噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊式速凍設(shè)備性能優(yōu)化研究進(jìn)展

舒志濤謝 晶楊大章

(1. 上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心，上海 201306；2. 上海冷鏈裝備性能與節(jié)能評(píng)價(jià)專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，上海 201306；3. 食品科學(xué)與工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心﹝上海海洋大學(xué)﹞，上海 201306；4. 上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306)

速凍可以較好地保證食品內(nèi)部細(xì)胞組織的完整性，保存食品的口感和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[1]。隨著人們對(duì)食品品質(zhì)需求的不斷提高，業(yè)界對(duì)速凍設(shè)備的開發(fā)和研究日益增多。如今速凍設(shè)備種類繁多[2-3]，從凍結(jié)速度角度出發(fā)可分為：慢速凍結(jié)(0.1～1.0 cm/h)、中速凍結(jié)(1～5 cm/h)和快速凍結(jié)(5～20 cm/h)設(shè)備，不同的凍結(jié)速度會(huì)使凍品內(nèi)部冰晶大小、數(shù)量和分布不同[4]；從冷卻介質(zhì)角度出發(fā)可分為：噴淋式凍結(jié)、空氣循環(huán)式凍結(jié)、浸漬式凍結(jié)設(shè)備和接觸式凍結(jié)[5]，其中空氣循環(huán)式凍結(jié)設(shè)備中應(yīng)用較廣的是隧道式凍結(jié)、螺旋式凍結(jié)和流態(tài)化式凍結(jié)設(shè)備等，沖擊式凍結(jié)設(shè)備是其中的新型產(chǎn)品[6]。

近年來，人們對(duì)沖擊射流與物體間的傳熱特性進(jìn)行了大量的研究[7]，發(fā)現(xiàn)沖擊射流具有較高的傳熱和傳質(zhì)速率，可以應(yīng)用于食品速凍和干燥、電子設(shè)備冷卻和金屬退火等領(lǐng)域。沖擊式速凍設(shè)備也逐漸被開發(fā)和應(yīng)用[8]。Sundsten等[9]將沖擊式速凍技術(shù)、螺旋速凍技術(shù)和液氮速凍技術(shù)進(jìn)行了比較，分別對(duì)厚度為10 mm、重量為80 g的漢堡包從4 ℃冷凍到-18 ℃。螺旋速凍需要1 320 s，液氮速凍需要330 s，而沖擊式速凍僅需要160 s，同時(shí)它們的失重率依次為1.2%，0.4%，0.4%，研究發(fā)現(xiàn)：沖擊式速凍設(shè)備在冷卻速率方面明顯領(lǐng)先于螺旋式速凍和液氮速凍等其他速凍設(shè)備。

但是目前沖擊式速凍設(shè)備普遍存在氣流組織設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致運(yùn)行效率低、風(fēng)機(jī)能耗高等問題，因此該設(shè)備的設(shè)計(jì)優(yōu)化就顯得尤為重要。本文著重從該設(shè)備的核心——噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)傳熱特性的影響進(jìn)行分析，綜述噴嘴的傾斜角度、排列布置、形狀以及特殊形狀狹縫式噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)噴射流場(chǎng)和換熱強(qiáng)度的影響，以期為以后沖擊式速凍設(shè)備的研發(fā)提供一定的理論依據(jù)。

