速凍設(shè)備內(nèi)部流場(chǎng)優(yōu)化

王廣夫，趙 楠，李 琛

（1.海裝沈陽局駐大連地區(qū)第一軍事代表室，遼寧大連 116001；2.海裝上海局駐上海地區(qū)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(duì)于食品品質(zhì)的要求也越來越高。速凍是一種迅速冷卻食品并能較長時(shí)間保證食品品質(zhì)的方法[1,2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年速凍產(chǎn)品的產(chǎn)量至少有1 500萬噸，每年的增長率在10%～30%之間[3]。與之相應(yīng)的是我國速凍設(shè)備的生產(chǎn)也處于快速發(fā)展時(shí)期，雖然我國已經(jīng)能夠生產(chǎn)各類的速凍設(shè)備，但是目前國產(chǎn)設(shè)備仍然存在著能量消耗大、生產(chǎn)效率低等問題[4,5]。

速凍設(shè)備的種類繁多，常見的有板帶式、螺旋式、上下沖擊式、流態(tài)化和液氮式速凍機(jī)[6,7]。速凍設(shè)備的性能與食品凍結(jié)品質(zhì)直接相關(guān)。本文從速凍設(shè)備入口結(jié)構(gòu)和通道結(jié)構(gòu)2個(gè)方面，綜述了孔板結(jié)構(gòu)、射流沖擊、通道形狀和導(dǎo)流技術(shù)對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)的平均速度、均勻性和傳熱效果等的影響。

1 入口結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)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(duì)流傳熱方法高。該技術(shù)引導(dǎo)高速空氣射流破壞食物表面的邊界層，強(qiáng)化傳熱，大大減少凍結(jié)時(shí)間[10,11]，是最有效、最靈活的局部冷卻技術(shù)之一。射流的流動(dòng)模式可以化分為3個(gè)部分：自由射流區(qū)、碰撞或停滯區(qū)和貼壁射流區(qū)。其中，自由射流區(qū)又可以分為3個(gè)區(qū)域：潛在核心區(qū)、發(fā)展流動(dòng)區(qū)和發(fā)展完全流動(dòng)區(qū)[12,13]。潛在核心區(qū)是指沒有漩渦的流動(dòng)區(qū)域。潛在核心長度被定義為從噴嘴出口到中心線速度點(diǎn)的長度。潛在核心區(qū)的存在會(huì)導(dǎo)致在停滯區(qū)形成較小程度的渦，在貼壁射流區(qū)中轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?，這將導(dǎo)致產(chǎn)品表面上的傳熱系數(shù)出現(xiàn)多個(gè)峰值，平均傳熱系數(shù)較低。橫流被定義為在與沖擊射流垂直方向上的流體流動(dòng)，可以通過外部射流或者用過的射流積累形成。橫流效應(yīng)會(huì)對(duì)撞擊表面的傳熱產(chǎn)生不良的影響，為了實(shí)現(xiàn)有效的傳熱，橫流效應(yīng)必須最小化[14-16]。

在速凍設(shè)備中，冷空氣通常由孔或者噴嘴進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，這兩種結(jié)構(gòu)會(huì)造成內(nèi)部流場(chǎng)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(duì)流體流動(dòng)和傳熱特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，單噴嘴結(jié)構(gòu)下的潛在核心長度更長，單孔結(jié)構(gòu)下的湍流度更大。對(duì)于單噴嘴結(jié)構(gòu)，當(dāng)噴嘴長度L和噴嘴直徑D的比值從0增加到4時(shí)，停滯努塞爾數(shù)增大，當(dāng)L/D＞4時(shí)，停滯努塞爾數(shù)減小。對(duì)于單孔結(jié)構(gòu)，停滯努塞爾數(shù)單調(diào)遞減。因?yàn)橹行木€速度和湍流強(qiáng)度的影響，單孔結(jié)構(gòu)在L/D的比值較低時(shí)，有較高的停滯值。對(duì)于單孔和單排孔，當(dāng)L/D≤2或者L/D≥6時(shí)，傳熱效果較好。對(duì)于單噴嘴和單排噴嘴，當(dāng)L/D＝4時(shí)，平板表面具有最大的傳熱量。由此可見，孔和噴嘴結(jié)構(gòu)在一定的條件下，都可以使得設(shè)備內(nèi)部有較好的傳熱效果，可以根據(jù)L/D的比值來具體選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)。在實(shí)際運(yùn)用中，一般不選擇單孔或者單噴嘴結(jié)構(gòu)，而是采用一個(gè)陣列的孔或者噴嘴。

