馬鈴薯泥鼓風(fēng)冷凍數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)

萬(wàn)金慶 岳占凱 厲建國(guó) 王友君

(上海海洋大學(xué)食品學(xué)院， 上海 201306)

馬鈴薯泥鼓風(fēng)冷凍數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)

萬(wàn)金慶 岳占凱 厲建國(guó) 王友君

(上海海洋大學(xué)食品學(xué)院， 上海 201306)

為掌握馬鈴薯泥在鼓風(fēng)冷凍過(guò)程中的溫度變化規(guī)律，建立了短圓柱狀馬鈴薯泥鼓風(fēng)冷凍的三維數(shù)值模型，進(jìn)行了三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，并結(jié)合流場(chǎng)及不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)對(duì)馬鈴薯泥的冷凍過(guò)程進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明該模型與實(shí)際情況吻合較好，冷凍時(shí)間相對(duì)誤差為3.9%。以此為基礎(chǔ)，研究了送風(fēng)速度和溫度對(duì)馬鈴薯泥冷凍過(guò)程的影響。結(jié)果表明，隨著風(fēng)速的提高，冷凍時(shí)間縮短，馬鈴薯泥內(nèi)外溫差增大，冷凍結(jié)束時(shí)馬鈴薯泥中心溫度之間的差異先減小后增大。降低送風(fēng)溫度可以縮短冷凍時(shí)間，增大馬鈴薯泥中心溫度之間的差異性和馬鈴薯泥內(nèi)外溫差。送風(fēng)速度和溫度對(duì)相變階段的影響大于預(yù)冷段和深冷段。

馬鈴薯泥； 鼓風(fēng)； 冷凍時(shí)間； 降溫特性； 數(shù)值模擬

引言

冷凍食品質(zhì)量很大程度上取決于食品的凍結(jié)速度。研究者從冰晶在食品組織中的形成這一角度對(duì)食品的快速冷凍和慢速冷凍進(jìn)行了研究[1-3]。準(zhǔn)確預(yù)測(cè)食品的冷凍時(shí)間對(duì)優(yōu)化冷凍裝置、降低生產(chǎn)能耗具有關(guān)鍵作用[4-6]。數(shù)值計(jì)算方法將食品熱物性參數(shù)與冷凍過(guò)程的流體力學(xué)特性相結(jié)合，在預(yù)測(cè)食品冷凍時(shí)間方面比其它傳統(tǒng)方法更加準(zhǔn)確可靠，而且應(yīng)用方便，節(jié)約時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。目前，食品冷凍數(shù)值計(jì)算的主要研究方向有2個(gè)：一個(gè)是食品冷凍數(shù)學(xué)模型的研究，包括不同數(shù)值離散方法的使用，相變潛熱、熱質(zhì)耦合、水分轉(zhuǎn)移和應(yīng)力變化的處理等，這些研究擴(kuò)大了數(shù)值計(jì)算方法在食品冷凍領(lǐng)域的適用范圍，提高了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[7]對(duì)以上內(nèi)容作了較為詳細(xì)的論述。另一個(gè)研究方向是食品冷凍數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用，包括預(yù)測(cè)食品冷凍時(shí)間、冷凍速率、干耗、傳遞系數(shù)、不同冷凍時(shí)刻的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)等[8-11]。根據(jù)模擬結(jié)果，可以優(yōu)化食品冷凍工藝和冷凍設(shè)備，提高凍品質(zhì)量，降低能耗。

食品冷凍數(shù)值模型大多用于預(yù)測(cè)單體食品的冷凍時(shí)間和降溫特性，而在實(shí)際生產(chǎn)中，往往是大量食品按批次進(jìn)行冷凍處理，因此，對(duì)多個(gè)食品同時(shí)進(jìn)行冷凍模擬更具實(shí)際意義。本文以規(guī)則排列的多個(gè)無(wú)包裝短圓柱狀馬鈴薯泥的冷凍過(guò)程為研究對(duì)象，建立三維數(shù)值模型，使用Gambit軟件對(duì)模型實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，F(xiàn)luent 軟件對(duì)模型進(jìn)行求解，研究馬鈴薯泥冷凍過(guò)程中的降溫特性，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)確性，為相關(guān)冷凍過(guò)程的研究與優(yōu)化提供參考。

1 物理模型

圖1 食品與廂體三維模型Fig.1 Three-dimensional model of food and freezing room1.回風(fēng)口 2.馬鈴薯泥 3.均流板進(jìn)風(fēng)口