1 噴嘴的傾斜角度對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)傳熱特性的影響

噴嘴的傾斜角度決定了沖擊射流的傾斜角度，不同的傾斜角度會(huì)使沖擊射流與物體表面間的傳熱強(qiáng)度發(fā)生變化。

不同的學(xué)者針對(duì)噴嘴傾斜角度對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)傳熱特性的影響進(jìn)行了許多試驗(yàn)研究。圖1為Ingole等[10]進(jìn)行噴嘴傾角試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置示意圖。在試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)在雷諾數(shù)(Red)為2 000～20 000、板間距與噴嘴直徑比(H/d)為0.5～6.8的情況下，噴嘴傾角為45°和60°時(shí)冷卻效果最好。Beitelmal等[11]通過試驗(yàn)研究確定了二維沖擊式空氣射流的傾角對(duì)均勻加熱平板傳熱的影響，考慮了傾角(0°≤θ≤50°)、板間距與噴嘴直徑比(4≤H/d≤12)和雷諾數(shù)(4 000≤Red≤12 000)3因素對(duì)努塞爾數(shù)的影響，觀察到?jīng)_擊點(diǎn)和平均努塞爾數(shù)隨著傾角的減小而略有減小。Goldstein等[12]利用液晶技術(shù)研究了從方形噴嘴射出的射流在不同角度(0°≤θ≤50°)沖擊平面時(shí)的局部換熱速率，在板間距與噴嘴直徑比(4≤H/d≤10)和雷諾數(shù)(10 000≤Red≤30 000)的范圍內(nèi)進(jìn)行了試驗(yàn)，得出隨著傾角的增大，沖擊點(diǎn)和平均努塞爾數(shù)減小。Yan等[13]采用預(yù)熱壁瞬變液晶技術(shù)研究了從圓形噴嘴射出的射流沖擊平面時(shí)的傳熱過程，考慮了傾角(0°≤θ≤45°)、板間距與噴嘴直徑比(4.7≤H/d≤12)和雷諾數(shù)(10 000≤Red≤23 000)這3個(gè)因素對(duì)努塞爾數(shù)的影響，得知隨著傾角的增大，沖擊點(diǎn)和平均努塞爾數(shù)略有減小。

對(duì)上述前人的研究進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)：雷諾數(shù)的大小影響了最終的試驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)雷諾數(shù)較小時(shí)，沖擊點(diǎn)和平均努塞爾數(shù)與傾角的大小呈正比；當(dāng)雷諾數(shù)較大時(shí)，沖擊點(diǎn)和平均努塞爾數(shù)與傾角的大小呈反比。但是目前的研究并沒有對(duì)雷諾數(shù)的大、小有一個(gè)準(zhǔn)確的定義，大小之間的臨界區(qū)分值還很模糊，只能知道在10 000左右，所以這方面的內(nèi)容還需進(jìn)一步研究。

圖1 噴嘴傾角示意圖[10]

Choo等[14]研究了噴嘴傾斜角度對(duì)板間距與噴嘴直徑比(H/d)不同系統(tǒng)換熱特性的影響，結(jié)果表明：板間距與噴嘴直徑比(H/d)較小的傳熱特性和板間距與噴嘴直徑比(H/d)較大的有顯著差異；在固定流量下，當(dāng)板間距與噴嘴直徑比較小時(shí)(H/d≤1.0)，沖擊點(diǎn)和平均努塞爾數(shù)隨著傾角的增大而增大，當(dāng)板間距與噴嘴直徑比較大時(shí)(H/d>1.0)，沖擊點(diǎn)和平均努塞爾數(shù)隨著傾角的增大而減小。因此，在沖擊式速凍設(shè)備的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，還應(yīng)該關(guān)注設(shè)備的噴嘴直徑以及噴嘴和鋼帶間距離的大小，根據(jù)具體情況設(shè)計(jì)不同的噴嘴傾角，使平均努塞爾數(shù)達(dá)到最大，實(shí)現(xiàn)換熱速率最快。

2 噴嘴的排列布置對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)傳熱特性的影響

射流沖擊是換熱設(shè)備強(qiáng)化傳熱的一種高性能技術(shù)，它會(huì)在局部傳熱區(qū)域提供快速的冷卻或加熱。但在實(shí)際設(shè)備中，通常傳熱區(qū)域較大，此時(shí)一般采用多次射流沖擊或射流沖擊陣列如圖2所示的順排與錯(cuò)排。通過以往的試驗(yàn)[15]證明，不同的射流沖擊陣列會(huì)對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)的傳熱特性造成影響。

其中，影響沖擊射流在有限空間內(nèi)流動(dòng)和傳熱特性的一個(gè)重要因素是橫流。橫流被定義為垂直于沖擊射流的流體流動(dòng)。它的形成主要有兩個(gè)來源：通過外部流動(dòng)形成，或通過積累廢射流形成。當(dāng)有限空間內(nèi)發(fā)生多個(gè)沖擊射流時(shí)，廢射流從通道的上游到下游不斷累積，導(dǎo)致橫流的流速?gòu)耐ǖ赖纳嫌蔚较掠尾粩嘣黾覽16]。因此，通道下游的橫流流速最大，橫流對(duì)沖擊射流的流動(dòng)和傳熱特性的影響也最為顯著。

