季阿敏，郭 靖，孟慶海

(哈爾濱商業(yè)大學，能源與建筑工程學院，哈爾濱150028)

壓差預冷是普遍用于蔬菜、水果或切花上的預冷技術，其降溫方式是強迫冷風進入包裝箱中，使冷風直接與被冷卻產品接觸.利用風機的抽吸作用在包裝箱進出口兩側形成壓差，冷風從包裝箱一側通風口進入箱內與產品接觸使其降溫，從另一側出來帶走熱量，從而使物品快速均勻地降溫，以防止貯運過程中果蔬的質與量的損失[1].

1 物理模型

包裝箱取材硬紙板料，箱體尺寸為540×320×280 mm，將番茄整齊地擺盛放在其中，箱體開孔位置見圖1.

圖1 包裝箱開孔位置

2 數學模型

2.1 箱內流體數學模型

為了簡化分析，對預冷箱內空氣的流動與換熱的物理模型做了下列假設[2]:1)箱內流體為牛頓流體;2)氣體在箱內側壁上無滑移;3)忽略環(huán)境與箱外保溫層及箱內的輻射熱;4)忽略維護結構泄露而引起的熱損失;5)將箱內氣體看作是各向同性的多孔介質流動，各向的滲流系數相等;6)氣體流動看作為穩(wěn)態(tài)紊流;7)箱內孔隙率均勻，不考慮冷卻過程中由于番茄生理變化及濕度損失而引起收縮帶來的孔隙率變化.

2.2 番茄箱中單體所在單元內熱平衡模型

將預冷箱內看作均勻的介質，劃分為若干個立方體單元，由流動模型，可以獲得每個單元質心的速度分量 Vx，Vy，Vz，如圖2 所示，則流量分量可由下式求得:

流量分量=速度分量×空氣密度×垂直于速度分量的表面積

其中，垂直于速度分量的表面積=單元體積/流向的單元長度

圖2 單元體流量平衡圖

假設由相鄰元進入某特定元三個面的流量分別為 m1，m2，m3(見圖2).相應溫度分別為T1，T2，T3三部分流體在單元體內混合均勻，則混合后空氣溫度可由下式求得:

其中:m為流入元體的總質量，m=m1+m2+m3，(kg);Tf為混合后溫度，(K).式(1)又可寫作Tf=(m1T1+m2T2+m3T3)/m此溫度作為番茄單體溫度計算中的環(huán)境溫度對于流出單元體的空氣溫度，依據能量守恒的原則，單元體內空氣的能量變化應等于其中番茄的能量變化[3].

其中:Tp為平均溫度，K;cacp為分別為空氣，番茄的比熱，J/kg·K;τ為時間，s;V，Vp為為控制體體積和其中番茄的體積，m3.

V，Vp有如下關系:

把式(3)代入(2)得:

單元內的空氣溫度值已由式(1)確定，則式(5)所得的溫度變化值就能確定離開每個單元表面的空氣溫度，以此值作為下一單元的進入值，如此迭代循環(huán)，這樣任一位置番茄的環(huán)境溫度就能求得.

流經番茄冷空氣的對流換熱系數α為:

考慮到單元體是有限體，上式又可近似寫為:

3 ANSYS分析及結果

3.1 速度場分布

對冷空氣的速度場分布，利用ANSYS方法計算[4].首先，對流場網格劃分，對進、出口處梯度比較大的地方，要求細分以得到更精確描述.本文采用進口風速，區(qū)別于以往文獻[5－7]實驗中的送風速度(與包裝箱等截面的靜壓箱內測得的截面平均風速).

對流體模型設置類型、邊界條件、施加負荷，對不同的送風孔徑、送風口速度為依據進行分析.如以開口56 mm，開口處風速8 m/s為例，箱內速度場的分布如圖3所示.

圖3 開口56 mm，開口處風速8 m/s箱內速度場的分布

由速度場圖形，可以看到開口處和出口處風速很大，速度梯度也很大，這主要是因為流通通道的截面積出口和入口處速度突變的結果，符合理論分析.在箱內由于番茄的阻力和截面積的擴大，風速很快降得很小，在箱中大部分區(qū)域由于截面積的均勻，風速比較穩(wěn)定.

3.2 溫度場分布

為了尋求理想的預冷效果，對影響預冷的因素分析比較.選擇其中溫度分別改變?yōu)?、7、9℃的三種工況實驗，箱體開孔直徑56 mm，則典型番茄中心預冷時間如圖4.另外選擇三種改變箱體開孔直徑分別為36、46、56 mm，送風溫度按7℃工況實驗，則典型番茄中心預冷時間如圖5，以上兩種工況送風速度均采用8 m/s.

4 實驗分析

實驗在小型聚氨酯庫板冷庫內進行，制冷系統(tǒng)工質為R22，實驗裝置如圖6所示，庫溫可調精度0.1℃.用熱電偶測量番茄溫度，每間隔20 min記錄實驗數據.

圖6 壓差預冷實驗臺

設置需要測試番茄點排列序號如圖7所示.考慮到二層 22、23、24、25、26、27、28 更具有代表性，以送風溫度7℃，開孔直徑為56 mm，送風口風速為8 m/s工況為例，對該層番茄進行溫度隨時間變化的測試，如圖8所示.

圖7 測試點排列序列號

圖8 二層22～28點番茄溫度隨時間的變化曲線

表1列出了所測番茄溫度點理論計算與實驗結果的比較，可以看出誤差率最大不超過10%.

表1 二層番茄溫度測點在240 min時的理論值與實驗值比較

通過理論分析與實驗結果比較，可以得到以下結論:

1)在送風速度和孔徑大小不變的情況下，較低的送風溫度對冷卻速度的影響很大，用傅立葉定律解釋，就是因為番茄徑向溫度梯度的增大，從而導致流過番茄表面的熱流密度變大，冷卻就比較快.

2)在送風速度和送風溫度不變的情況下，增大孔徑有利于加快冷卻速度，其主要原因是因為風量的增加，提高了箱體內各點的平均風速，換熱系數提高，有利于冷空氣與番茄單體的換熱.

3)送風口風速大有利于提高冷卻速度.在送風溫度和孔徑大小不變的情況下，加大風速，與加大孔徑有同樣加大風量的效果，但是前提要充分考慮防止干耗過大的問題.

5 結語

通過對番茄壓差預冷過程進行理論分析與實驗，得到了壓差預冷工藝中冷空氣流動的速度場和溫度場分布，并通過實驗進行了驗證.研究結果有助于對壓差預冷技術的實驗結果進行預測，并可以作為實際壓差預冷冷庫設計的參考數據，并減少實際設計的盲目性.

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