1.1 孔板結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)的影響

針對(duì)孔板結(jié)構(gòu)，孔的數(shù)量、排列和形狀影響著通過孔板的氣流的質(zhì)量和速度[18]。張珍等[19]試驗(yàn)了上下沖擊式凍結(jié)裝置中不同的孔板開孔率，發(fā)現(xiàn)出口開孔率越大（2%～15%），風(fēng)速越低，靜壓箱內(nèi)壓力分布越均勻，從而降低了隔板和孔板之間形成的區(qū)域的應(yīng)力，能夠更好的保護(hù)設(shè)備結(jié)構(gòu)。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)得出：要使凍結(jié)食品的中心溫度達(dá)到?18℃甚至更低，孔板的開孔率應(yīng)保持在5%[19]。劉貴慶等[20]試驗(yàn)了液氮噴淋流態(tài)化速凍裝置中布風(fēng)板的開孔率，發(fā)現(xiàn)在進(jìn)口速度不變的情況下，開孔率減少，風(fēng)機(jī)功率增大；布風(fēng)板的開孔率應(yīng)保持在38.5%。除了孔的數(shù)量外，孔的排列也會(huì)影響設(shè)備內(nèi)部的傳熱特性。Phuekpan等[21]將板帶式速凍機(jī)孔板上孔的菱形排列改變?yōu)槲遄中闻帕校治隽税蹇壮隹诘钠骄魉?，發(fā)現(xiàn)平均速度能提高60%。Waehayee等[22]研究了交錯(cuò)排列和線性排列的孔的傳熱特性，發(fā)現(xiàn)橫流容易通過線性排列的噴嘴的間距，而交錯(cuò)排列的噴嘴阻斷了橫流的通過。適當(dāng)?shù)臋M流速度可以提高射流沖擊傳熱的峰值，是因?yàn)榻徊媪鲃?dòng)相互碰撞，增加了射流沖擊的湍流強(qiáng)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(dòng)量低，峰值熱傳遞減小。交錯(cuò)排列噴嘴的射流作用強(qiáng)于線性排列的噴嘴，線性布置的平均努塞爾數(shù)大約比交錯(cuò)布置的大13%～20%。Nuntadusit等[24]研究了孔的幾何形狀和射流布置對(duì)內(nèi)部傳熱的影響，對(duì)比了孔的長寬比（AR）為1、4和8這3種情況的傳熱特性。發(fā)現(xiàn)線性布置的射流陣列的努塞爾數(shù)比交錯(cuò)布置的高。當(dāng)AR＝4時(shí)，特別在線性布置的射流陣列中，下游噴口被橫流遮蔽。當(dāng)AR＝8時(shí)，每個(gè)噴口在其圓周與沿軸向方向的橫流之間接觸較多，導(dǎo)致與AR＝4相比橫流動(dòng)效應(yīng)增加，但是比在AR＝1時(shí)小。在線性布置中，AR＝4、AR＝8時(shí)的平均努塞爾數(shù)分別比AR＝1的情況高6.04%和5.54%。由此可見，孔的形狀也會(huì)對(duì)內(nèi)部氣流組織產(chǎn)生一定的影響。Dano等[25]對(duì)比了圓形孔和尖橢圓孔的射流流量系數(shù)，發(fā)現(xiàn)尖橢圓射流的流量系數(shù)增加了13%～20%。在尖橢圓噴射的情況下，射流向下游移動(dòng)時(shí)，橫流的相互作用導(dǎo)致射流在沖擊點(diǎn)處的聚集。傳熱速率在停滯點(diǎn)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(diǎn)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(shù)。因此，適當(dāng)?shù)目讛?shù)量、排列和形狀，才能有利于設(shè)備內(nèi)部的傳熱。