由于噴嘴的排列布置對(duì)廢射流的形成和積累有著很大的影響，因此很多研究都致力于找到合適的噴嘴排列布置方式，以減緩橫流對(duì)傳熱特性的影響。Katti等[17]研究了在噴嘴線性排列的情況下，射流陣列沖擊物體表面的傳熱特性。研究結(jié)果表明：當(dāng)噴嘴間距S=4D(其中D為噴嘴直徑)時(shí)，射流向射流的延伸方向上的熱傳導(dǎo)速率大于噴嘴間距S=2D和S=6D時(shí)的熱傳導(dǎo)速率。Waehayee等[15]研究了在板間距與噴嘴直徑比較小時(shí)，噴嘴排列布置對(duì)沖擊射流陣列的影響，試驗(yàn)中噴嘴的排列布置分別采用了線性排列和交錯(cuò)排列(圖2)，并用熱變色液晶片(TLCS)研究了沖擊表面的溫度分布，利用油膜技術(shù)觀察了沖擊表面的流動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)在噴嘴交錯(cuò)排列的情況下，內(nèi)部流場(chǎng)的橫流對(duì)沖擊射流的影響強(qiáng)于噴嘴線性排列的情況，適度的橫流速度反而可以增加沖擊射流的換熱峰值。這是因?yàn)榱鲌?chǎng)中橫流的相互作用，使其在射流沖擊前與射流發(fā)生碰撞，增加了沖擊射流的湍流程度；當(dāng)雷諾數(shù)Red為5 000～13 400時(shí)，線性排列噴嘴的平均努塞爾數(shù)比交錯(cuò)排列的高13%～20%。

張珍等[18]針對(duì)沖擊式速凍設(shè)備內(nèi)部流場(chǎng)特點(diǎn)，利用計(jì)算流體技術(shù)數(shù)值模擬了孔板的開孔率對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)傳熱特性的影響，研究結(jié)果表明：隨著孔板開孔率從2%增大至15%，靜壓箱內(nèi)的風(fēng)速不斷減小，在孔板和隔板間的區(qū)域內(nèi)，壓力分布逐漸均勻，應(yīng)力集中也被減小。其中，孔板的開孔率為5%時(shí)最佳。

由此可知：為減少橫流對(duì)沖擊射流的影響，可以采用噴嘴順排的布置形式，并且開孔率為5%時(shí)，橫流對(duì)有限空間內(nèi)流動(dòng)和傳熱特性的影響最小，沖擊射流與物體表面的換熱強(qiáng)度最大，是比較好的一種噴嘴排列布置形式。

3 噴嘴的形狀對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)傳熱特性的影響

3.1 圓形、矩形和橢圓形噴嘴對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)傳熱特性的影響

Weigand等[19]研究發(fā)現(xiàn)在所有影響沖擊空氣射流傳熱特性的因素中，噴嘴的幾何形狀是非常重要的影響因素之一。Attalla等[20]研究了圓形和矩形噴嘴對(duì)沖擊射流在光滑平面上傳熱強(qiáng)度和傳熱均勻性的影響，結(jié)果表明：圓形噴嘴噴出的沖擊射流與光滑平面間的平均傳熱速率比矩形噴嘴高出約7.8%，但矩形噴嘴噴出的沖擊射流與光滑平面間的傳熱均勻性更好。Vinze等[21]研究了當(dāng)雷諾數(shù)Red在10 000～23 000時(shí)，圓形、矩形和三角形3種噴嘴形狀對(duì)物體表面局部傳熱效率的影響，研究表明：與矩形和三角形噴嘴相比圓形噴嘴噴出的沖擊射流與換熱表面間的努塞爾數(shù)最大。Lee等[22-23]研究了從橢圓型噴嘴噴出的沖擊射流的局部傳熱特性，得出：在射流沖擊區(qū)，從橢圓型噴嘴噴出的射流的努塞爾值比從圓形噴嘴噴出的要高。Caliskan等[24-25]利用熱紅外成像技術(shù)和多普勒激光測(cè)速技術(shù)，研究了多個(gè)不同的橢圓形和矩形沖擊射流陣列在沖擊光滑平面時(shí)的傳熱系數(shù)分布以及流體測(cè)量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)板間距與噴嘴直徑比H/d=2且雷諾數(shù)Red=10 000時(shí)，橢圓形沖擊射流比矩形沖擊射流換熱強(qiáng)度高。Lytle等[26-27]在板間距與噴嘴直徑比(H/d)<1的情況下進(jìn)行了試驗(yàn)，研究了由長(zhǎng)管噴嘴噴出的圓形沖擊射流在平板上的局部傳熱分布，結(jié)果表明：在板間距與噴嘴直徑比(H/d)<0.25時(shí)，最大努塞爾數(shù)從停滯點(diǎn)移到次峰點(diǎn)，并且雷諾數(shù)越高，效應(yīng)越明顯。Dae等[28]研究了噴嘴直徑對(duì)沖擊射流傳熱和流體流動(dòng)的影響，結(jié)果表明，在板間距與噴嘴直徑比(H/d)為0.0～0.5時(shí)，局部努塞爾數(shù)隨噴嘴直徑的增大而增大。

