果箱堆碼間距對其碼垛區域內氣流組織的影響

洪登科， 劉清江*， 呂德寶

(1.天津商業大學機械工程學院， 天津 300134； 2.天津市制冷技術重點實驗室， 天津 300134)

隨著社會的發展以及人民物質生活水平的不斷提高，對果蔬產品的質量和數量的需求也不斷增加[1]。但是由于果蔬在采收后，仍然進行著呼吸作用，造成糖類消耗并釋放熱量[2]，常常會因為儲存不當的原因造成其品質和新鮮度等極大降低，有時甚至會產生腐敗現象，造成不必要的浪費[3]。因此，對果蔬產品的冷藏保鮮技術變得愈發重要[4]。為了保證果蔬良好的品質，需要將果蔬維持在適合的溫度、濕度以及良好的通風環境下進行貯藏[5]。冷庫作為貯藏果蔬產品的主要設備，在冷庫的儲藏量增加的同時，由于沒有對果蔬產品進行合理的堆放，導致冷庫內果蔬間的氣流場分布不均勻[6]，直接影響其內部溫度場分布[7]，部分通風條件不佳的冷藏果蔬由于呼吸熱的作用產生脫水、腐爛的現象[8]。因此，研究貨物的堆碼方式對氣流組織的影響在冷庫貯藏領域存在重要意義[9]。

中外學者在這方面都有做過相關研究。Zou等[10]模擬研究了貯存包裝袋貨物的冷庫，計算了包裝內部貨物之間的氣流形式。Chourasiaa等[11-12]利用計算流體力學研究了袋裝馬鈴薯不同堆放形式和不同堆放尺寸下，馬鈴薯冷卻時間和冷庫流場的溫度分布情況，并得出了合理的堆疊尺寸和堆疊布置。彭夢瓏等[13]通過模擬機冷車內不同貨物的堆碼方式，得出1 m3為最佳的貨物堆碼單元。劉永娟[14]通過建立凍結間貨物擺放的三維CFD穩態模型，得出在凍結間設置墊倉板、分四堆放置能夠使貨物間流場分布均勻。周麗等[15]模擬研究了帶蓄冷板冷藏車在不同堆放方式下的溫度場，提出冷藏貨物堆放留有一定間隙能夠改善貨物的運輸品質。孫海亭[16]通過對箱裝蘋果在不同堆碼方式下的氣流組織模擬研究，發現風機的高度大于貨物的高度且盡量接近庫頂時，產生較強的渦旋可以使貨物區氣流分布均勻。周丹等[17]對一定風速范圍內，下吹風式立體冷庫內部的氣流組織情況進行了模擬研究，結果表明，冷風機出風口與第一列貨堆水平距離為零且貨物在第一列堆滿時，可以獲得均勻的氣流組織。楊先亮等[18]模擬研究了谷物干燥塔內部結構的改變對其氣流組織的影響。曾晰[5]通過模擬研究發現火龍果8垛堆碼方式可以改善氣流組織。賈發銅等[6]對影響冷藏箱溫度場均勻性的諸多因素進行了對比分析，其中指出了貨物間隙的重要影響。劉澤勤等[19-20]分別模擬了不同堆碼間距和堆碼方式對充氣保溫果蔬冷庫和圓柱圓錐形冷庫整個庫內的溫濕度場影響，得出合理的堆碼間距可以改善果蔬冷藏庫內的溫濕度分布。

已有研究大都著重于對貨物各自不同堆碼形式，基于此，現將研究重點放在果箱局部間隙間的氣流場分布。通過實驗的方法，以裝箱好的蘋果為例，通過不斷改變蘋果箱之間的水平堆碼距離分別進行研究，對不同水平間距下果箱之間的氣流溫度場以及果箱內蘋果的預冷效果進行分析，最終得出果箱較為合理的堆碼間距。

1 實驗裝置和方法

1.1 實驗裝置

本實驗在一個外形尺寸為2.8 m×1.8 m×2 m，庫門尺寸為0.8 m×0.11 m×2 m，壁厚為11 cm，以聚氨酯泡沫塑料作為中間隔熱材料的小型冷庫中進行。其中，冷風機是兩臺對稱放置的亞通牌吊頂式冷風機，單臺蒸發面積為7.5 m2，風機回風口距墻46 cm，風機側面距墻28 cm，兩風機水平距離為18 cm；壓縮機為額定功率2 200 W，型號C-L228F的活塞式壓縮機。實驗中溫度數據的采集由GP10溫度采集儀和T型熱電偶協同完成。庫溫的控制則通過控制柜直接采用MCGS(monitor and control generated system)進行雙位控制。如圖1所示為果箱在冷庫中的堆碼方式示意圖，其中果箱的尺寸為38 cm×20 cm×30 cm。

