上吹浮-下射流交替送風(fēng)冷凍魚數(shù)值分析

◎ 諶文輝，趙日晶，黃 東

（西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，陜西 西安 710000）

隨著生活水平的提高，人們對(duì)食品品質(zhì)的追求越來越高。速凍技術(shù)是保存新鮮食品的關(guān)鍵之一[1]，能最大程度保留食品的營(yíng)養(yǎng)與風(fēng)味，并延長(zhǎng)食品貯藏期。食品速凍技術(shù)是通過低溫環(huán)境使食品在最短時(shí)間內(nèi)通過最大冰晶生成帶（-5～-1 ℃），并且使食品中心溫度迅速降至-18 ℃以下[2]，速凍設(shè)備因此受到廣泛開發(fā)和利用。

沖擊式速凍技術(shù)利用高速射流沖擊食品表面，提高食品與冷凍環(huán)境的傳熱性能，減少食品凍結(jié)時(shí)間，在最大程度上保證食品的品質(zhì)[3-4]。NADERIPOUR等[4]研究了沖擊式射流方式在不同角度下水平圓柱物體傳熱效果，研究表明當(dāng)氣流垂直沖擊圓柱物體時(shí)，其表面局部努塞爾數(shù)（Nu數(shù)）可以達(dá)到峰值，且較射流水平?jīng)_擊圓柱物體而言，垂直沖擊方式可以提高圓柱物體表面的平均Nu數(shù)10%～30%。其中，沖擊式速凍設(shè)備的噴嘴結(jié)構(gòu)是決定凍結(jié)區(qū)內(nèi)流場(chǎng)的重要因素之一，影響著物體與周圍環(huán)境的傳熱。楊大章等[5]設(shè)計(jì)了5種不同形式的條縫噴口，分別對(duì)5種噴口噴射氣流流動(dòng)和換熱特性進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比分析噴射區(qū)域的氣流組織，研究被沖擊的板帶表面的溫度場(chǎng)分布和Nu變化，結(jié)果表明組合式漸縮噴口（V型條縫噴嘴）的氣流組織最佳，噴口出口的流量最大。其中，與平直條縫孔板相比，V型條縫噴嘴沿橫流方向流體流動(dòng)阻力更小，差異性較小，平均Nu數(shù)高，在鋼帶表面的換熱均勻性更強(qiáng)[6]。因此，V型條縫噴嘴冷凍效果最好。

王金鋒等[7]以沖擊式速凍機(jī)的V型條縫噴嘴為研究對(duì)象，研究不同切割比下，改變鋼帶與噴嘴出口間距與條縫寬度之比對(duì)速凍機(jī)凍結(jié)區(qū)域表面換熱特性的影響。舒志濤等[8]采用數(shù)值模擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法，分別從噴嘴出口風(fēng)速、橫流方向風(fēng)速以及Nu數(shù)3個(gè)方面研究了3種不同結(jié)構(gòu)的V型條縫噴嘴對(duì)沖擊式速凍設(shè)備換熱的影響。

隧道式速凍機(jī)是一種沖擊式連續(xù)凍結(jié)裝置，其送風(fēng)冷卻器及送風(fēng)機(jī)一般置于輸送帶的上部或下部，冷風(fēng)由輸送帶的上部或下部垂直吹送，風(fēng)速多為3.5～5.0 m·s-1。