本文主要研究短圓柱狀無(wú)包裝馬鈴薯泥冷凍降溫特性，以鼓風(fēng)冷凍裝置(Pr.c-15型普龍通高效保鮮冷凍機(jī))和馬鈴薯泥組成的整體(圖1)為研究對(duì)象。廂體內(nèi)部空間尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為600 mm×555 mm×180 mm，廂體內(nèi)膽、外殼材料為不銹鋼，絕熱材料為氨基甲酸乙酯。圓柱狀馬鈴薯泥高50 mm、直徑100 mm，共9個(gè)，分兩排布置。進(jìn)風(fēng)口均流板孔直徑20 mm，回風(fēng)口尺寸(長(zhǎng)×寬)為600 mm×125 mm。

使用Gambit建立三維實(shí)體模型，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法，網(wǎng)格類(lèi)型為T(mén)et/Hybrid混合網(wǎng)格。流體區(qū)域網(wǎng)格尺寸為15 mm，馬鈴薯泥區(qū)域網(wǎng)格尺寸為5 mm，整體網(wǎng)格數(shù)量為225 290。

2 數(shù)學(xué)模型

為了計(jì)算方便，建模時(shí)做如下假設(shè)：馬鈴薯泥初始溫度分布均勻，各向同性且質(zhì)地均勻；馬鈴薯泥內(nèi)部熱交換只考慮導(dǎo)熱，忽略對(duì)流換熱；忽略馬鈴薯泥表面水分蒸發(fā)和內(nèi)部水分轉(zhuǎn)移對(duì)換熱過(guò)程的影響；忽略馬鈴薯泥表面和廂體壁面之間的輻射換熱；廂體密封性良好，不存在漏氣現(xiàn)象；廂體內(nèi)空氣近似為不可壓縮流體，符合Boussinesq假設(shè)。

2.1 食品傳熱微分方程

基于上述假設(shè)，將馬鈴薯泥的冷凍過(guò)程視為一個(gè)無(wú)內(nèi)熱源的變物性、非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題，直角坐標(biāo)系下的三維數(shù)學(xué)模型為[12]

(1)

式中T——馬鈴薯泥各幾何點(diǎn)處溫度，Kt——時(shí)間，sCp——馬鈴薯泥比熱容，kJ/(kg·K)k——馬鈴薯泥導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)ρ——馬鈴薯泥密度，kg/m3

馬鈴薯泥的頂面和側(cè)面與冷凍裝置內(nèi)的冷風(fēng)發(fā)生強(qiáng)制對(duì)流換熱，視為第三類(lèi)邊界條件[12]，即

(2)

式中w——邊界符號(hào)n——馬鈴薯泥表面外法線方向h——馬鈴薯泥表面對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)Tw——馬鈴薯泥表面溫度，KText——冷風(fēng)溫度，K

在Fluent軟件中，馬鈴薯泥(固體)與空氣(流體)的接觸面設(shè)為耦合面，耦合面的對(duì)流換熱系數(shù)由軟件自行計(jì)算。

馬鈴薯泥底面與托盤(pán)直接接觸，托盤(pán)材料為不銹鋼，冷凍過(guò)程中托盤(pán)溫度假設(shè)與冷風(fēng)溫度相等，馬鈴薯泥底面溫度近似為托盤(pán)溫度，即Td=Text，Td為馬鈴薯泥底面溫度。初始條件為T(mén)=T0，T0為馬鈴薯泥初始溫度。

2.2 食品熱物性參數(shù)

圖2 食品冷凍過(guò)程熱物性參數(shù)的典型變化過(guò)程Fig.2 Typical variation process of thermal properties with temperature

對(duì)于大多數(shù)食品的冷凍過(guò)程而言，相變并非發(fā)生在一個(gè)明確的溫度上，而是發(fā)生在一個(gè)相對(duì)較小的溫度范圍之內(nèi)。食品的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)等熱物性參數(shù)在相變前后會(huì)發(fā)生很大的變化[13](圖2)。本文通過(guò)8個(gè)獨(dú)立的參數(shù)對(duì)馬鈴薯泥冷凍過(guò)程中的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容做分段線性化處理[14]，公式為

(3)

式中Ts——馬鈴薯泥相變結(jié)束溫度，KTl——馬鈴薯泥初始凍結(jié)溫度，Kks——馬鈴薯泥凍結(jié)后導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)kl——馬鈴薯泥凍結(jié)前導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)

將處于相變段的導(dǎo)熱系數(shù)作為溫度的線性函數(shù)，預(yù)冷段和深冷段的導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)為常數(shù)。