從上述各試驗(yàn)結(jié)果中不難看出，噴嘴的幾何形狀對(duì)沖擊射流與物體表面間的換熱強(qiáng)度起到了很大的影響。在一定條件下，橢圓形噴嘴形成射流的努塞爾數(shù)大于圓形噴嘴和矩形噴嘴；在形狀相同的情況下，噴嘴的規(guī)格又直接影響到了板間距與噴嘴直徑比(H/d)的大小，當(dāng)板間距與噴嘴直徑比(H/d)較小時(shí)，局部努塞爾數(shù)隨噴嘴直徑的增大而增大；而對(duì)于長(zhǎng)管噴嘴噴出的不同形狀的沖擊射流在平板上的局部傳熱分布還有待研究，對(duì)于條縫形噴嘴和漸縮漸放形噴嘴在這一方面的研究也是相對(duì)較少。

3.2 狹縫式噴嘴對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)傳熱特性的影響

狹縫式噴嘴在結(jié)構(gòu)上橫向兩端間隔較小，縱向兩端間隔較大，形如條縫，是一種特殊的噴嘴形狀。狹縫式噴嘴的狹縫寬度影響著射流速度核心區(qū)的長(zhǎng)度[29]。狹縫式射流沖擊系統(tǒng)對(duì)控制目標(biāo)物體表面與流動(dòng)流體之間高能量轉(zhuǎn)移的能力是被大家所共同認(rèn)可的[30]。從節(jié)能的角度來看，由于狹縫式射流沖擊系統(tǒng)具有很高的風(fēng)速，因此采用這種無源技術(shù)來增強(qiáng)能量的傳遞非常有意義。Sarkar等[31-33]研究發(fā)現(xiàn)，沖擊射流的典型特征是包含以下3個(gè)區(qū)域：自由射流區(qū)、停滯區(qū)和壁面射流區(qū)，但只有在停滯區(qū)，射流沖擊表面時(shí)，射流速度突變?yōu)榱?，?dòng)能全部轉(zhuǎn)化為靜壓能，傳熱系數(shù)非常高；而自由射流區(qū)和壁面射流區(qū)的傳熱系數(shù)較低，并且一直得不到改善。狹縫式射流沖擊系統(tǒng)可以加強(qiáng)分布在目標(biāo)表面的傳熱，改善壁面射流區(qū)內(nèi)傳熱系數(shù)較低的情況[34-35]。

Na-Pompet等[36]研究了在停滯區(qū)和壁面射流區(qū)內(nèi)，狹縫通道對(duì)沖擊表面?zhèn)鳠岬挠绊?。有人[37-38]采用計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)湍流流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，旨在通過狹縫通道強(qiáng)化傳熱。結(jié)果表明，對(duì)于狹縫式射流沖擊系統(tǒng)，通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，可以加強(qiáng)目標(biāo)表面的傳熱。這一發(fā)現(xiàn)有利于降低能耗，也有利于拓寬射流的應(yīng)用范圍。Ghaffari等[39-40]研究了狹縫沖擊合成射流的流動(dòng)與傳熱特性，研究發(fā)現(xiàn)：① 在相同的噴射質(zhì)量下，合成射流比穩(wěn)定射流的冷卻效果增強(qiáng)了20%，在相同的出口速度和直徑下，合成射流的冷卻效果也更好；② 板間距與噴嘴直徑比(H/d)在5～10時(shí)，沖擊射流對(duì)表面的換熱最大；③ 在相同雷諾數(shù)的情況下，較高的Stokes數(shù)具有較好的冷卻性能。