輸送帶分為網(wǎng)狀和帶狀，利用變速裝置調(diào)節(jié)速度來適應(yīng)不同的凍結(jié)時(shí)間。隧道式速凍機(jī)不受食品形狀的限制，因其風(fēng)速大、凍結(jié)速度快的特點(diǎn)被速凍食品企業(yè)而采用。段雪濤等[9]對(duì)隧道式速凍裝置進(jìn)行介紹說明，指出該裝置大多使用軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)速大、凍結(jié)速度快；蒸發(fā)器的融霜采用熱氨和水同時(shí)進(jìn)行，融霜時(shí)間短。樊艷等[10]對(duì)馬鈴薯?xiàng)l在隧道式速凍機(jī)內(nèi)的速凍過程進(jìn)行數(shù)值模擬，其中冷空氣在隧道內(nèi)的流動(dòng)采用側(cè)送側(cè)回的送回風(fēng)方式。張亮等[11]對(duì)隧道式速凍裝置風(fēng)場(chǎng)均衡性進(jìn)行研究。SONGSAENG等[12]將隧道式速凍和平板緩慢冷凍進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明隧道式速凍對(duì)肌肉組織的破壞較小，但對(duì)粗蛋白、粗脂肪和水分等方面的影響并不顯著。

綜上所述，先前的研究多是在單側(cè)送風(fēng)或者上下兩側(cè)同時(shí)送風(fēng)的送風(fēng)模式下，研究不同噴嘴類型及結(jié)構(gòu)對(duì)于冷凍食品的降溫效果及均勻性，且冷凍食品多為蝦類。本文以隧道速凍機(jī)為研究對(duì)象，噴嘴類型選取冷凍效果最好的V型條縫噴嘴，送風(fēng)模式設(shè)計(jì)為上吹浮-下射流交替送風(fēng)，即頂部送風(fēng)方式為下射流，底部送風(fēng)方式為上吹浮，射流方式皆為垂直沖擊。在此基礎(chǔ)上，對(duì)4種交替周期下的交替送風(fēng)工況以及單側(cè)送風(fēng)、上下兩側(cè)同時(shí)送風(fēng)工況進(jìn)行數(shù)值模擬研究，對(duì)比分析交替送風(fēng)模式的冷凍效果，并研究交替周期對(duì)于魚冷凍效果的規(guī)律，以尋求最優(yōu)交替周期。

1 模型建立

1.1 物理模型

為簡(jiǎn)化幾何模型，本次模擬只考慮隧道式速凍設(shè)備核心——上下兩側(cè)送風(fēng)方式對(duì)魚凍結(jié)過程的影響，不考慮速凍機(jī)內(nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn)情況，故只對(duì)單個(gè)魚體及其周圍流體區(qū)域進(jìn)行建模。如圖1所示，對(duì)隧道式速凍機(jī)流場(chǎng)部分進(jìn)行劃分微元，以單個(gè)魚體及其周圍流體空間為一個(gè)微元，以便于對(duì)上下送風(fēng)交替模式進(jìn)行研究。假設(shè)魚體的堆積較為寬松，魚體上表面與頂部送風(fēng)口距離為128 mm，下表面緊貼底部送風(fēng)口，魚頭與左側(cè)空間間隔80 mm，魚尾與右側(cè)空間間隔80 mm，魚身與前后兩側(cè)的間隔均為32 mm。圖2為魚體結(jié)構(gòu)尺寸示意圖，通過實(shí)物測(cè)量，給定魚頭、魚身、魚尾等各部位尺寸。

圖1 單個(gè)魚體及其周圍流體區(qū)域模型圖

圖2 魚體結(jié)構(gòu)尺寸圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

為簡(jiǎn)化數(shù)值模型，對(duì)模型提出一些假設(shè)：①魚的初始溫度均勻一致，且送風(fēng)溫度保持不變。②計(jì)算域中的流體視為牛頓流體，計(jì)算符合Boussinesq假設(shè)，忽略黏性耗散項(xiàng)，認(rèn)為流體密度只隨溫度變化，除密度之外的其他物性為常數(shù)。③湍流流動(dòng)符合k-ε湍流模型。④魚的內(nèi)部只靠導(dǎo)熱進(jìn)行熱傳遞，且魚表面對(duì)流換熱系數(shù)保持不變。⑤整個(gè)凍結(jié)過程，魚的物性保持不變。

