速凍設備內部流場優化

王廣夫，趙 楠，李 琛

（1.海裝沈陽局駐大連地區第一軍事代表室，遼寧大連 116001；2.海裝上海局駐上海地區第八軍事代表室，上海 200011）

0 引言

隨著生活水平的提高，人們對于食品品質的要求也越來越高。速凍是一種迅速冷卻食品并能較長時間保證食品品質的方法[1,2]。據統計，我國每年速凍產品的產量至少有1 500萬噸，每年的增長率在10%～30%之間[3]。與之相應的是我國速凍設備的生產也處于快速發展時期，雖然我國已經能夠生產各類的速凍設備，但是目前國產設備仍然存在著能量消耗大、生產效率低等問題[4,5]。

速凍設備的種類繁多，常見的有板帶式、螺旋式、上下沖擊式、流態化和液氮式速凍機[6,7]。速凍設備的性能與食品凍結品質直接相關。本文從速凍設備入口結構和通道結構2個方面，綜述了孔板結構、射流沖擊、通道形狀和導流技術對其內部流場的平均速度、均勻性和傳熱效果等的影響。

1 入口結構對內部流場的影響

射流沖擊是一種常用的加熱、冷卻或干燥固體表面的方法[8,9]。射流沖擊中的傳熱效率比典型的對流傳熱方法高。該技術引導高速空氣射流破壞食物表面的邊界層，強化傳熱，大大減少凍結時間[10,11]，是最有效、最靈活的局部冷卻技術之一。射流的流動模式可以化分為3個部分：自由射流區、碰撞或停滯區和貼壁射流區。其中，自由射流區又可以分為3個區域：潛在核心區、發展流動區和發展完全流動區[12,13]。潛在核心區是指沒有漩渦的流動區域。潛在核心長度被定義為從噴嘴出口到中心線速度點的長度。潛在核心區的存在會導致在停滯區形成較小程度的渦，在貼壁射流區中轉變為湍流，這將導致產品表面上的傳熱系數出現多個峰值，平均傳熱系數較低。橫流被定義為在與沖擊射流垂直方向上的流體流動，可以通過外部射流或者用過的射流積累形成。橫流效應會對撞擊表面的傳熱產生不良的影響，為了實現有效的傳熱，橫流效應必須最小化[14-16]。

在速凍設備中，冷空氣通常由孔或者噴嘴進入設備內部，這兩種結構會造成內部流場的不同。Ansu 等人[17]研究了單一噴嘴、單孔、單排孔和單排噴嘴對流體流動和傳熱特性的影響。研究發現，單噴嘴結構下的潛在核心長度更長，單孔結構下的湍流度更大。對于單噴嘴結構，當噴嘴長度L和噴嘴直徑D的比值從0增加到4時，停滯努塞爾數增大，當L/D＞4時，停滯努塞爾數減小。對于單孔結構，停滯努塞爾數單調遞減。因為中心線速度和湍流強度的影響，單孔結構在L/D的比值較低時，有較高的停滯值。對于單孔和單排孔，當L/D≤2或者L/D≥6時，傳熱效果較好。對于單噴嘴和單排噴嘴，當L/D＝4時，平板表面具有最大的傳熱量。由此可見，孔和噴嘴結構在一定的條件下，都可以使得設備內部有較好的傳熱效果，可以根據L/D的比值來具體選擇適當的結構。在實際運用中，一般不選擇單孔或者單噴嘴結構，而是采用一個陣列的孔或者噴嘴。