(4)

式中Cs——馬鈴薯泥凍結(jié)后比熱容，kJ/(kg·K)Cmax——馬鈴薯泥凍結(jié)過(guò)程中最大比熱容，kJ/(kg·K)

Cl——馬鈴薯泥凍結(jié)前比熱容，kJ/(kg·K)

Tmax——馬鈴薯泥凍結(jié)過(guò)程中最大比熱容對(duì)應(yīng)的溫度，K

將預(yù)冷段和深冷段的比熱容設(shè)為常數(shù)，相變段分兩段,設(shè)為溫度的線性函數(shù)。馬鈴薯泥的密度在整個(gè)冷凍過(guò)程中假定不變，取1 018 kg/m3。所提到的8個(gè)獨(dú)立參數(shù)如表1所示[14]。

2.3 進(jìn)風(fēng)口、回風(fēng)口邊界及內(nèi)壁

進(jìn)風(fēng)口設(shè)置為Velocity-inlet(速度入口)，選用湍流強(qiáng)度和水力直徑定義湍流，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速4 m/s(熱線風(fēng)速儀實(shí)際測(cè)量值)，溫度243.15 K?；仫L(fēng)口設(shè)置為Outflow(自由出流)。廂體壁面設(shè)置為絕熱壁面。馬鈴薯泥與冷風(fēng)接觸的表面設(shè)置為耦合壁面，其對(duì)流傳熱系數(shù)由Fluent自行計(jì)算。

表1 馬鈴薯泥相關(guān)物性參數(shù)

3 模型求解與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 模型求解

根據(jù)上述各項(xiàng)參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行設(shè)置。選用SSTk-ω紊流模型[15]，采用基于壓力的瞬態(tài)求解器對(duì)模型進(jìn)行求解。初始時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為0.01 s,待殘差曲線收斂后逐漸增大時(shí)間步長(zhǎng)至5 s，能量方程收斂精度設(shè)為10-6，其余方程收斂精度為10-3。以降溫最慢的馬鈴薯泥幾何中心溫度達(dá)到255.15 K作為冷凍結(jié)束的標(biāo)志。

3.2 模擬結(jié)果與分析

以廂體底面中心位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿Z軸方向取Z=25 mm截面流場(chǎng)速度分布云圖，如圖3所示。流場(chǎng)速度分布云圖顯示：氣流在馬鈴薯泥的迎風(fēng)面和背風(fēng)面會(huì)出現(xiàn)附于其表面的現(xiàn)象，而且第1排5個(gè)馬鈴薯泥背風(fēng)面風(fēng)速滯止區(qū)明顯大于第2排4個(gè)馬鈴薯泥背風(fēng)面的風(fēng)速滯止區(qū)；由于第1排的遮擋，第2排馬鈴薯泥周?chē)L(fēng)速均勻性要好于第1排，但是其被最大風(fēng)速吹過(guò)的表面積明顯小于第1排。

馬鈴薯泥在冷凍過(guò)程中經(jīng)歷預(yù)冷、相變、深冷3個(gè)階段。根據(jù)冷凍降溫曲線，分別選擇40、140、190、200 min時(shí)Z=25 mm截面的溫度場(chǎng)云圖進(jìn)行對(duì)比分析。

如圖4所示，冷凍開(kāi)始40 min時(shí)，所有馬鈴薯泥處于預(yù)冷段，降溫較快，第2排馬鈴薯泥周?chē)臏囟葓?chǎng)稍高于第1排，但兩者的降溫速度基本相等。140 min時(shí)，馬鈴薯泥處于相變段，迎風(fēng)面降溫明顯快過(guò)背風(fēng)面，而且第1排的降溫速度比第2

圖3 流場(chǎng)速度云圖Fig.3 Velocity contour in container

排快，二者周?chē)鷾囟葓?chǎng)的差異性較40 min時(shí)減小，相變界面由外向內(nèi)推進(jìn)。190 min時(shí)，第1排馬鈴薯泥的相變完成，進(jìn)入深冷段，只有兩側(cè)馬鈴薯泥的中心部分尚未降到255.15 K。處在深冷段的馬鈴薯泥，迎風(fēng)面的降溫速度依然快過(guò)背風(fēng)面。第2排馬鈴薯泥的中心仍然處于相變階段，而且熱中心稍向背風(fēng)面移動(dòng)，第1排和第2排周?chē)臏囟葓?chǎng)差異性進(jìn)一步減小。200 min時(shí)，所有馬鈴薯泥熱中心溫度降到255.15 K，冷凍結(jié)束。第1排馬鈴薯泥的溫度明顯低于第2排，而且第1排的溫度分布更加均勻。

