送風(fēng)速度對結(jié)球生菜壓差預(yù)冷性能的影響

張忠星，張?jiān)迄i，王旭榮，范中陽*

（1.寧波農(nóng)副產(chǎn)品物流中心有限公司，浙江 寧波 315000；2.浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司，浙江 杭州 310000）

當(dāng)前對結(jié)球生菜的采后研究多集中于通過實(shí)驗(yàn)探索其保鮮方式及參數(shù)，如呂艷春[3]研究了不同貯藏溫度對結(jié)球生菜葉片采后食用品質(zhì)的影響，實(shí)驗(yàn)表明低溫貯藏可顯著延緩結(jié)球生菜品質(zhì)的下降。饒先軍[4]研究了壓差預(yù)冷和冷庫預(yù)冷對結(jié)球生菜的預(yù)冷效果影響，結(jié)果表明，壓差預(yù)冷的預(yù)冷速度和品質(zhì)都優(yōu)于冷庫預(yù)冷。盧裕億[5]研究了延遲冷卻對結(jié)球生菜預(yù)冷速率及冷鏈流通品質(zhì)的影響，實(shí)驗(yàn)得出結(jié)球生菜采后及時預(yù)冷可最大限度地保持菜品原有品質(zhì)和新鮮度，減少水分流失。然而實(shí)驗(yàn)方法一般很難預(yù)測或獲取塑料筐內(nèi)部空氣流動形式、預(yù)冷結(jié)球生菜自身溫度的變化過程，且實(shí)驗(yàn)中農(nóng)產(chǎn)品被反復(fù)實(shí)驗(yàn)、測量、擺放，導(dǎo)致其物性參數(shù)波動較大，實(shí)驗(yàn)周期較長，不易得到推廣應(yīng)用，而數(shù)值模擬的研究方法可有效避免反復(fù)試驗(yàn)對農(nóng)產(chǎn)品相關(guān)物性參數(shù)的影響，節(jié)省大量人力物力[6-7]。一些學(xué)者利用計算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）模擬和分析了包裝箱結(jié)構(gòu)內(nèi)冷氣流分布以及農(nóng)產(chǎn)品的傳熱[8]、傳質(zhì)過程[9]，并驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性與使用CFD 數(shù)值模擬方法在預(yù)測冷空氣流動、傳熱和傳質(zhì)現(xiàn)象時的可行性、可靠性[10-15]。因此相比實(shí)驗(yàn)，利用CFD 數(shù)值模擬方法對結(jié)球生菜的預(yù)冷過程進(jìn)行仿真計算，對于快速獲取結(jié)球生菜預(yù)冷過程的傳熱數(shù)據(jù)、了解其換熱狀態(tài)參數(shù)具有積極的意義。

因此，本文采用數(shù)值模擬的研究方法，以市場實(shí)際應(yīng)用的塑料筐和結(jié)球生菜為研究對象，對不同送風(fēng)速度下筐裝結(jié)球生菜預(yù)冷過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同送風(fēng)速度下結(jié)球生菜的預(yù)冷效果及換熱過程，以期對結(jié)球生菜的實(shí)際預(yù)冷操作提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

風(fēng)速儀，TSI9545-A，范圍：0～30 m/s，精度：±3%，美國TSI（Trust Science Innovation）公司；無線多點(diǎn)測溫儀，范圍：-20～80 ℃，精度：±0.3 ℃，北京市農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心；電子計價秤ACS-30 范圍：0.2～30 kg，檢定分度值：10 g，凱豐集團(tuán)有限公司。

塑料筐外形尺寸為600 mm×400 mm×350 mm，每個筐里上下兩排擺放16 個結(jié)球生菜，每個結(jié)球生菜平均質(zhì)量為（600±20）g，平均直徑約為（150±5）mm，如圖1所示。

圖1 生菜擺放位置及大小Fig.1 The size and stacking pattern of lettuces

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)在盾安實(shí)驗(yàn)中心冷庫搭建的壓差預(yù)冷試驗(yàn)臺進(jìn)行，將裝滿結(jié)球生菜的塑料筐放置于冷庫的差壓預(yù)冷風(fēng)道內(nèi)（圖2），為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，在制冷過程中冷庫保持封閉狀態(tài)，溫度保持在2 ℃，在預(yù)冷實(shí)驗(yàn)之前先打開風(fēng)機(jī)驅(qū)使通風(fēng)道內(nèi)部氣流循環(huán)流通，將通道內(nèi)部溫度降到2 ℃。實(shí)驗(yàn)開始時，啟動差壓風(fēng)機(jī)，在塑料筐兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，使冷空氣通過堆積的結(jié)球生菜，達(dá)到冷卻的目的。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖及溫度傳感器布置Fig.2 Structure diagram of experimental setup and temperature sensor deployment