1.1 孔板結構對內部流場的影響

針對孔板結構，孔的數量、排列和形狀影響著通過孔板的氣流的質量和速度[18]。張珍等[19]試驗了上下沖擊式凍結裝置中不同的孔板開孔率，發現出口開孔率越大（2%～15%），風速越低，靜壓箱內壓力分布越均勻，從而降低了隔板和孔板之間形成的區域的應力，能夠更好的保護設備結構。通過對比實驗得出：要使凍結食品的中心溫度達到?18℃甚至更低，孔板的開孔率應保持在5%[19]。劉貴慶等[20]試驗了液氮噴淋流態化速凍裝置中布風板的開孔率，發現在進口速度不變的情況下，開孔率減少，風機功率增大；布風板的開孔率應保持在38.5%。除了孔的數量外，孔的排列也會影響設備內部的傳熱特性。Phuekpan等[21]將板帶式速凍機孔板上孔的菱形排列改變為五字形排列，分析了板孔出口的平均流速，發現平均速度能提高60%。Waehayee等[22]研究了交錯排列和線性排列的孔的傳熱特性，發現橫流容易通過線性排列的噴嘴的間距，而交錯排列的噴嘴阻斷了橫流的通過。適當的橫流速度可以提高射流沖擊傳熱的峰值，是因為交叉流動相互碰撞，增加了射流沖擊的湍流強度[22,23]。然而，在橫流流速較高的情況下，由于在沖擊之前射流的動量低，峰值熱傳遞減小。交錯排列噴嘴的射流作用強于線性排列的噴嘴，線性布置的平均努塞爾數大約比交錯布置的大13%～20%。Nuntadusit等[24]研究了孔的幾何形狀和射流布置對內部傳熱的影響，對比了孔的長寬比（AR）為1、4和8這3種情況的傳熱特性。發現線性布置的射流陣列的努塞爾數比交錯布置的高。當AR＝4時，特別在線性布置的射流陣列中，下游噴口被橫流遮蔽。當AR＝8時，每個噴口在其圓周與沿軸向方向的橫流之間接觸較多，導致與AR＝4相比橫流動效應增加，但是比在AR＝1時小。在線性布置中，AR＝4、AR＝8時的平均努塞爾數分別比AR＝1的情況高6.04%和5.54%。由此可見，孔的形狀也會對內部氣流組織產生一定的影響。Dano等[25]對比了圓形孔和尖橢圓孔的射流流量系數，發現尖橢圓射流的流量系數增加了13%～20%。在尖橢圓噴射的情況下，射流向下游移動時，橫流的相互作用導致射流在沖擊點處的聚集。傳熱速率在停滯點處是最大值，但是峰值的大小沿著橫流方向衰減。由于射流在沖擊點附近的聚集，傳熱速率衰減程度減小。在溫度相同的情況下，尖橢圓孔與圓形孔相比有更高的努塞爾數。因此，適當的孔數量、排列和形狀，才能有利于設備內部的傳熱。

1.2 噴嘴結構對內部流場的影響

針對噴嘴結構，陣列噴嘴與單個噴嘴主要有2點不同：1）相鄰的噴嘴會相互干擾；2）貼壁射流與相鄰的噴嘴有關。陣列射流的傳熱特性有顯著的變化。傳熱效率的變化取決于噴嘴的長度L與噴嘴直徑D的比值、噴嘴與平板的距離H與噴嘴直徑D的比值、表面粗糙度和潛在核心區與渦的存在[26,27]。Sarkar 等[12]研究發現，當L/D≥6時，出口處的流場分布會更加均勻，能耗更低。當6≤H/D≤8時，潛在核心區完全衰減，并且沒有產生更多的能量耗散。此外，射流的不同傾斜角度也是影響射流傳熱的因素之一。Ingole等[28]進行了范圍在15°～75°的傾斜射流沖擊實驗研究。研究發現，15°的傾斜射流會導致平均努塞爾數很低，同時大部分的流體將從平板表面脫離。45°和60°的傾斜射流的冷卻效果比其他角度的好。除了關注噴嘴本身外，噴射板尺寸也會對射流的傳熱特性也有一定的影響。San 等[29,30]研究發現，當噴射板上只有一個噴嘴時，停滯努塞爾數隨著噴射板寬與噴射直徑的比值（W/D）和噴射板長度與噴射直徑比（L/D）的增加而減小。結果表明，停滯努塞爾數受W/D的影響程度強于L/D。在潛在核心區域中，隨著板間距與射流直徑比（H/D）的增加，射流中心線的湍流強度增加，導致停滯努塞爾數增加。當噴射板上有五個噴嘴時，中心射流具有固定的雷諾數，停滯努塞爾數幾乎隨著四個相鄰射流的雷諾數而線性增加。實驗數據顯示停滯努塞爾數受噴嘴高度與噴嘴直徑比（H/D）和噴嘴間距與噴嘴直徑比（S/D）的影響弱。中心噴射的滯止努塞爾數隨著噴射板寬與噴射直徑比（W/D）的增加而顯著降低，受噴射板長度與噴嘴直徑比（L/D）的影響較弱。這些結果表明，在優化陣列噴嘴中的射流傳熱特性時，可以從噴嘴的尺寸、噴嘴的排列、射流的傾斜角度和噴射板的尺寸等方面來考慮。