1.2 噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)的影響

針對(duì)噴嘴結(jié)構(gòu)，陣列噴嘴與單個(gè)噴嘴主要有2點(diǎn)不同：1）相鄰的噴嘴會(huì)相互干擾；2）貼壁射流與相鄰的噴嘴有關(guān)。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(qū)與渦的存在[26,27]。Sarkar 等[12]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)L/D≥6時(shí)，出口處的流場(chǎng)分布會(huì)更加均勻，能耗更低。當(dāng)6≤H/D≤8時(shí)，潛在核心區(qū)完全衰減，并且沒有產(chǎn)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(jìn)行了范圍在15°～75°的傾斜射流沖擊實(shí)驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn)，15°的傾斜射流會(huì)導(dǎo)致平均努塞爾數(shù)很低，同時(shí)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(guān)注噴嘴本身外，噴射板尺寸也會(huì)對(duì)射流的傳熱特性也有一定的影響。San 等[29,30]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)噴射板上只有一個(gè)噴嘴時(shí)，停滯努塞爾數(shù)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(jié)果表明，停滯努塞爾數(shù)受W/D的影響程度強(qiáng)于L/D。在潛在核心區(qū)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(qiáng)度增加，導(dǎo)致停滯努塞爾數(shù)增加。當(dāng)噴射板上有五個(gè)噴嘴時(shí)，中心射流具有固定的雷諾數(shù)，停滯努塞爾數(shù)幾乎隨著四個(gè)相鄰射流的雷諾數(shù)而線性增加。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示停滯努塞爾數(shù)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(shù)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(jié)果表明，在優(yōu)化陣列噴嘴中的射流傳熱特性時(shí)，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(duì)于傳統(tǒng)的陣列射流，因?yàn)闄M流干擾了下流端的射流，使得湍流強(qiáng)度增大，因此停滯區(qū)域的傳熱傳質(zhì)系數(shù)增大[31]。然而，因?yàn)闊徇吔鐚釉跈M流中發(fā)展，流動(dòng)形式類似于管流，所以中間區(qū)域的傳熱傳質(zhì)系數(shù)下降，傳熱傳質(zhì)系數(shù)在整個(gè)射流表面不均勻。這種不均勻性會(huì)對(duì)平板產(chǎn)生熱應(yīng)力。為了減少橫流流動(dòng)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(fā)現(xiàn)對(duì)于沒有噴孔的沖擊射流，當(dāng)噴嘴距平板的距離H與噴嘴直徑D的比值H/D≤2.0時(shí)，由于回流空氣的存在和熱邊界層的發(fā)展，中間區(qū)域處的熱量傳遞系數(shù)降低。當(dāng)H/D≥4.0時(shí)，由于流動(dòng)的橫截面面積較大，橫流對(duì)于平板上的熱量和質(zhì)量傳遞影響很小。對(duì)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?yàn)榛亓骺諝馔ㄟ^噴射板上的孔排出。因此，當(dāng)H/D＜2.0時(shí)，熱量和質(zhì)量傳遞明顯增加，并且當(dāng)H/D＝0.5、H/D＝1.0時(shí)，增值分別高于沒有噴孔的增值的60%和20%。當(dāng)H/D≥4.0時(shí)，有噴孔的熱量傳遞系數(shù)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(yōu)化設(shè)計(jì)主要是為了減小橫流的不利影響。

2 通道結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)的影響

2.1 通道形狀對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)的影響

速凍設(shè)備內(nèi)部只有保持一定的平均速度，才能將食品在較短時(shí)間內(nèi)凍結(jié)，并且保證凍結(jié)食品的品質(zhì)，這就對(duì)速凍設(shè)備的通道結(jié)構(gòu)提出了一定的要求。當(dāng)入口速度保持不變時(shí),不同的通道形狀會(huì)呈現(xiàn)出不同的氣流分布。Phuekpan 等[21]通過調(diào)整板帶式速凍機(jī)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(jié)合液氮噴霧式流態(tài)化食品速凍機(jī)內(nèi)冷風(fēng)道的結(jié)構(gòu)特征，對(duì)比了2種不同的風(fēng)道形狀，研究發(fā)現(xiàn)用圓弧彎管改進(jìn)之后的風(fēng)道模型，能使氣流分布更加均勻。