如圖2 所示，考慮到上下兩層菜品的對稱性，對迎風(fēng)面的F2 和背風(fēng)面的S6 中心溫度進(jìn)行監(jiān)測。在菜品（F2和S6）中心插有K 型熱電偶探頭實(shí)時記錄預(yù)冷過程中菜品的溫度，風(fēng)速儀測量塑料筐迎風(fēng)面處的風(fēng)速。實(shí)驗(yàn)過程中，無線多點(diǎn)測溫儀每隔1 min 接收1 次溫度數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)值模擬

1.3.1 物理模型與網(wǎng)格劃分

大數(shù)據(jù)時代的到來，雖然給企業(yè)帶來了巨大的發(fā)展機(jī)遇，但同時也帶來了一系列的信息安全問題?，F(xiàn)階段，隨著互聯(lián)網(wǎng)科技的不斷發(fā)展，企業(yè)信息極易受到來自人為、黑客、病毒以及自然災(zāi)害等各個方面的入侵，進(jìn)而導(dǎo)致企業(yè)檔案信息、商業(yè)機(jī)密泄露、信息系統(tǒng)癱瘓、數(shù)據(jù)丟失，這會給企業(yè)帶來不可逆轉(zhuǎn)的危害。在這種情況下，企業(yè)管理人員就必須要充分地重視起這一問題，創(chuàng)新管理模式，最大限度地確保企業(yè)信息數(shù)據(jù)安全，為企業(yè)接下來的發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。

結(jié)球生菜近似球體，因此，構(gòu)建塑料筐內(nèi)結(jié)球生菜的物理模型時，采用直徑為150 mm 的球體代替結(jié)球生菜（見圖1）。

利用Gambit 前處理軟件對塑料筐、結(jié)球生菜進(jìn)行三維建模和網(wǎng)格劃分，設(shè)置網(wǎng)格單元為Tet/Hybrid、網(wǎng)格類型為TGrid，為保證數(shù)值模擬計算快速收集降低菜品之間以及菜品與塑料筐壁面之間接觸點(diǎn)處的網(wǎng)格扭曲度，在菜品之間和菜品與筐壁面之間留3 mm 的空隙。通過網(wǎng)格質(zhì)量檢查得出其整體模型網(wǎng)格扭曲度均小于0.93。

1.3.2 模型假設(shè)

塑料筐內(nèi)部結(jié)球生菜的預(yù)冷過程是一個復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)傳熱傳質(zhì)過程，既有對流主導(dǎo)的顯熱交換，也有導(dǎo)熱、輻射、蒸騰等作用承載的潛熱傳遞。將菜品呼吸熱、表面蒸發(fā)熱、冷凝熱及對流傳熱作為菜品區(qū)域內(nèi)部熱源，為了簡化模型，進(jìn)行如下假設(shè)：（1）結(jié)球生菜大小均勻，近似球形，且為各向同性的連續(xù)介質(zhì)；（2）忽略結(jié)球生菜衰老等因素對其呼吸熱和蒸騰熱的影響；（3）忽略塑料筐與菜品、菜品與菜品之間的輻射換熱；（4）忽略實(shí)驗(yàn)儀器對塑料筐內(nèi)氣流的影響；（6）空氣為不可壓縮流體，且預(yù)冷過程中空氣和果品的物性參數(shù)為常量[13]。

1.3.3 模型建立

利用平均雷諾數(shù)納維- 斯托克斯方程（Reynolds-averaged Navier-Stokes）對預(yù)冷塑料筐內(nèi)各區(qū)域進(jìn)行求解，其連續(xù)性方程、動量方程、能量方程參照文獻(xiàn)[7]分別用公式（1）（2）（3）計算得出。

式中，t 為時間，s；P 為壓強(qiáng)，Pa；Xi、Xj為笛卡爾坐標(biāo)；ρ 為空氣密度，kg/m3；ui、uj為空氣時均速度，m/s；μa為空氣動力黏度，Pa·s；ui'、uj'為空氣脈動速度，m/s；α 為熱膨脹系數(shù)，K-1；Ta為箱體內(nèi)部空氣溫度，K；T0為冷庫內(nèi)空氣溫度，K；g 為重力加速度，m/s2；CP,a為空氣比熱，J/(kg·K)；T 為空氣溫度，K；λa為空氣熱導(dǎo)率，W/(m·K)；T'為空氣脈動溫度，K。