對于傳統的陣列射流，因為橫流干擾了下流端的射流，使得湍流強度增大，因此停滯區域的傳熱傳質系數增大[31]。然而，因為熱邊界層在橫流中發展，流動形式類似于管流，所以中間區域的傳熱傳質系數下降，傳熱傳質系數在整個射流表面不均勻。這種不均勻性會對平板產生熱應力。為了減少橫流流動的不利影響，可以安裝噴孔，使用過的空氣通過噴孔排出。Rhee等[26]發現對于沒有噴孔的沖擊射流，當噴嘴距平板的距離H與噴嘴直徑D的比值H/D≤2.0時，由于回流空氣的存在和熱邊界層的發展，中間區域處的熱量傳遞系數降低。當H/D≥4.0時，由于流動的橫截面面積較大，橫流對于平板上的熱量和質量傳遞影響很小。對于具有噴孔的沖擊射流，平板上熱量傳遞呈周期性均勻變化，并且平均值隨著H與D的比值的減小而增加，這是因為回流空氣通過噴射板上的孔排出。因此，當H/D＜2.0時，熱量和質量傳遞明顯增加，并且當H/D＝0.5、H/D＝1.0時，增值分別高于沒有噴孔的增值的60%和20%。當H/D≥4.0時，有噴孔的熱量傳遞系數的局部分布和平均值和沒有噴孔的類似。由此可以看出，噴孔的優化設計主要是為了減小橫流的不利影響。

2 通道結構對內部流場的影響

2.1 通道形狀對內部流場的影響

速凍設備內部只有保持一定的平均速度，才能將食品在較短時間內凍結，并且保證凍結食品的品質，這就對速凍設備的通道結構提出了一定的要求。當入口速度保持不變時,不同的通道形狀會呈現出不同的氣流分布。Phuekpan 等[21]通過調整板帶式速凍機隧道頂部的坡度，引起壓力室高度改變，壓力室中的氣流更加均勻，平均速度提高了19%～60%。梁亞星等[32]結合液氮噴霧式流態化食品速凍機內冷風道的結構特征，對比了2種不同的風道形狀，研究發現用圓弧彎管改進之后的風道模型，能使氣流分布更加均勻。

不同的速凍設備，對通道形狀的要求是有差異的。最重要的是要保持通道中有一定的平均速度，進而使得凍結過程能順利進行，保證凍結食品的質量。

2.2 導流設備對內部流場的影響

為解決國產速凍設備能耗大，效率低的問題，主要需要改善內部流場的均勻性。導流設備是通過在通道內增設一塊板，改變或阻隔氣流的流動，達到使內部流場分布更加均勻的目的。段雪濤等[32]在板帶式速凍設備平板上方0.1 m處增設一個水平柵格，該設備進出風口均在平板上方，柵格加入后，減少了通道的截面積，增加了平板附近的速度。在制冷量相同的情況下，不需要額外的能耗，反而增加了速凍機的產量。梁亞星等[33]在液氮噴霧式流態化食品速凍機風道的彎道處安裝導流板，發現入口風速對流場的影響變小，流場分布更加均勻。