圖4 不同冷凍時(shí)刻的二維溫度場(chǎng)Fig.4 Contours of static temperature of freezing process

在預(yù)冷段，由于馬鈴薯泥與冷風(fēng)之間溫差較大，風(fēng)速對(duì)降溫速度的影響較小，使得迎風(fēng)面與背風(fēng)面之間的降溫差異不夠明顯。在相變段和深冷段，風(fēng)速對(duì)降溫速度的影響增大，迎風(fēng)面的降溫速度快過(guò)背風(fēng)面，使得馬鈴薯泥的熱中心稍微向背風(fēng)面偏移。雖然流場(chǎng)分布云圖表明第2排馬鈴薯泥周?chē)L(fēng)速更加均勻，但這并沒(méi)有加快它們的降溫速度，由此可見(jiàn)，在馬鈴薯泥周?chē)鷾囟葓?chǎng)基本相同的情況下，流場(chǎng)的均勻性對(duì)降溫速度的影響小于流速對(duì)降溫速度的影響，這與文獻(xiàn)[16]得出的結(jié)論相吻合。

3.3 模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)儀器：Agilent 34972A型數(shù)據(jù)采集儀，T型銅-康銅熱電偶(外徑1 mm，精度±0.3℃)。實(shí)驗(yàn)材料為自制馬鈴薯泥。熱電偶插在馬鈴薯泥幾何中心，當(dāng)廂體內(nèi)溫度降到243.15 K并維持30 min后放入馬鈴薯泥，溫度數(shù)據(jù)每隔10 s采集一次。冷凍結(jié)束時(shí)馬鈴薯泥如圖5所示。以所有馬鈴薯泥幾何中心的平均溫度降到255.15 K所用的時(shí)間做冷凍曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的對(duì)比如圖6所示。

圖5 冷凍結(jié)束時(shí)馬鈴薯泥Fig.5 Frozen mashed potatoes

在預(yù)冷段、相變段、深冷段的最大溫度誤差為1.5、2.7、7.1 K，分別發(fā)生在28、188、198 min。冷凍時(shí)間的模擬值為198 min，實(shí)驗(yàn)值為206 min，冷凍時(shí)間相對(duì)誤差為3.9%。結(jié)果證明，該模型具有一定的準(zhǔn)確性。

圖6 馬鈴薯泥中心平均溫度實(shí)驗(yàn)值與模擬值的比較Fig.6 Comparison of simulated and test temperatures during freezing

4 設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)冷凍過(guò)程的影響

4.1 送風(fēng)速度對(duì)冷凍過(guò)程的影響

風(fēng)速是影響食品冷凍時(shí)間的關(guān)鍵因素之一[17]。進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速分別為2、4、6、8、10 m/s時(shí)，馬鈴薯泥平均中心溫度的變化曲線如圖7所示，相應(yīng)的各階段降溫時(shí)間如表2所示。

圖7 風(fēng)速對(duì)馬鈴薯泥中心降溫過(guò)程的影響Fig.7 Effect of air velocity on freezing process

風(fēng)速/(m·s-1)預(yù)冷段時(shí)間/min相變段時(shí)間/min深冷段時(shí)間/min總時(shí)間/min272146152334721151119866810681828689581711068868162

可以看出，在送風(fēng)溫度相同的情況下，風(fēng)速對(duì)預(yù)冷段的影響很小，對(duì)相變段的影響最大，對(duì)深冷段的影響也較為明顯。這與文獻(xiàn)[18]的結(jié)論一致。隨著風(fēng)速的增加，整體冷凍時(shí)間呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，而縮短的時(shí)間中相變段減少的時(shí)間占比超過(guò)50%。冷凍時(shí)間的遞減幅度隨風(fēng)速的增加逐漸放緩，考慮到風(fēng)機(jī)能耗與頻率是三次方的關(guān)系[19]，在實(shí)際生產(chǎn)中可以根據(jù)能耗指標(biāo)和冷凍時(shí)間合理選擇不同冷凍階段的風(fēng)速。當(dāng)預(yù)冷段、相變段、深冷段的風(fēng)速分別為4、8、4 m/s時(shí)，模擬得到的冷凍時(shí)間為184 min，這與全過(guò)程風(fēng)速為4 m/s的情況相比，時(shí)間縮短了27 min。

