申江 丁峰 張現(xiàn)紅

(天津商業(yè)大學天津市制冷技術重點實驗室 天津 300134)

變送風參數對西紅柿差壓預冷節(jié)能效果研究

申江 丁峰 張現(xiàn)紅

(天津商業(yè)大學天津市制冷技術重點實驗室 天津 300134)

差壓預冷送風參數直接影響差壓預冷效果和預冷裝置的能耗，本文搭建差壓預冷實驗臺，選取西紅柿為研究對象，測得不同送風速度、不同送風溫度工況下西紅柿中心溫度隨時間的變化特點，分析不同預冷條件下西紅柿預冷時間規(guī)律，對不同工況下西紅柿預冷效果和裝置能耗進行分析。根據分析結果提出變送風速度和變送風溫度的優(yōu)化方案，發(fā)現(xiàn)西紅柿由27℃降到15℃過程采用風速0.9 m/s，由15℃降到5℃采用風速0.57 m/s預冷，對比定送風速度預冷，差壓風機可節(jié)能14.5%～17.7%；西紅柿由27℃降到10℃過程采取送風溫度為4℃，由10℃降到5℃采取送風溫度為2℃，對比定送風溫度預冷，制冷系統(tǒng)可節(jié)能5.6%～10.5%。

差壓預冷；節(jié)能；變送風參數；送風速度；送風溫度

差壓預冷是一種優(yōu)良的空氣預冷方式，其利用差壓風機的抽吸作用，在包裝箱兩側形成一定的壓差，濕冷空氣在壓差的作用下通過包裝箱的開孔進入包裝箱，與果蔬對流換熱，使果蔬快速、均勻地冷卻到工藝要求溫度范圍[1]。國內多位學者分別對不同果蔬進行了差壓預冷實驗，發(fā)現(xiàn)果蔬預冷效果好但是能耗較大，并對差壓預冷節(jié)能進行了初步探索[2－9]。差壓預冷過程中的送風參數，直接影響果蔬預冷效果和預冷裝置的能耗，國內外學者對此進行了大量的研究。

Baird CD等[10]通過實驗數據分析發(fā)現(xiàn)增加送風速度可降低冷卻時間，但送風速度超過1.5 m/s后，冷卻時間沒有顯著變化。Emond JP等[11]對影響草莓預冷速度和溫度分布的參數進行研究，實驗結果表明冷空氣流量從2 L/(s·kg)增加到4 L/(s·kg)，7/8預冷時間減少30%～44%。Lambrinos G等[12]針對預冷風速進行研究，結果表明預冷風速從0.2 m/s增大到3.6 m/s，預冷時間縮短2到3倍，但是風速的增大會增加風機能耗。

鄧超[13]開發(fā)了一體化高濕差壓預冷裝置，并研究了不同工況下果蔬預冷效果和裝置能耗，結果表明蒸發(fā)溫度越低預冷速率越大，但預冷均勻性降低，壓縮機功耗增加。噴淋加濕濕度越大預冷時間越長，果蔬失水率下降但系統(tǒng)能耗增加。何暉等[14]、劉斌等[15]根據果蔬在預冷過程中溫度變化的規(guī)律，提出在差壓預冷生產中采用變頻調速方法，實驗結果表明采用變風速預冷節(jié)能效果顯著。閆國琦等[16]通過對預冷風機能耗最小優(yōu)化控制的分析，發(fā)現(xiàn)在限定預冷時間的要求下，采用不同溫度段匹配不同風量的控制方法可實現(xiàn)風機能耗最小的效果。

1 材料與方法

1·1 材料與設備

西紅柿:采購于天津市北辰區(qū)韓家墅果蔬批發(fā)市場，挑選大小均勻、外形規(guī)則、平均直徑為80 mm、八成熟的西紅柿作實驗材料。

包裝箱:三層瓦楞紙箱，長、寬、高分別為445 mm、295 mm、300mm，紙箱厚度為5 mm。包裝箱兩個相對的295 mm×300 mm側面上分別開9個圓形孔，孔徑為60 mm，開孔面積占箱側面積的28.7%。開孔位置在包裝箱側壁的相對位置如圖1所示。