根據(jù)假設(shè)，計(jì)算域內(nèi)的流場(chǎng)溫度場(chǎng)以及濃度場(chǎng)的計(jì)算需要用到質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程以及能量守恒方程。

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

X方向：

Y方向：

Z方向：

能量守恒方程：

k-ε方程：

其中：

上述方程中引入c1、c2、cμ3個(gè)系數(shù)以及σT、σk、σε3個(gè)常數(shù)一般取經(jīng)驗(yàn)值，如表1。

表1 控制方程中各經(jīng)驗(yàn)參數(shù)取值表

1.3 計(jì)算參數(shù)的設(shè)置

從文獻(xiàn)中查閱魚體的相關(guān)物性，定壓比熱容取 3.66 kJ·kg-1，導(dǎo) 熱 系 數(shù) 為0.49 W·m-1·K-1，密 度 為 1 006 kg·m-3[13]?；谑袌?chǎng)調(diào)研和文獻(xiàn)整理得到較優(yōu)的風(fēng)速/溫度組合[14]，將上吹浮風(fēng)速設(shè)定為5 m·s-1， 下射流溫度設(shè)定為10 m·s-1，送風(fēng)溫度取-30 ℃，魚的初始溫度取20 ℃，四周壁面均設(shè)為絕熱邊界條件。由于該模型較為簡(jiǎn)單，網(wǎng)格數(shù)為21萬，且網(wǎng)格最大傾斜度為0.7，質(zhì)量較好。湍流模型選擇為k-εstandard，method選擇為SIMPLE、一階迎風(fēng)。能量方程收斂精度設(shè)置為10×10-6，其他方程收斂精度為10×10-3，瞬態(tài)模型時(shí)間步長(zhǎng)為5 s。

基于該送風(fēng)參數(shù)，對(duì)典型漁獲物的交替送風(fēng)冷凍過程進(jìn)行多工況數(shù)值研究，按交替周期不同分為4種工況，分別為1.0 min、2.5 min、4.0 min和5.0 min。并且與單側(cè)送風(fēng)、上下同時(shí)送風(fēng)進(jìn)行對(duì)比。其中，單側(cè)送風(fēng)工況總送風(fēng)時(shí)長(zhǎng)為10.0 min，而上下同時(shí)送風(fēng)與各交替送風(fēng)工況的總送風(fēng)時(shí)長(zhǎng)皆為20.0 min，以便客觀地比較不同送風(fēng)方式對(duì)魚的降溫效果與均勻性。

2 結(jié)果與分析

對(duì)魚體在上述模型下的冷凍過程進(jìn)行數(shù)值仿真，送風(fēng)模式分別取單側(cè)送風(fēng)、上下同時(shí)送風(fēng)（對(duì)沖）、上下交替送風(fēng)（1.0 min、2.5 min、4.0 min和5.0 min交替周期），共6種送風(fēng)工況。在上述送風(fēng)模式下，魚體中心截面的溫度云圖如圖3～8所示。其中，為方便比較各送風(fēng)工況下的魚體冷凍效果，在相同魚體中心位置計(jì)算其溫度，該位置如圖中球標(biāo)所示。

圖3 上側(cè)單獨(dú)送風(fēng)10 min魚體溫度變化圖

圖5 上下交替送風(fēng)20 min魚體溫度變化 （5.0 min交替周期）圖

圖6 上下交替送風(fēng)20 min魚體溫度變化（4.0 min交替周期）圖

圖7 上下交替送風(fēng)20 min魚體溫度變化（2.5 min交替周期）圖

圖8 上下交替送風(fēng)20 min魚體溫度變化（1.0 min交替周期）圖

對(duì)比圖3～8中魚體溫度云圖可知：上下兩側(cè)交替送風(fēng)模式下，魚體豎直方向上的溫度均勻性總體最好，魚體的中心溫度點(diǎn)處于最內(nèi)圈紅色區(qū)域的中心位置；單側(cè)送風(fēng)時(shí)溫度均勻性次之；而兩側(cè)同時(shí)送風(fēng)時(shí)，溫度均勻性反而最差，這可能是由于兩側(cè)同時(shí)送風(fēng)模式下，上下兩股空氣在空間內(nèi)形成對(duì)沖，上面的送風(fēng)口離魚體較遠(yuǎn)，能吹到魚體的流量較小，導(dǎo)致魚體上表面溫度整體較高。