不同的速凍設(shè)備，對(duì)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(jìn)而使得凍結(jié)過程能順利進(jìn)行，保證凍結(jié)食品的質(zhì)量。

2.2 導(dǎo)流設(shè)備對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)的影響

為解決國產(chǎn)速凍設(shè)備能耗大，效率低的問題，主要需要改善內(nèi)部流場(chǎng)的均勻性。導(dǎo)流設(shè)備是通過在通道內(nèi)增設(shè)一塊板，改變或阻隔氣流的流動(dòng)，達(dá)到使內(nèi)部流場(chǎng)分布更加均勻的目的。段雪濤等[32]在板帶式速凍設(shè)備平板上方0.1 m處增設(shè)一個(gè)水平柵格，該設(shè)備進(jìn)出風(fēng)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(jī)的產(chǎn)量。梁亞星等[33]在液氮噴霧式流態(tài)化食品速凍機(jī)風(fēng)道的彎道處安裝導(dǎo)流板，發(fā)現(xiàn)入口風(fēng)速對(duì)流場(chǎng)的影響變小，流場(chǎng)分布更加均勻。

在螺旋速凍設(shè)備中，若進(jìn)出口在同一側(cè)，則從入口進(jìn)入的部分冷空氣在進(jìn)入螺旋隧道之前就直接從出口排出，引起了氣流短路，導(dǎo)致在凍結(jié)區(qū)內(nèi)的空氣流速較低。為了提高空氣流速，可以適當(dāng)提高非凍結(jié)通道的流動(dòng)阻力。Huan 等[34]通過在進(jìn)出口附近的非凍結(jié)區(qū)域內(nèi)增設(shè)堵塞板，隨著堵塞板寬度的增加，非凍結(jié)區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)阻力增加，凍結(jié)區(qū)域內(nèi)的空氣流速增加。同時(shí)，在非凍結(jié)區(qū)域內(nèi)增設(shè)導(dǎo)流板，將非凍結(jié)區(qū)域的氣流引導(dǎo)至凍結(jié)區(qū)域，隨著導(dǎo)流板寬度的增加，平均風(fēng)速增加。通過增設(shè)氣流堵塞板和導(dǎo)流板，在不增加初投資的情況下，使凍結(jié)區(qū)域內(nèi)的平均風(fēng)速提高了2.5倍～2.7倍，速凍時(shí)間減少了78%～85%，速凍機(jī)能源利用效率和產(chǎn)量增加了18%～28%左右。陳和平等人[35]在螺旋速凍設(shè)備中的同一地方增設(shè)氣流隔板和導(dǎo)流板，發(fā)現(xiàn)凍結(jié)區(qū)內(nèi)平均速度增長了172.4%。陳和平等人用鮮豆腐作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行驗(yàn)證，速凍時(shí)間減少了80%，速凍機(jī)能量利用率增長了25%。

