沖擊式速凍機中送風孔板對魚體凍結效率的影響

歐陽杰,沈 建,郭文華,孫鑫宇,趙日晶,黃 東

(1 中國水產科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所,上海 200092;2 西安交通大學能源與動力工程學院,陜西 西安 710049;3 海洋食品精深加工關鍵技術省部共建協同創(chuàng)新中心,大連工業(yè)大學,遼寧 大連 116034)

相比于傳統的速凍機,沖擊式速凍機有著凍結時間短、能耗低的優(yōu)點,逐漸成為速凍行業(yè)的主流設備[1-2]。氣流噴射是沖擊式速凍的關鍵技術,主要是因為氣流通過不同類型的噴口結構后速度增加,可有效縮短凍品的凍結時間[3-6]。噴口的結構會影響氣流組織的均勻性和換熱效率,實際生產中,比較常見的噴口結構主要有送風孔板、條縫噴口、圓漏斗噴口等[7]。國外關于不同類型的噴口結構對傳熱特性的影響研究較多。Bijarchi等[8]研究發(fā)現噴嘴的噴射速度和對流換熱速率隨雷諾數的增加而增加,噴射距離的增加雖然導致了對流換熱速率的減小,但可使換熱較為均勻;Xu等[9]研究發(fā)現螺旋噴射有助于提升目標面的對流換熱系數,且換熱效率隨螺旋角的增加而增加;Tepe等[10-11]研究發(fā)現延伸噴射孔有助于增加帶有肋片的粗糙表面和水平表面的努賽爾數(Nu)。Yang等[12]研究了圓形、噴嘴和2D輪廓噴嘴下的噴射對流換熱特性,發(fā)現在噴嘴出口和自由表面之間存在一個Nu峰值的滯止區(qū),圓形噴嘴和2D輪廓噴嘴在此達到最大湍流強度;Fenot等[13]研究發(fā)現對流換熱受阻塞比(Dint/D)和噴射高度(H/D)的影響。Chang等[14]研究發(fā)現帶有凹槽的表面有助于提升傳熱性能; Yadav等[15]研究了帶有3種不同孔口直徑下的送風孔板的傳熱特性,發(fā)現Nu隨噴嘴直徑的減小而增大;Ingole等[16]研究了圓形傾斜射流換熱特性,發(fā)現平均Nu取決于射流的傾角,且平均Nu隨射流傾角的減小而減小;Ahmed等[17]研究了一種新型的反向射流沖擊傳熱,發(fā)現將噴嘴延伸至橫流通道能顯著降低橫流的影響、提高平均Nu;Youn等[18]研究發(fā)現優(yōu)化送風孔板的排列可以提升換熱效率,尤其拓展噴口可以減弱橫流來提升傳熱效率;Makatar等[19]研究了送風孔板陣列下沖擊射流的傳熱特性,得到了關于噴射距離、噴射間距和噴射雷諾數(Re)的關系式。國內也有較多關于噴口形狀、結構對凍機內部換熱特性影響的研究,優(yōu)化形成了相關的工藝和結構參數[20-26]。上述研究多集中在噴口結構對于速凍機內部流場和溫度場的影響,而關于噴口結構對于凍品(尤其是魚類)凍結效率的研究較少。

本研究以小黃魚為研究對象,建立了凍品內部的凍結模型,通過數值模擬和試驗研究送風孔板的排布方式、送風孔板孔徑和魚體中心距上下送風孔板的距離對魚體凍結效率的影響,篩選出適宜的送風孔板結構和參數,為水產品冷凍提供新的工藝指導,為沖擊式速凍機的優(yōu)化設計提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

冰鮮小黃魚,由浙江興業(yè)集團有限公司提供,每條質量80～100 g,泡沫箱加冰運輸至實驗室。沖擊式速凍機(MJN700-0818,冰輪環(huán)境技術股份有限公司);熱線風速儀(TESTO-425,德圖儀器);熱電偶(T型,精度±0.1 ℃,開普森電子有限公司)。

1.2 方法

1.2.1 數值模擬

1.2.1.1 物理模型

本研究主要集中于送風孔板對于魚體凍結過程的影響,不考慮速凍機的運轉情況,因此只對單個魚體進行建模,按照實際的沖擊式速凍設備對模型尺寸進行設計。將上下表面定義為上下兩側的送風口,四周定義為出風口。送風孔板分別置于上下送風口與魚體之間的位置,其中上送風孔板距離魚體中心為h1(h1可取80 mm、100 mm),下送風孔板距離魚體中心為h2(h2可取35 mm、55 mm),如圖1a所示。送風孔板的孔徑為D(D可取6 mm、8 mm和10 mm),孔間距26 mm。魚體的尺寸細節(jié)如圖1b所示。

圖1 魚體及周圍流體域模型和魚體尺寸細節(jié)圖

1.2.1.2 數學模型

魚體表面受到高速冷空氣噴射對流換熱,魚體內部伴隨著凝結相變過程。假設空氣為不可壓縮牛頓型流體、空氣的物性為常數。魚體內部凝結過程中體積膨脹和黏性耗散忽略不計。則描述數學模型的連續(xù)性、動量和能量方程如下:

連續(xù)性方程:

(1)

x方向的動量方程:

(2)

y方向的動量方程:

(3)

z方向的動量方程:

(4)

能量方程:

(5)

k-ε方程:

Gk-ρε

(6)

(7)

式(2)～(4)中,S表示源項,定義如下[27]:

(8)

式(8)中,γ為液相分數,其與溫度的關系如下所示,其中Ts和TL分別為固相和液相溫度[28]。

(9)

總焓H等于顯熱h和潛熱ΔH之和,即

(10)

1.2.1.3 邊界條件及模型參數

上下采用速度入口條件,其中上入口的速度為2 m/s,下入口速度為1 m/s,送風溫度為236.15 K。其中上下送風風速是根據風機風量和風口面積確定的,此沖擊式速凍機中每臺風機的風量為12 000 m3/h。四周采用自由出流條件。魚體的初始溫度為292.15 K。

模擬在瞬態(tài)條件下選用有限體積法求解,時間步長為0.5 s。采用焓-多孔度方法[29]模擬魚體凍結過程和追蹤固液相面,固液糊狀區(qū)常數Am取值為105kg/(m3·s)。利用PISO算法耦合速度和壓力,利用PRESTO算法處理壓力修正方程,動量和能量方程通過QUICK差分法處理。動量、能量和壓力關聯方程的松弛因子分別為0.7、0.5、0.3。魚體的物性參數為:ρ=998 kg/m、μ=8.9×10-4Pa 、Cps|Cpl=2 100|4 179 J/(kg·K)、ks|kl=2.2|0.6 W/(m·K)、Ts|TL=271.65 K、L=335 000 J/kg、β=2.1×10-4K-1。

為研究網格數和時間步長對計算精度的影響,選取4種不同網格數(包括100 000、200 000、400 000和800 000)的結構化六面體網格和3種不同的時間步長(0.1、0.5和1.0 s)進行分析。表1給出了上下送風孔板對稱排布,孔徑為8 mm時,不同網格數和不同時間步長情況下計算的凍結時間?？梢钥闯?網格數由100 000增加到400 000,凍結時間偏差從7.6%降低到1.5%;時間步長由1 s減小到0.1 s,凍結時間偏差由3.8%降低到0.8%;故同時考慮計算精度和速度,網格數采用400 000、時間步長采用0.5 s。

表1 網格數和時間步長對計算精度的影響

1.2.2 試驗驗證

設計上下沖擊式試驗臺,測試了小黃魚中心溫度隨時間的變化,如圖2所示。該試驗臺主要由離心風機、靜壓箱、上下送風孔板和網帶組成。冷空氣被離心風機吸入靜壓箱內,通過上下孔板后噴射到小黃魚的表面。上送風孔板距離小黃魚50 mm,下送風孔板距離小黃魚20 mm,且上下送風孔板對稱。利用熱線風速儀測量距離上孔板120 mm和距離下孔板60 mm處的風速。數值模擬中上下風速設置與其保持一致。利用熱電偶測量小黃魚的中心溫度,利用溫度采集儀檢測魚體中心溫度隨著時間的變化。待魚體中心降到-18℃時,視為凍結完成。

圖2 上下沖擊式試驗臺及小黃魚凍品

小黃魚中心溫度隨時間變化的試驗和模擬值的對比如圖 3所示。

圖3對比了試驗測試和數值模擬的小黃魚中心溫度隨時間的變化,可以看出試驗測試小黃魚的凍結時間為 649 s,數值模擬得到小黃魚的凍結時間為600 s,模擬相對偏差為7.55%,驗證了數值模擬方法的準確性。

圖3 小黃魚中心溫度隨時間變化的試驗和模擬值的對比

2 結果與討論

2.1 不同送風孔板的排布方式對凍結特性的影響

送風孔板的排布方式對魚體的凍結特性有較大的影響,研究了只有上送風孔板、上下送風孔板對稱和上下送風孔板交錯3種不同的排布方式下的魚體凍結特性。圖4表示3種不同排布方式下魚體中心溫度隨時間的變化。從圖4中可以看出,魚體的速凍分為3個階段,第1階段是初溫到冰點的顯熱釋放階段(初溫～271.65 K)。第2階段是魚體從冰點降到中心溫度為268.15 K,此過程80%水分被凍結成冰晶。第3階段是魚體中心溫度由268.15 K降到255.15 K[30]。只有上送風孔板、上下孔板對稱和上下孔板交錯布置時魚體凍結(從初始溫度278.15 K冷凍到255.15 K)所需的時間分別為800 s、650 s和540 s。上下孔板交錯布置時的速凍時間最短,比只有上送風孔板和上下孔板對稱布置時減少了32.50%和16.92%。上下孔板交錯排布時凍結時間的減小主要體現在第2階段,魚體內部水分凍結為冰晶的時間縮短,這一現象可通過魚體內部的液相分數隨時間的變化來表征。