1.3.4 初始條件與邊界條件

初始條件：τ=0 時，結(jié)球生菜初始溫度為23 ℃。

邊界條件：（1）入口邊界。將塑料筐迎風(fēng)面設(shè)置為速度進(jìn)口邊界條件，進(jìn)口速度分別為1、2、3、4 m/s，送風(fēng)溫度為2 ℃；（2）出口邊界。將塑料筐背風(fēng)面設(shè)置為出流邊界條件；（3）壁面。將塑料筐內(nèi)外壁面以及菜品表面都定義為無滑移壁面，壁面上速度為零，且垂直于壁面的速度也為零。

1.3.5 模型計算

模型計算采用專業(yè)流體仿真軟件Fluent 中的SST κ-ω 湍流模型[7]，基于壓力的分離式求解器，動量、能量、湍動能、擴(kuò)散率的離散格式為二階迎風(fēng)格式，壓力速度耦合方法采用 SIMPLE （semi-implicit method for pressure-linked equations） 算法，其中利用 UDF（user-defined function）接口將所有熱源項(xiàng)加載到菜品區(qū)域的控制方程中，以及控制模擬過程中冷風(fēng)速度和溫度的變化，時間步長為60 s。冷空氣、菜品及塑料筐的熱物性參數(shù)見表1（見下頁）。對塑料筐內(nèi)每個結(jié)球生菜的溫度進(jìn)行監(jiān)測，每隔60 s 記錄一次溫度數(shù)據(jù)。

表1 物性參數(shù)表Table 1 Physical parameters

1.4 預(yù)冷性能評價指標(biāo)

1.4.1 預(yù)冷速率

為了在同一個水平下比較冷卻速率，使用公式（4）給出的無量綱參數(shù)Yi[16-18]，用于計算未達(dá)到預(yù)定冷卻溫度的結(jié)球生菜占整體貨物的比例，此無量綱參數(shù)獨(dú)立于制冷設(shè)備外，過濾掉初始條件波動對于預(yù)冷過程的影響，可直觀地用于比較不同預(yù)冷操作條件的優(yōu)劣。預(yù)冷過程中，菜品溫度逐漸接近冷空氣溫度，Yi不斷減小，Yavg=1/2、7/8時可以分別計算出半冷卻時間和7/8 預(yù)冷時間，這是反映預(yù)冷操作的2 個重要參數(shù)，因在7/8 預(yù)冷時間點(diǎn)，果蔬溫度已與預(yù)定冷卻溫度非常接近，因此在商業(yè)預(yù)冷操作中，在7/8 預(yù)冷時間點(diǎn)便將農(nóng)產(chǎn)品轉(zhuǎn)移到冷庫儲藏或進(jìn)行冷藏運(yùn)輸，在冷庫或冷藏車廂內(nèi)去除剩余的田間熱，這樣不僅可以減少預(yù)冷時間，也可以降低預(yù)冷操作的成本[18]。

式中，n 為塑料筐內(nèi)菜品的總數(shù)量；i 為單個菜品的編號；Yi為編號為i 的Y 值；Yavg為所有Yi的平均值；Ta為預(yù)冷時的冷空氣溫度，K；T0為菜品初始溫度，K；Ti,t為t 時刻菜品i 的溫度值。

1.4.2 能耗

在每一個送風(fēng)速度工況下，制冷單元消耗的能量基本是相同的。因此，預(yù)冷過程的能耗主要是由通風(fēng)系統(tǒng)決定的，而通風(fēng)系統(tǒng)的能耗取決于驅(qū)動冷空氣通過塑料筐所需的差壓風(fēng)機(jī)功率和風(fēng)機(jī)運(yùn)行的時間t（即7/8 冷卻時間）。根據(jù)公式（6）可估算不同送風(fēng)速度預(yù)冷條件下的能耗，表2 給出了不同風(fēng)速所對應(yīng)的差壓風(fēng)機(jī)功率。

表2 不同送風(fēng)速度的風(fēng)機(jī)功率Table 2 Fan power at different air supply speeds

式中，Ec為差壓通風(fēng)系統(tǒng)能耗，J；Ppf為風(fēng)機(jī)功率，W。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型驗(yàn)證