在上下沖擊式速凍設(shè)備中，靜壓箱內(nèi)流場(chǎng)分布普遍比較均勻，但是在靜壓箱的側(cè)壁面和隔板形成的通向向下均風(fēng)板的通道中，由均風(fēng)孔板和隔板形成的拐角處易出現(xiàn)大小不一的漩渦，均勻性變差[36]。張珍等[36]發(fā)現(xiàn)在上下均風(fēng)孔板和隔板的四個(gè)連接處都加設(shè)導(dǎo)流板，可以使風(fēng)速分布更加均勻,且有利于保護(hù)設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)。還能加大隔板和網(wǎng)帶側(cè)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(shè)備內(nèi)部流場(chǎng)分布不均勻外，料口處的跑冷現(xiàn)象也是影響速凍機(jī)生產(chǎn)效率的主要原因之一。速凍設(shè)備大多為連續(xù)生產(chǎn)，進(jìn)出料口直接與外界相通，由于設(shè)備內(nèi)外溫度差導(dǎo)致了冷風(fēng)外泄。冷風(fēng)外泄使熱空氣進(jìn)入設(shè)備內(nèi)，加強(qiáng)了設(shè)備內(nèi)外的熱質(zhì)交換。熱空氣使得設(shè)備內(nèi)冷負(fù)荷增大，能耗增大，生產(chǎn)效率減小[37]。在整個(gè)設(shè)備內(nèi)部的氣流組織中，料口處和凍結(jié)區(qū)的流場(chǎng)是互相干擾的。毛力等[38]研究螺旋式速凍機(jī)內(nèi)氣流組織時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)機(jī)送風(fēng)風(fēng)速不變時(shí),隨著設(shè)備內(nèi)部溫度的降低，設(shè)備內(nèi)外的溫差增大，出風(fēng)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(jìn)出風(fēng)料口處氣流的速度。陸蓓蕾等[39-40]發(fā)現(xiàn)在螺旋式速凍機(jī)中，若在出風(fēng)料口的遮流板處于最佳位置，因跑冷而產(chǎn)生的能量損失比在進(jìn)風(fēng)料口處減少了17%，比不加遮流板時(shí)減少了27.5%。這說明對(duì)出風(fēng)口加設(shè)遮流板比對(duì)進(jìn)風(fēng)口的更能減少跑冷現(xiàn)象。鄭志皋等[41]發(fā)現(xiàn)在液氮式速凍機(jī)風(fēng)道出口處增設(shè)整流網(wǎng)，可以增大出口風(fēng)速的均勻性，從而提高食品的凍結(jié)質(zhì)量[41]。

通過增設(shè)導(dǎo)流板、柵格或者堵塞板等配件來改變或阻隔氣體的流動(dòng)，在沒有產(chǎn)生額外的能耗的前提下，增加了凍結(jié)區(qū)的平均流速和速凍機(jī)的生產(chǎn)能力。在速凍設(shè)備進(jìn)出料口增設(shè)整流網(wǎng)還可以減少跑冷，提高能量使用率。

3 結(jié)論

速凍設(shè)備的流場(chǎng)直接影響著設(shè)備的能量效率和食品的凍結(jié)品質(zhì)。本文從入口結(jié)構(gòu)和通道結(jié)構(gòu)分析了不同速凍設(shè)備內(nèi)氣流組織對(duì)食品凍結(jié)速度的影響?？缀蛧娮焓浅Ｒ姷?種入口結(jié)構(gòu)?？椎臄?shù)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(huì)影響設(shè)備內(nèi)部的流場(chǎng)分布。適當(dāng)?shù)目讛?shù)、噴嘴尺寸、射流傾斜角度、噴射板尺寸是為了保證設(shè)備內(nèi)有合適的射流速度?？缀蛧娮斓呐帕?、孔的形狀和噴孔的設(shè)計(jì)是為了減小橫流對(duì)射流沖擊的影響。適當(dāng)?shù)耐ǖ澜Y(jié)構(gòu)是為了保持通道中有一定的平均速度，保證食品的凍結(jié)品質(zhì)。通過增設(shè)導(dǎo)流裝置，改變氣流的流動(dòng)方向，增加了凍結(jié)區(qū)的平均流速，減少了跑冷現(xiàn)象，同時(shí)不需要額外的能耗，反而增加了速凍機(jī)的產(chǎn)量。這些方案主要都是先考慮內(nèi)部流場(chǎng)的均勻性，再考慮適當(dāng)提高通道內(nèi)平均速度，達(dá)到增強(qiáng)傳熱效果，提高速凍設(shè)備工作性能，提高凍結(jié)食品品質(zhì)的目的。

目前對(duì)速凍設(shè)備內(nèi)部流場(chǎng)優(yōu)化的研究中，還存在一些問題需要深入探討：

1）在導(dǎo)流板長度、厚度以及曲率半徑的確定上還缺乏理論數(shù)據(jù)。

2）大部分速凍設(shè)備中的孔板均是水平的，對(duì)于孔板形狀、設(shè)置角度等對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)影響的研究還比較少。