冷技術的研究現狀和與發展趨勢 [J]. 制冷與空調, 2005, 26(6): 14-18.(Miao Yutao, Zou Tonghua, Huang Jian. Present Situation and Developing Tendency of Pressure Difference.Refrigeration and Air-conditioning[J].Refrigeration and Air-conditioning, 2005, 26(6): 14-18.)

[6] 楊洲, 趙春娥, 汪劉一, 等.龍眼果實差壓預冷過程中的阻力特性[J]. 農業機械學報, 2007, 38(1): 104-107.(Yang Zhou, Zhao Chune, Wang Liuyi, et al. Pressure Drop Characteristics in Forced-air Pre-cooling of Longan Fruits[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2007, 38(1): 104-107.)

[7] 劉斌, 申江, 鄒同華, 等.果蔬預冷風速與風機能耗和預冷效果的實驗研究及分析[J]. 制冷學報, 2005,26(4): 212-215. (Liu Bin, Sheng Jiang, Zou Tong hua.Theoretical and Experimental Analyses of Inf l uence s of Pre-cooling Air Velocitieson Energy Consumption of Air Fan and Pre-cooling Effects[J]. Journal of Refrigeration，2005, 26(4): 212-215.)

[8] Tadhg Brosnan, Da-Wen Sun. Precooling techniques and applications for horticultural products-a review[J].International Journal of Refrigeration, 2001, 24(2001):154-170.

[9] 寧靜紅, 彭苗, 申江, 等.葡萄差壓預冷保鮮技術的實驗研究[J].制冷, 2005, 24(3): 19-23. (Ning Jinghong，Peng Miao, Shen Jiang, et al. Experimental Study on Pressure - difference Precooling of Keeping Grape Fresh Technique[J]. Refrigeration, 2005, 24(3): 19-23.)

[10] 王強, 陳煥新, 董德發, 等.黃金梨差壓通風預冷數值分析與實驗驗證[J]. 農業工程學報, 2008, 24(8): 262-266.(Wang Qiang, Chen Huanxin1, Dong Defa, et al. Numeral analysis and experimental verification of pressure precooling[J]. Transactions of the CSAE, 2008, 24(8):262-266.)

[11] 陶文銓.數值傳熱學[M]. 第二版.西安: 西安交通大學出版社, 2001, 349.

[12] 牛建會. 外部遮擋不同開孔方式對果蔬預冷效果影響研究[D]. 天津: 天津商學院, 2008年5月.