圖4 3種不同排布方式下魚體中心溫度隨時間的變化

圖5表示3種不同排布方式下魚體內部液相分數隨時間的變化。液相分數為1.0時表示魚體內部的水分沒有凍結生成冰晶,為0.0時表示水分全部凍結成為冰晶。魚體中心溫度由冰點降到268.15 K,只有上送風孔板、上下孔板對稱和上下孔板交錯排布所需的時間分別為643 s、509 s和402 s。結果表明上下孔板交錯布置有助于魚體快速通過最大冰晶生成階段。

圖5 3種不同排布方式下魚體內部液相分數隨時間的變化

圖6為3種不同排布方式下魚體溫度和液相分數云圖,選取的時刻分別為90 s、240 s、390 s和540 s。從圖中可以看出3種排布方式下魚體的凍結都是先由左右兩端到中心,然后轉變?yōu)閺乃闹艿街行摹Ｏ啾扔谥挥猩纤惋L和上下對稱排布時,上下交錯排布的轉變較快。由于上下交錯送風避免了風的對沖損耗,從而凍結速率加快。

圖6 3種不同排布方式下液相分數和魚體溫度分布云圖

圖7為3種不同排布方式下的速度矢量圖和跡線圖。從速度矢量圖可以看出,冷風經過孔板加速后直接噴射到魚體表面。只有上送風孔板時,魚體的上表面受到了冷空氣的噴射,冷量只從上表面?zhèn)鬟f到下表面,導致了凍結時間較長。在送風孔板上下對稱布置時,魚體的上下表面都受到了冷空氣的噴射,冷量是從魚體上下表面到中心傳遞,凍結速率加快。但上下孔板的對稱布置導致了冷風的對沖,魚體的上表面出現了渦旋,導致了冷量的損耗[31-32]。上下交錯布置避免了冷風的對沖,充分利用了上下孔板的噴射作用,有效地提升凍結速率、減小凍結時間。

2.2 不同送風孔板孔徑對凍結效率的影響

從上面的分析可得,上下孔板交錯排布時的凍結效率最高、凍結時間最短。因此選擇此種排布形式下,研究不同送風孔板孔徑(6 mm、8 mm和10 mm)對凍結特性的影響。圖8表示了不同送風孔板孔徑下魚體中心溫度和液相分數隨時間的變化。從圖9 a可以看出,魚體凍結時間(初始溫度278.15 K冷凍到255.15 K)隨孔板孔徑的增加而增加?？装蹇讖綖? mm、8 mm和10 mm時,所對應的時間分別為390 s,540 s和730 s。且凍結時間的增加主要在于第2階段和第3階段。 圖8b可以看出,第2階段的魚體中心溫度由冰點降到268.15 K時,所需的時間分別為317 s,388 s和526 s。第3階段魚體中心溫度由268.15 K到255.15 K,所需的時間分別為68 s,138 s和180 s。第2階段和第3階段凍結時間的增加主要是由于噴射速度隨著孔板孔徑的增加而減小導致的。

圖8 不同送風孔板孔徑下魚體中心溫度和液相分數隨時間的變化

圖9 不同送風孔板孔徑下的速度矢量圖

圖9表示了不同送風孔板孔徑下的速度矢量圖。從圖中可以看出送風孔板的孔徑越大,噴射速度越小?？讖綖? mm、8 mm和10 mm的噴射速度分別為72 m/s、42.15 m/s和27.40 m/s。噴射速度小導致了魚體表面的對流換熱系數小、冷量傳遞的速度較慢,從而使得凍結時間較長。

2.3 不同送風距離對凍結效率的影響

魚體的凍結效率也受上下送風距離的影響。選擇上下孔板交錯排布,送風孔板孔徑為8 mm時,研究不同上下送風孔板距魚體中心的距離對凍結效率的影響。表2說明3種工況條件下魚體中心距上下送風孔板的距離。

表2 工況條件

圖10表示了不同送風距離下的魚體中心溫度和液相分數隨時間的變化。

圖10 不同送風距離下魚體中心溫度隨時間的變化

對比工況1和工況3可以看出,在與上送風孔板距離不變時,減小距下送風孔板的距離可以減少凍結時間。當下送風孔板的距離減小20 mm時,凍結時間減小了4.90%。對比工況2和工況3可得,在與下送風孔板距離不變時,減小距上送風孔板的距離,同樣可以減少凍結時間。當上送風孔板的距離減小20 mm時,凍結時間減小了5.77%。

3 結論

本研究表明,上下孔板交錯布置避免了冷風的對沖,充分利用了上下孔板的噴射作用,有效地提升凍結速率。其凍結時間比只有上送風孔板和上下孔板對稱布置時減少了32.50%和16.92%,魚體凍結時間隨孔板孔徑的增加而增加,隨上下送風距離的縮短而減小。