差壓預(yù)冷外部遮擋開孔方式數(shù)值研究及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

蔡景輝劉 斌王艷紅牛建會

(1天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津商業(yè)大學(xué) 300134；2浙江盾安機(jī)電科技有限公司 311835；3河北建筑工程學(xué)院 075024)

差壓預(yù)冷屬強(qiáng)制通風(fēng)預(yù)冷的一種方式。它是利用包裝箱一側(cè)的軸流風(fēng)機(jī)的抽吸作用在包裝箱兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，通過在包裝箱兩側(cè)開孔，一定的碼垛方式迫使冷風(fēng)從箱中穿過，在包裝箱內(nèi)部，使產(chǎn)品與被吸人包裝箱內(nèi)的冷空氣充分接觸，進(jìn)行強(qiáng)烈的熱交換，從而達(dá)到冷卻產(chǎn)品的目的。對其的研究主要集中在送風(fēng)工藝 和包裝箱上，如對送風(fēng)速度、送風(fēng)溫度、送風(fēng)量、壓差、包裝箱的開孔面積[1-9]和開孔形狀、箱內(nèi)果疏堆碼[10]等工藝。在不改變包裝箱開孔間距以及開孔規(guī)則排列下，包裝箱內(nèi)果蔬的中心溫度沿氣流方向差別較大，呈現(xiàn)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(yù)冷不均勻性會導(dǎo)致箱內(nèi)局部果蔬凍傷，而局部果蔬溫度還沒有降到預(yù)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(jìn)行的數(shù)值模擬研究，用利用計算流體動力學(xué)軟件(FLUENT)對包裝箱進(jìn)行外部遮擋五種不同開孔方式預(yù)冷內(nèi)部流場進(jìn)行的數(shù)值模擬，以期探索比較好的解決方法。

1 物理模型的建立

設(shè)計的外部五種開孔方式及實(shí)際實(shí)驗(yàn)中選用6個尺寸相同的塑料周轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)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(jìn)行如下假設(shè):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(zhì)如比熱、導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率等不隨溫度的變化而變化。2)濕空氣的熱物理性質(zhì)與溫度無關(guān)(因?yàn)樵陬A(yù)冷過程中其溫度變化很小)；3)忽略預(yù)冷過程中周轉(zhuǎn)箱壁面與蔬菜之間、蔬菜與蔬菜之間的輻射傳熱及接觸導(dǎo)熱；4)對于蔬菜在周轉(zhuǎn)箱內(nèi)的不同堆碼，認(rèn)為各處的體積孔隙率一致。以土豆的預(yù)冷為模擬對象,其物理參數(shù)[12]為，密度:1227kg/m3、熱擴(kuò)散率:754m2/s、導(dǎo)熱率:0.231W/m.K。

2.2 網(wǎng)格劃分

在上述的假設(shè)基礎(chǔ)上，實(shí)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(wǎng)格，因此在此基礎(chǔ)上將各個規(guī)則球形蔬菜的連接處視為方形，正方體邊長設(shè)為球體直徑70mm。假定實(shí)驗(yàn)中所使用的6個周轉(zhuǎn)箱整體為一個周轉(zhuǎn)箱，其尺寸按照6個周轉(zhuǎn)箱總尺寸進(jìn)行模擬，模型長×寬×高為1000mm×560mm×500mm，即X×Y×Z，忽略相鄰周轉(zhuǎn)箱間的箱壁，在此假設(shè)前提下，相應(yīng)地忽略相鄰周轉(zhuǎn)箱箱壁對冷空氣流的阻擋。

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

周轉(zhuǎn)箱出風(fēng)口一側(cè)即Y×Z=560mm×500mm面上的開孔，在模型中采用與周轉(zhuǎn)箱上實(shí)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(zhuǎn)箱兩壁面的兩側(cè)的間距分別為 7mm和8mm；在Z軸上為10mm，靠近周轉(zhuǎn)箱兩壁面的兩側(cè)間距均為15mm，共在500mm 5600mm的出風(fēng)口側(cè)面上設(shè)置160個長方形孔，開孔率為57.14%，與實(shí)際開孔率接近。

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

2.3 控制方程

預(yù)冷過程中在周轉(zhuǎn)箱的有限空間內(nèi)存有兩種物質(zhì)—冷空氣和預(yù)冷產(chǎn)品，考慮到周轉(zhuǎn)箱內(nèi)的實(shí)際情況，周轉(zhuǎn)箱內(nèi)冷空氣的氣流組織比較復(fù)雜，但是又不能使湍流模型太過復(fù)雜。模擬中選用了目前使用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型。

連續(xù)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(dǎo)熱系數(shù)，W/m.K；λt為湍流導(dǎo)熱系數(shù)，W/m.K；υeff為有效運(yùn)動粘性系數(shù)，m2/s；υ為運(yùn)動粘性系數(shù)，m2/s；υt為湍流運(yùn)動粘性系數(shù)，m2/s；xixj為笛卡爾坐標(biāo)，i、j =1，2，3分別代表x、y、z 3個坐標(biāo)方向；ui，uj為xi，xj坐標(biāo)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(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值見文獻(xiàn)[11]。

2.4 邊界條件

周轉(zhuǎn)箱的外壁設(shè)為溫度為274K的恒溫壁面；外部160個長方形出風(fēng)口為Pressure-outlet類型，壓力值為-200Pa；周轉(zhuǎn)箱內(nèi)的土豆外表面設(shè)為溫度291K的恒溫壁面，外部兩側(cè)的進(jìn)風(fēng)口設(shè)成Velocity-inlet類型，進(jìn)入的冷空氣溫度值設(shè)為274K，每種開孔方式降溫過程的外部遮擋開孔風(fēng)速見文獻(xiàn)[12]附錄1。