在螺旋速凍設備中，若進出口在同一側，則從入口進入的部分冷空氣在進入螺旋隧道之前就直接從出口排出，引起了氣流短路，導致在凍結區內的空氣流速較低。為了提高空氣流速，可以適當提高非凍結通道的流動阻力。Huan 等[34]通過在進出口附近的非凍結區域內增設堵塞板，隨著堵塞板寬度的增加，非凍結區域內的流動阻力增加，凍結區域內的空氣流速增加。同時，在非凍結區域內增設導流板，將非凍結區域的氣流引導至凍結區域，隨著導流板寬度的增加，平均風速增加。通過增設氣流堵塞板和導流板，在不增加初投資的情況下，使凍結區域內的平均風速提高了2.5倍～2.7倍，速凍時間減少了78%～85%，速凍機能源利用效率和產量增加了18%～28%左右。陳和平等人[35]在螺旋速凍設備中的同一地方增設氣流隔板和導流板，發現凍結區內平均速度增長了172.4%。陳和平等人用鮮豆腐作為實驗對象進行驗證，速凍時間減少了80%，速凍機能量利用率增長了25%。

在上下沖擊式速凍設備中，靜壓箱內流場分布普遍比較均勻，但是在靜壓箱的側壁面和隔板形成的通向向下均風板的通道中，由均風孔板和隔板形成的拐角處易出現大小不一的漩渦，均勻性變差[36]。張珍等[36]發現在上下均風孔板和隔板的四個連接處都加設導流板，可以使風速分布更加均勻,且有利于保護設備內部結構。還能加大隔板和網帶側邊形成的通道，使此處局部速度變小，壓力變小，改善氣流的均勻性。

除了速凍設備內部流場分布不均勻外，料口處的跑冷現象也是影響速凍機生產效率的主要原因之一。速凍設備大多為連續生產，進出料口直接與外界相通，由于設備內外溫度差導致了冷風外泄。冷風外泄使熱空氣進入設備內，加強了設備內外的熱質交換。熱空氣使得設備內冷負荷增大，能耗增大，生產效率減小[37]。在整個設備內部的氣流組織中，料口處和凍結區的流場是互相干擾的。毛力等[38]研究螺旋式速凍機內氣流組織時，發現當風機送風風速不變時,隨著設備內部溫度的降低，設備內外的溫差增大，出風料口跑冷的速度加快。通過增加遮流板的方式，可有效降低進出風料口處氣流的速度。陸蓓蕾等[39-40]發現在螺旋式速凍機中，若在出風料口的遮流板處于最佳位置，因跑冷而產生的能量損失比在進風料口處減少了17%，比不加遮流板時減少了27.5%。這說明對出風口加設遮流板比對進風口的更能減少跑冷現象。鄭志皋等[41]發現在液氮式速凍機風道出口處增設整流網，可以增大出口風速的均勻性，從而提高食品的凍結質量[41]。

通過增設導流板、柵格或者堵塞板等配件來改變或阻隔氣體的流動，在沒有產生額外的能耗的前提下，增加了凍結區的平均流速和速凍機的生產能力。在速凍設備進出料口增設整流網還可以減少跑冷，提高能量使用率。

3 結論

速凍設備的流場直接影響著設備的能量效率和食品的凍結品質。本文從入口結構和通道結構分析了不同速凍設備內氣流組織對食品凍結速度的影響。孔和噴嘴是常見的2種入口結構。孔的數量、排列、形狀與噴嘴的噴嘴尺寸、排列、射流傾斜角度、噴射板尺寸和噴孔的有無等都會影響設備內部的流場分布。適當的孔數、噴嘴尺寸、射流傾斜角度、噴射板尺寸是為了保證設備內有合適的射流速度。孔和噴嘴的排列、孔的形狀和噴孔的設計是為了減小橫流對射流沖擊的影響。適當的通道結構是為了保持通道中有一定的平均速度，保證食品的凍結品質。通過增設導流裝置，改變氣流的流動方向，增加了凍結區的平均流速，減少了跑冷現象，同時不需要額外的能耗，反而增加了速凍機的產量。這些方案主要都是先考慮內部流場的均勻性，再考慮適當提高通道內平均速度，達到增強傳熱效果，提高速凍設備工作性能，提高凍結食品品質的目的。

目前對速凍設備內部流場優化的研究中，還存在一些問題需要深入探討：

1）在導流板長度、厚度以及曲率半徑的確定上還缺乏理論數據。

2）大部分速凍設備中的孔板均是水平的，對于孔板形狀、設置角度等對內部流場影響的研究還比較少。