圖1 果箱在冷庫的堆碼方式示意圖Fig.1 The schematic diagram of stacking method of fruit boxes in cold storage

1.2 實驗方法

將4箱蘋果按如圖1所示方式堆碼于冷庫中。初始庫溫測得為18.5 ℃，冷卻溫度設定為-1 ℃。依次將中間層果箱與果箱之間的水平間距調整為0、1、2、3、4、5、6 cm分別進行預冷實驗。實驗過程中，主要測量和采集蘋果表面溫度和果箱之間間隙進、出口截面以及中間截面的溫度。圖2為熱電偶的布置測點(為了使測點更直觀地展示出來，作圖時果箱間距有意擴大)。其中，圖2(a)為熱電偶在果箱間溫度場布置測點，圖2(b)為熱電偶在蘋果表面的布置測點，圖2(b)中的編號表示處在該位置上蘋果的編號，對蘋果進行編號方便后續的數據處理與分析。

圖2 熱電偶布置測點Fig.2 The layout of the thermocouple

2 結果與分析

2.1 果箱間氣流溫度場分析

2.1.1 堆碼間距對果箱間氣流溫度場的影響

在預冷時間分別到達6、12 min兩個時刻時，果箱間進、出口截面以及中間截面中點溫度隨果箱水平間距的變化情況如圖3所示。

圖3 不同時刻下氣流場不同測點處溫度變化情況Fig.3 The temperature change at different measuring points in the airflow field at different times

由圖3可知，在預冷過程中，同一時刻，果箱間進、出口以及中間截面中點3個不同位置上的實測點溫度均隨果箱間水平間距的增大呈現出下降趨勢，且在一定時間內保持基本一致的下降趨勢。當果箱間距從0 cm增大到1 cm過程中，各截面中點溫度的變化率在整個實驗過程中最大，下降趨勢最明顯。果箱間距從1 cm增大到4 cm過程中，中間截面和出口截面中點的溫度繼續緩慢下降，進口截面中點的溫度由于增大果箱水平間距后，受到果箱間溫度場的影響，溫度表現出輕微的上升且接近中間截面和出口截面中點溫度的趨勢。在果箱間距增大到4 cm后，繼續增加果箱間距，各測點的溫度隨著間距的增大不再下降，且基本維持不變。產生這種現象的原因是：果箱間距從0 cm增大到1 cm時，果箱間水平間距從無到有，果箱間氣流場的換熱得到了很大的改善，此時各截面中點溫度下降明顯，當果箱間距繼續增大，果箱之間氣流場換熱效果繼續改善，但換熱強度減小。增大到4 cm之后，果箱間的氣流場換熱效果已經不受水平間距的影響。

2.1.2 果箱間氣流溫度場隨冷卻時間的變化

選取中間截面中點和出口截面中點作為氣流場溫度變化代表性的測點。在果箱幾種不同間距下的同一空間測點的溫度隨時間的變化情況如下圖4所示。

圖4 不同間距下不同位置氣流場截面中點溫度變化情況Fig.4 The temperature change at the midpoint of the airflow field section at different positions at different spacing

由圖4可知，在不同的果箱間距下，兩個測點的溫度變化趨勢基本相同。在果箱間距為0 cm時，兩測點溫度隨冷庫預冷時間下降緩慢。在果箱間距增大到1 cm時，兩測點的溫度下降速度都大幅增加。此時的換熱效果相比于間距為0 cm時得到明顯的改善。在間距由1 cm增大到4 cm的過程中，溫度變化曲線的斜率逐漸增大，說明隨著果箱間距的增大，果箱間氣流場溫度下降速度越來越快。在果箱間距分別為4、5、6 cm時，兩測點的溫度變化曲線基本重合。這說明果箱間距增大到4 cm之后，果箱間的氣流場換熱效果已經不受水平間距的影響。