冷凍結(jié)束時(shí)，不同位置的馬鈴薯泥中心溫度并不相等，利用溫度變異系數(shù)[20]來(lái)評(píng)價(jià)不同位置馬鈴薯泥之間的溫度差異性。計(jì)算式為

(5)

風(fēng)速對(duì)馬鈴薯泥中心溫度變異系數(shù)的影響如圖8所示。馬鈴薯泥中心溫度變異系數(shù)隨著風(fēng)速的增加呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)，風(fēng)速為6 m/s時(shí)中心溫度變異系數(shù)最小，即不同位置的馬鈴薯泥之間中心溫度差異性最小。

圖8 風(fēng)速對(duì)馬鈴薯泥中心溫度差異性的影響Fig.8 Effect of air velocity on variation coefficient of temperature

除了不同位置馬鈴薯泥之間的溫度差異性，還應(yīng)該關(guān)注冷凍過(guò)程中風(fēng)速對(duì)馬鈴薯泥內(nèi)外溫度均勻性的影響。不同風(fēng)速下馬鈴薯泥幾何中心點(diǎn)與沿Y軸方向距離中心40 mm點(diǎn)的平均溫差變化曲線如圖9所示。馬鈴薯泥在冷凍過(guò)程中，其內(nèi)外溫差會(huì)出現(xiàn)2次大的升降變化[21]。第1次升高是由于冷量在由外向內(nèi)傳播的過(guò)程中逐漸被吸收，降溫速率由外向內(nèi)遞減，二者溫差逐漸增大；當(dāng)距離中心40 mm處的點(diǎn)進(jìn)入相變段后，由于潛熱的釋放，其降溫速率大大降低，而中心點(diǎn)依然處于預(yù)冷段，降溫速率大于外側(cè)相變點(diǎn)的降溫速率，使得二者溫差逐漸減小。當(dāng)外側(cè)點(diǎn)相變結(jié)束時(shí)，若中心點(diǎn)尚未進(jìn)入相變段，則二者溫差會(huì)出現(xiàn)一個(gè)小的波動(dòng)，在風(fēng)速大于6 m/s時(shí)該現(xiàn)象較為明顯。這也說(shuō)明，隨著風(fēng)速的增大，冷凍過(guò)程中馬鈴薯泥內(nèi)外溫度均勻性會(huì)降低。當(dāng)中心點(diǎn)進(jìn)入相變段后，其降溫速率遠(yuǎn)小于已經(jīng)處于深冷段的外側(cè)點(diǎn)，二者溫差逐漸增大到整個(gè)冷凍過(guò)程的最大值。中心點(diǎn)相變結(jié)束后，二者溫差迅速減小。圖9還表明，隨風(fēng)速的增大，冷凍過(guò)程中的最大溫差也增大。

圖9 風(fēng)速對(duì)馬鈴薯泥內(nèi)外溫差的影響Fig.9 Effect of air velocity on temperature difference

4.2 送風(fēng)溫度對(duì)冷凍過(guò)程的影響

根據(jù)以上模擬結(jié)果，在風(fēng)速為6 m/s的條件下，模擬馬鈴薯泥在不同送風(fēng)溫度下的冷凍過(guò)程。圖10是在送風(fēng)速度為6 m/s的條件下，送風(fēng)溫度對(duì)馬鈴薯泥冷凍時(shí)間的影響。冷凍過(guò)程中各個(gè)階段的具體時(shí)間如表3所示?？梢钥闯?，隨著送風(fēng)溫度降低，馬鈴薯泥冷凍時(shí)間逐漸縮短，而且相變段縮短的時(shí)間在縮短的總時(shí)間中比重最大。送風(fēng)溫度對(duì)預(yù)冷段的影響最小。當(dāng)預(yù)冷段、相變段、深冷段的送風(fēng)溫度分別為248.15、238.15、248.15 K時(shí)，模擬得到的冷凍時(shí)間為175 min，這比全過(guò)程使用248.15 K節(jié)省了44 min?？紤]到送風(fēng)溫度越低，制冷系統(tǒng)的制冷系數(shù)越小，因此，從節(jié)能方面考慮，結(jié)合不同冷凍階段對(duì)溫度的敏感程度，可以在預(yù)冷段采用較高的送風(fēng)溫度，等食品進(jìn)入相變段后再降低送風(fēng)溫度，即滿足了冷凍時(shí)間的要求，還可以降低能耗。