如圖9所示，將圖3～8中所獲取的魚體中心位置處溫度和時(shí)間關(guān)系制成曲線圖，以對(duì)比送風(fēng)模式對(duì)魚體凍速的影響。如1.3節(jié)所述，單側(cè)送風(fēng)的總送風(fēng)時(shí)長(zhǎng)為10 min，兩側(cè)送風(fēng)（同時(shí)或交替）均為20 min。

單側(cè)送風(fēng)總體而言溫度最高（盡管單側(cè)送風(fēng)10 min時(shí)，總風(fēng)量比上、下交替送風(fēng)10 min的總風(fēng)量要大），由于單側(cè)送風(fēng)魚體只能自上表面往下表面逐漸冷卻，下表面不能有效得到冷凍，整體溫度均勻性較差，冷凍效率較低；而兩側(cè)同時(shí)送風(fēng)時(shí)，盡管風(fēng)量實(shí)際是交替送風(fēng)模式下的2倍，但冷凍至20 min時(shí)，魚體中心溫度僅比5.0 min和4.0 min交替周期下略低，比2.5 min和1.0 min交替周期下高。由于上下同時(shí)送風(fēng)時(shí)，兩股氣流會(huì)在冷凍空間的中部對(duì)沖，自上往下流動(dòng)的氣流不能有效達(dá)到魚體表面（而這股氣流的速度和流量反而較大），因此凍速反而降低?？傮w而言，交替送風(fēng)模式更為有效和經(jīng)濟(jì)。

對(duì)比不同送風(fēng)周期下魚體的溫度變化，發(fā)現(xiàn)交替周期越小，魚體冷卻效果越好。5.0 min交替周期下，魚體中心溫度最終為-3.530 ℃；4.0 min交替周期下，魚體中心溫度最終為-4.663 ℃；2.5 min交替周期下，魚體中心溫度最終為-7.357 ℃；1.0 min交替周期下，魚體中心溫度最終為-13.286 ℃。可見，隨交替周期減小，魚體中心溫度降低，并且降低速凍呈拋物線式，如圖10所示，故在制冷系統(tǒng)能效允許的范圍內(nèi)，交替周期越小越好。

圖10 不同交替周期下魚體中心溫度最終值圖

3 結(jié)論

綜上分析，得出上下交替送風(fēng)冷凍魚體的一般規(guī)律：①就魚體豎直方向上的溫度均勻性而言，上下兩側(cè)交替送風(fēng)模式最好；單側(cè)送風(fēng)次之；兩側(cè)同時(shí)送風(fēng)最差。②就魚體冷凍效果而言，單側(cè)送風(fēng)溫度最高，效果最差；兩側(cè)同時(shí)送風(fēng)冷凍效果次之；交替送風(fēng)效果最優(yōu)，該送風(fēng)模式更為有效，經(jīng)濟(jì)效益最好。③隨交替周期減小，魚體中心溫度降低，并且降低速凍呈拋物線式，故在制冷系統(tǒng)能效允許的范圍內(nèi)，交替周期越小越好。④因魚體緊貼隧道速凍機(jī)表面，離上送風(fēng)口較遠(yuǎn)，下送風(fēng)口較近，因此下射流風(fēng)速應(yīng)適當(dāng)高于上吹浮風(fēng)速，具體數(shù)值有待試驗(yàn)矯正。⑤魚體冷凍過程存在較大的溫度梯度，降低該溫度梯度的措施應(yīng)該有助于降低魚體中心溫度，提高冷凍效果。