上述實驗結果分析中，分別從空間和時間兩個角度對數據進行了整理和分析。可以得出以下結論：果箱在冷庫中堆碼時，在一定范圍內增大果箱之間的堆碼間距，可以改善果箱間氣流場的換熱效果，使得溫度場分布均勻。由于均勻的溫度場更有利于果蔬的貯藏保鮮[5,21]，因而合理的間距可以使得果蔬貯藏時間延長、腐敗率降低、貯藏品質增加[22-24]。但是當間距增大到4 cm之后，繼續增大間距對果箱間氣流場換熱效果的改善效果就不再明顯，此時雖然能保證果箱之間氣流場的換熱效果，但是果箱堆碼間距增大，無疑會使得冷庫的貨物空間占比減小，造成空間的浪費，減小冷庫的庫容量。因此從貯藏效果和經濟效益兩方面考慮，果箱水平間距1～4 cm是冷庫中果箱較為合適的堆碼間距。

2.2 蘋果預冷效果分析

為探究果箱內蘋果的預冷效果，選取位于中間位置的蘋果14作為具體分析對象，進行蘋果預冷實驗分析。通過實驗得到，在果箱不同間距下，蘋果14溫度隨預冷時間的變化曲線如圖5所示。

圖5 不同間距下蘋果表面溫度隨時間的變化Fig.5 The change of surface temperature of the apple with time under different spacing

分析圖5可知：在蘋果預冷過程中，可以將其分為預冷前階段和預冷后階段，在預冷的前3.5 h前，該過程蘋果溫度下降約10 ℃，下降速度較快。在預冷的后6.5 h內，此過程蘋果的溫度一共下降約6 ℃，下降速度較為緩慢。原因是，預冷前期冷風機送風溫度與庫內溫度溫差大，換熱效率高，隨著預冷的進行，庫內溫度與送風溫度溫差減小，換熱效率下降。

如圖5所示，果箱間距為0 cm時，蘋果14的溫度變化曲線在整個溫度變化圖的最上方，即這種情況下，蘋果在預冷過程中各時刻的溫度均為最高，換熱效果最差；當果箱間距增大到1 cm時，蘋果14號的溫度整體低于間距為0 cm時蘋果的溫度，說明碼垛區域內氣流組織的改善使得箱中蘋果的換熱效果也得到明顯改善；當間距增大到2 cm時，蘋果溫度繼續表現出整體降低，即換熱效果繼續改善；但當間距增大到4 cm時，此時的蘋果溫度變化曲線與間距為2 cm時的溫度變化曲線基本重合。間距增大到2 cm前，蘋果溫度變化曲線的斜率隨著間距的增加呈增大的趨勢，說明此時隨著果箱間距的增加，蘋果與庫內環境的換熱效率增加，縮短了預冷時間，提高了預冷效果。間距增大到4 cm時，其溫度變化曲線與間距為2 cm時的變化曲線基本重合，說明當間距增大到2 cm之后，繼續增大果箱間距對蘋果預冷的影響甚微。由此可知，果箱水平堆碼間距2 cm是蘋果預冷降溫較為合適的堆碼間距。

3 結論

將4箱蘋果堆碼于冷庫中，分別在果箱水平間距為0、1、2、3、4、5、6 cm工況下進行了冷庫預冷實驗，通過對所得數據的整理與分析，得出以下結論。

(1)果箱間氣流場換熱效率的提高可以通過增大果箱間流通面積的方法實現，在一定范圍內，換熱效率隨流通面積的增大而提高。

(2)在果箱垂直間距不變的情況下，果箱水平堆碼間距1～4 cm是冷庫中果箱較為合適的堆碼間距，此時氣流場溫度分布比較均勻，4 cm之后繼續增大間距，對氣流組織換熱影響不大。

(3)在蘋果預冷過程中，果箱垂直間距不變情況下，果箱水平堆碼間距2 cm是蘋果預冷降溫較為合適的堆碼間距，此時蘋果溫度下降較快，繼續增大間距，對蘋果預冷效果影響不大。綜合堆碼間距對氣流場、蘋果預冷效果以及經濟效益等方面影響的考慮，堆碼間距2 cm時收效最大，應為箱裝蘋果的最佳堆碼間距。

(4)通過合理的布置果箱在冷庫中的堆碼間距，可以改善果箱間氣流場的換熱效率，從而可以更快地帶走呼吸熱，減小果蔬的呼吸強度，達到延長果蔬的貯藏時間，提高果蔬在冷庫中的貯藏品質的目的。