3 模擬結(jié)果及驗(yàn)證

3.1 溫度場的模擬

對五種不同的開口方式的預(yù)冷進(jìn)行了同條件的模擬，溫度模擬結(jié)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(yīng)于實(shí)際中的靠近差壓風(fēng)機(jī)，周轉(zhuǎn)箱堆碼的中部，距差壓風(fēng)機(jī)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(dá)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(nèi)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(yuǎn)離差壓風(fēng)機(jī)處溫度最高，降溫速率也相應(yīng)的會最低。綜合來看32個非均勻孔的預(yù)冷均勻性最好。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及原因分析

3.2.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

研究表明，位于這個堆碼的中部位置和遠(yuǎn)離差壓風(fēng)機(jī)的果蔬冷卻降溫情況較具代表性，建立了實(shí)驗(yàn)臺對此位置的馬鈴薯中心溫度進(jìn)行了試驗(yàn)測試。實(shí)驗(yàn)在天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室壓預(yù)冷實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，利用現(xiàn)有冷庫制冷裝置和差壓預(yù)冷設(shè)備。冷庫內(nèi)部尺寸長×寬×高為4.5m×2.5m×2.4m。實(shí)驗(yàn)中選用的塑料周轉(zhuǎn)箱及堆碼排列方式如圖1所示。實(shí)驗(yàn)測試設(shè)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(chǎn)的數(shù)字式六十通道自動巡回檢測儀實(shí)現(xiàn)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(chǎn)的型號為HUMOR10的24通道風(fēng)速溫濕度測試儀測量內(nèi)部的風(fēng)速和濕度，共布置了11個風(fēng)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(chǎn)的熱線風(fēng)速儀測量，精度為±0.01℃，其型號為435熱敏風(fēng)速儀；美國TSI生產(chǎn)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(yù)冷效果的標(biāo)準(zhǔn)。7/8 冷卻時間是指果蔬溫度與冷風(fēng)溫度的差值為果蔬初始溫度與冷風(fēng)溫度差值的1/8 時所對應(yīng)的冷卻時間。結(jié)果如圖4示，3#箱和4#箱對應(yīng)于中間位置的上半部分和下半部分，6#箱和5#箱對應(yīng)于遠(yuǎn)離差壓風(fēng)機(jī)位置的上半部分和下半部分。

圖4 實(shí)驗(yàn)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(jié)果對應(yīng)比較好。

C中反應(yīng)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(jié)果對應(yīng)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(yuǎn)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(yuǎn)離差風(fēng)機(jī)的6#和5#箱相比，前者的7/8降溫時間遠(yuǎn)小于后者，與圖3中50個孔的三個截面模擬結(jié)果比較對應(yīng)。

由于實(shí)驗(yàn)和模擬的工況比較多，只取了理論結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果溫差最大的進(jìn)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(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，可以看出兩者之間的溫度差最大不超過1.5℃?？紤]到理論計算是在多個假設(shè)條件下進(jìn)行的等因素，理論模擬結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果較接近，特別是到預(yù)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(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)果及實(shí)驗(yàn)結(jié)果這種現(xiàn)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(fēng)從遠(yuǎn)離差壓側(cè)抽吸進(jìn)去，所以遠(yuǎn)離差壓處的果蔬預(yù)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(fēng)從底部吸進(jìn)去，所以出現(xiàn)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(yuǎn)離差壓風(fēng)機(jī)的果蔬預(yù)冷效果卻比較差，原因是第五種方式前三列孔的數(shù)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(fēng)機(jī)處的開孔率的絕對值要小。

外部遮擋的開孔方式應(yīng)該是靠近壓差風(fēng)機(jī)處的開孔率低，遠(yuǎn)離差壓風(fēng)機(jī)處開孔率要高，最底部的孔徑應(yīng)稍大于上部的。

4 結(jié)論

1)對比分析了外部遮擋五種不同開孔方式的差壓預(yù)冷模擬結(jié)果，并用實(shí)驗(yàn)測試的降溫結(jié)果對其進(jìn)行了驗(yàn)證，二者基本吻合。

2)五種開孔方式中32個非均勻孔的預(yù)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(nèi)，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(yù)冷，建議外部遮擋的開孔方式應(yīng)該是靠近壓差風(fēng)機(jī)處的開孔率低，遠(yuǎn)離差壓風(fēng)機(jī)處開孔率相對要高，最底部的孔徑應(yīng)稍大于上部的。

(本文受天津市教委項(xiàng)目資助(2006ZY08)及天津市科委項(xiàng)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(qiáng)制通風(fēng)預(yù)冷風(fēng)速選擇研究[J]. 食品科學(xué), 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(yù)冷技術(shù)的研究現(xiàn)狀和與發(fā)展趨勢 [J]. 制冷與空調(diào), 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(shí)差壓預(yù)冷過程中的阻力特性[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)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(yù)冷風(fēng)速與風(fēng)機(jī)能耗和預(yù)冷效果的實(shí)驗(yàn)研究及分析[J]. 制冷學(xué)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(yù)冷保鮮技術(shù)的實(shí)驗(yàn)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(qiáng), 陳煥新, 董德發(fā), 等.黃金梨差壓通風(fēng)預(yù)冷數(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)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(shù)值傳熱學(xué)[M]. 第二版.西安: 西安交通大學(xué)出版社, 2001, 349.

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