通過上述研究，可以得知狹縫式噴嘴是一種出風(fēng)速度較大，形狀特殊的噴嘴。該噴嘴不但加工方便，可以較好地改善壁面射流區(qū)內(nèi)傳熱較差的情況，同時(shí)利用狹縫式噴嘴噴出合成射流也在一定程度上提高了射流與物體表面間的換熱強(qiáng)度，降低了能耗。但是，狹縫式噴嘴與其他形狀噴嘴對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)傳熱特性的影響對(duì)比研究還沒有；此外，對(duì)于其他噴嘴噴出合成射流是否也能達(dá)到提高換熱強(qiáng)度的效果，也需要今后進(jìn)一步研究。

4 沖擊式速凍設(shè)備應(yīng)用情況

沖擊式速凍設(shè)備作為一種高效的新型速凍設(shè)備，正在逐漸被國(guó)內(nèi)外速凍機(jī)廠商所關(guān)注。作為設(shè)備最核心的噴嘴結(jié)構(gòu)也成為了各大速凍機(jī)廠商探究的重點(diǎn)。目前，中國(guó)冰輪集團(tuán)研發(fā)的MJN系列隧道式(網(wǎng)帶)速凍裝置利用了如圖3(a)所示的噴嘴結(jié)構(gòu)，與其前兩代產(chǎn)品相比凍結(jié)時(shí)間縮短30%。星諾冷凍設(shè)備有限公司研發(fā)的TPB系列沖擊式隧道板帶速凍機(jī)則利用了如圖3(b)所示的噴嘴結(jié)構(gòu)，與公司其他設(shè)備相比，流場(chǎng)均勻性更好，凍結(jié)效率提高。南通四方冷鏈裝備股份有限公司研發(fā)的隧道系列凍結(jié)設(shè)備則在圖3(b)的噴嘴結(jié)構(gòu)上多加了一段導(dǎo)流板見圖3(c)。這樣的噴嘴結(jié)構(gòu)增大了氣流流量，減少了凍結(jié)時(shí)間。該設(shè)備特別適用于扁平狀或小塊狀的食品快速凍結(jié)。以上3種型號(hào)的沖擊式速凍設(shè)備是中國(guó)目前使用最多的。但由于噴嘴結(jié)構(gòu)多變，對(duì)氣流影響很大，因此噴嘴結(jié)構(gòu)依然處在不斷優(yōu)化的階段。

圖3 各廠家沖擊式速凍機(jī)噴嘴結(jié)構(gòu)

Figure 3 Nozzle structure of impingement quick-freezing Machine in various factories

5 結(jié)論與展望

沖擊式速凍技術(shù)因?yàn)槟芴岣邇鼋Y(jié)速率、凍品質(zhì)量，因而逐漸受到了關(guān)注和青睞。本文研究了設(shè)備的噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)設(shè)備內(nèi)部換熱情況的影響，得到如下一些結(jié)論：

(1) 板間距與噴嘴直徑比(H/d)的大小對(duì)噴嘴的傾斜角度和平均努塞爾數(shù)之間的關(guān)系起著決定性的作用。當(dāng)比值偏大時(shí)，平均努塞爾數(shù)隨著傾角的增大而減?。划?dāng)比值偏小時(shí)，則隨著傾角的增大而增大。然而H/d的大小是否會(huì)對(duì)其他噴嘴結(jié)構(gòu)因素產(chǎn)生重要影響還需進(jìn)一步研究。

(2) 通常情況下，由于線性排列減少了廢射流的積累，緩解了橫流對(duì)傳熱過程的影響，所以噴嘴線性排列時(shí)的平均努塞爾數(shù)要大于交錯(cuò)排列時(shí)的，傳熱效果更好，凍結(jié)時(shí)間更短。

(3) 目前橢圓形噴嘴噴出的沖擊射流與目標(biāo)壁面之間的換熱強(qiáng)度最大，但是橢圓形噴口最佳的長(zhǎng)短軸之比還要繼續(xù)深入研究。

(4) 狹縫式噴嘴有助于增加壁面射流區(qū)內(nèi)的傳熱強(qiáng)度，較好地解決了除停滯區(qū)以外其他區(qū)域傳熱強(qiáng)度很低的問題，是一個(gè)值得繼續(xù)開發(fā)研究的方向。