圖10 溫度對(duì)馬鈴薯泥中心降溫過(guò)程的影響Fig.10 Effect of temperature on freezing time

冷凍結(jié)束后，送風(fēng)溫度對(duì)馬鈴薯泥中心溫度變異系數(shù)的影響如圖11所示。從圖11可看出，隨著送風(fēng)溫度的降低，馬鈴薯泥中心溫度變異系數(shù)呈先上升而后略有下降的趨勢(shì)。圖12是送風(fēng)溫度對(duì)馬鈴薯泥內(nèi)外溫差的影響。隨著送風(fēng)溫度的降低，內(nèi)外溫差均勻性下降，最大溫差增大。

表3 不同溫度條件下各階段降溫時(shí)間

圖11 溫度對(duì)馬鈴薯泥中心溫度差異性的影響Fig.11 Effect of air temperature on variation coefficient of temperature

圖12 溫度對(duì)馬鈴薯泥內(nèi)外溫差的影響Fig.12 Effect of air temperature on temperature difference

5 結(jié)論

以無(wú)包裝短圓柱狀馬鈴薯泥的冷凍過(guò)程為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬方法建立了馬鈴薯泥鼓風(fēng)冷凍三維數(shù)值模型，通過(guò)改變送風(fēng)速度和溫度，分別研究?jī)烧邔?duì)馬鈴薯泥冷凍過(guò)程的影響。結(jié)論如下:

(1)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的溫差最大值出現(xiàn)在深冷段，為7.1 K，冷凍時(shí)間相對(duì)誤差為3.9%。

(2)冷凍時(shí)間隨送風(fēng)速度的增加而縮短，當(dāng)風(fēng)速超過(guò)6 m/s時(shí)，冷凍時(shí)間縮短的程度放緩。冷凍結(jié)束時(shí)馬鈴薯泥中心溫度之間的差異性隨著風(fēng)速的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。隨著風(fēng)速的增大，冷凍過(guò)程中馬鈴薯泥內(nèi)外溫度均勻性會(huì)降低，最大溫差增大。風(fēng)速對(duì)相變段的影響比預(yù)冷段和深冷段大。

(3)降低送風(fēng)溫度可以縮短冷凍時(shí)間，但會(huì)提高馬鈴薯泥中心溫度之間的差異性，降低馬鈴薯泥內(nèi)外溫度均勻性。送風(fēng)溫度對(duì)相變段的影響大于預(yù)冷段和深冷段。在實(shí)際冷凍過(guò)程中，可以在不同的冷凍階段選用不同的送風(fēng)速度和溫度，做到縮短冷凍時(shí)間和降低能耗二者兼顧。

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Numerical Analysis and Test on Characteristics of Temperature Decreasing of Mashed Potatoes

WAN Jinqing YUE Zhankai LI Jianguo WANG Youjun

(CollegeofFoodScienceandTechnology,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China)

In order to investigate the characteristics of temperature decreasing of mashed potatoes without packages during freezing in an air blast freezer，a three-dimensional unsteady numerical model was established to simulate the freezing process of mashed potatoes. According to the thermo-physical properties of mashed potato, the process of the temperature decreasing during freezing was simulated by Fluent，after which the airflow information in the container was obtained．A test was done to verify the accuracy of the model，and it was found that the simulation values and test values were in good agreement，the maximum temperature difference between the test data and simulation result was 7.1 K and the relative error of freezing time was 3.9%. After that，two design parameters (air velocity and air temperature) which would affect the freezing process were analyzed．Improving the air velocity can shorten the time of freezing but would improve the maximum temperature difference between the mashed potato’s core and edge. The variation coefficient of temperature among mashed potatoes was firstly increased and then decreased with the increase of air velocity, and it was minimum when the air velocity was 6 m/s. When the air velocity was bigger than 6 m/s，the freezing rate trended to be steady along with the growing of air velocity. Reducing the air temperature can effectively improve the temperature decreasing of mashed potatoes during freezing but also would improve the variation coefficient of temperature among mashed potatoes. The results reviewed some characteristics of the freezing of mashed potatoes without packages in an air blast freezer, which can provide a reference value for the optimization of the equipments and technologies for the freezing of foodstuffs．

mashed potatoes; air blast; freezing time; characteristics of temperature decreasing; numerical simulation

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.04.039

2016-12-29

2017-02-13

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2012AA092301)

萬(wàn)金慶(1964—)，男，教授，博士，主要從事制冷系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與食品保鮮技術(shù)研究，E-mail: jqwan@shou.edu.cn

TB69； TS205.7

A

1000-1298(2017)04-0298-07