通過整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比得出圖3，圖3 a、b 分別給出的是F2、S6 結(jié)球生菜中心溫度實(shí)驗(yàn)值與對應(yīng)模擬值的對比?？梢钥闯鰧?shí)驗(yàn)值與模擬值趨勢一致，實(shí)驗(yàn)值與模擬值的最大偏差為1.9 ℃，其具體均方根誤差（root mean square error，RMSE）、平均相對誤差（average relative deviation，ARD）見表3。模擬值與實(shí)驗(yàn)值存在誤差的原因可能主要是結(jié)球生菜外形簡化、無線傳感器自身誤差、冷空氣的溫度和速度存在波動等。

表3 均方根誤差與平均相對誤差Table 3 Values of RMSE and ARD

圖3 溫度的理論與實(shí)驗(yàn)對比Fig.3 Comparison of simulation and experiment results of temperature

2.2 預(yù)冷速率

圖4 給出了不同風(fēng)速下結(jié)球生菜預(yù)冷的7/8 冷卻時間，由圖3 可知，隨著風(fēng)速增加，7/8 冷卻時間降幅逐漸減小，這說明通過增加風(fēng)速加快完成預(yù)冷的方法效果有限。

圖4 結(jié)球生菜7/8 冷卻時間Fig.4 The 7/8 cooling time of lettuce for different air velocity

圖5 顯示的是不同風(fēng)速下不同時刻結(jié)球生菜對應(yīng)的內(nèi)部溫度云圖，如圖5 中圖例所示，云圖顏色越接近紅色（深色區(qū)），代表此區(qū)域溫度為高溫區(qū)，顏色越接近深藍(lán)色（淺色區(qū)），代表此區(qū)域溫度為低溫區(qū)，可以明顯看出同一風(fēng)速下，隨著預(yù)冷時間的延長，結(jié)球生菜內(nèi)部溫度逐漸接近冷空氣溫度；同一時刻隨著風(fēng)速的增加，結(jié)球生菜中心的高溫區(qū)（即深色區(qū)域）逐漸縮小，尤其在送風(fēng)速度由1 m/s 增加到2 m/s 時，各個時刻對應(yīng)的結(jié)球生菜中心的高溫區(qū)縮小明顯，結(jié)球生菜內(nèi)部溫度云圖的顏色逐漸向冷空氣溫度的顏色變化，內(nèi)部熱傳遞速率加快明顯，當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增加至3、4 m/s 時，結(jié)球生菜內(nèi)部溫度云圖顏色變化不明顯，即結(jié)球生菜內(nèi)部的熱傳遞速率較慢，這說明無限制地增加風(fēng)速并不能有效地加快預(yù)冷速度。

圖5 不同風(fēng)速下結(jié)球生菜溫度云圖Fig.5 Temperature distribution of iceberg lettuce for different air velocity

2.3 能耗

圖6 給出了不同風(fēng)速下預(yù)冷過程壓差系統(tǒng)的能耗，風(fēng)速1 m/s 時，壓差風(fēng)機(jī)能耗為2.31×106J，風(fēng)速2 m/s時，能耗增加了2.6%；風(fēng)速3 m/s 時，能耗增加了12.2%，風(fēng)速為4 m/s 時，能耗增加了18.1%。隨著風(fēng)速的增加，壓差風(fēng)機(jī)能耗逐漸增加，且增幅逐漸變大。結(jié)合上文對不同風(fēng)速下結(jié)球生菜預(yù)冷時間和預(yù)冷均勻性的分析，考慮節(jié)能因素，建議預(yù)冷筐裝結(jié)球生菜時采用送風(fēng)速度為2 m/s 較適宜。

圖6 壓差風(fēng)機(jī)能耗Fig.6 The energy consumption of forced air fan

3 結(jié)論

本文采用CFD 數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法研究了不同送風(fēng)速度下結(jié)球生菜的壓差預(yù)冷過程，通過分析模擬結(jié)果分析，得出如下結(jié)論：（1）送風(fēng)速度的大小對于結(jié)球生菜的預(yù)冷時間有一定的影響。預(yù)冷時間隨著風(fēng)速的增加逐漸減小，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定數(shù)值后，預(yù)冷時間減少的幅度逐漸縮小。（2）送風(fēng)速度的大小對于壓差風(fēng)機(jī)的能耗影響較大。隨著送風(fēng)風(fēng)速的增加，壓差風(fēng)機(jī)能耗不斷增加，且增加幅度不斷增大，結(jié)合預(yù)冷時間等其他預(yù)冷指標(biāo)，考慮節(jié)能因素，建議定風(fēng)速對塑料筐裝結(jié)球生菜預(yù)冷時，采用2 m/s 左右的送風(fēng)速度較佳。