圖1 包裝箱開孔方式Fig·1 The trepanning way of packing box

電子計重秤:預冷前后果蔬失重的測量采用上海友聲衡器有限公司ACS-30A電子計重秤。

微電腦恒溫恒濕實驗箱:宏聯(lián)(上海)科技有限公司H-TH-1BP-E微電腦恒溫恒濕實驗箱，溫度范圍－70～100℃，濕度范圍20%～98%RH。

多點溫度數據采集器:日本橫河儀器有限公司MX100多點溫度數據采集器。

熱電偶:銅-康銅熱電偶測量各測點溫度，測溫范圍為－200～300℃，銅-康銅絲測點端用電弧焊焊接，用標準二級水銀溫度計進行標定，控制誤差范圍為0.2℃。

多通道風速溫濕度測試儀:差壓預冷送風速度的測量采用日本KANOMAX株式會社SYSTEM6243 MODEL 1560型24通道風速溫濕度測試儀。

壓差計:預冷過程包裝箱前后壓差的測量采用法國KIMO公司CP101壓差計。

實驗采用的差壓預冷實驗裝置如圖2所示，實驗裝置由制冷系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和差壓風機組成。制冷系統(tǒng)主要用來提供預冷所需的冷量，壓縮冷凝機組置于預冷裝置外部，蒸發(fā)器置于預冷裝置內部，制冷工質采用R22，制冷量為3500 W。電加熱器采用U型帶翅片的空氣干燒型電熱管，功率為1000W，置于蒸發(fā)器后方，電加熱器的電源接線連接實驗臺之外的調壓器(調壓范圍為0～250 V)。加濕器采用無錫洛社華盛電機廠CJ-30加濕器，加濕量為3 kg/h。溫濕度控制裝置采用余姚市長江溫度儀表廠XMT-9007D系列溫濕度儀，溫度控制范圍是－50～200℃，精度為±0.5℃；濕度控制范圍是5%～90%RH，精度為±3.0%RH。差壓風機采用倫登風機(天津)有限公司ADT280軸流風機，風機風量2500 m3/h，靜壓為200 Pa，功率為550W。風機外接北京同森科技有限公司TS2904PT2M變頻器，頻率調節(jié)范圍為0～50 Hz。

圖2 實驗用差壓預冷裝置示意圖Fig·2 SchematiCdiagramof pressure pre-cooling device

1·2 實驗方法

1)測點布置

包裝箱內西紅柿擺放方式采用平方間隔擺放，擺放時避免西紅柿堵住包裝箱的側面開孔。包裝箱內西紅柿最底層為第一層，依次往上擺放第二、三、四層，西紅柿排列方式及測點編號如圖3所示。每個西紅柿中心位置插入兩個熱電偶探頭，取兩者平均值作為該西紅柿中心溫度值。

冷風在進入包裝箱前經過一段水平靜壓箱，在距包裝箱入口200 mm截面處冷空氣流速均勻、穩(wěn)定，以此處測得的風速值作為送風速度值，同時在此處布置溫度探頭，將此處測得的溫度值作為送風溫度值。

2)實驗方案

經過多次測試，測得風機頻率25 Hz、35 Hz、40 Hz所對應的送風速度分別為0.57 m/s、0.76 m/s、0.9 m/s，每次實驗用西紅柿重量為20 kg，換算成西紅柿單位質量冷空氣流量分別為9.234 m3/(h·kg)、12.312 m3/(h·kg)、14.58 m3/(h·kg)；送風溫度為0℃、2℃、4℃時，實驗裝置獲得的實驗數據較理想。據此確定不同送風參數對西紅柿預冷效果影響的實驗方案見表1，變送風速度壓差預冷實驗方案見表3，變送風溫度壓差預冷實驗方案見表4。

圖3 熱電偶布置圖Fig·3 Diagramof thermocouple layout

表1 不同送風參數差壓預冷實驗方案Tab·1 Experiment design scheme for pressure pre-cooling of different supply air parameter

3)操作方法

預冷實驗前，先開啟壓縮機、差壓風機、加濕器，將裝置內濕度維持在80%，讓濕冷空氣在風道內循環(huán)一段時間，當裝置內溫度、濕度達到實驗要求時，將盛有西紅柿的包裝箱放入壓差預冷實驗裝置。實驗過程中壓縮機一直處于開機狀態(tài)，當送風溫度低于設定溫度時，通過電加熱器進行熱補償，調節(jié)電加熱器連接的變壓器的輸出功率，可調節(jié)加熱量以保證送風溫度恒定。通過調節(jié)軸流風機所連接的變頻器可調節(jié)風機轉速，以滿足實驗對不同送風速度的要求。當西紅柿中心溫度從初始溫度27℃降低到5℃時，停止實驗，將西紅柿從裝置中取出。為保證每次實驗西紅柿的初始溫度相同，將取出的西紅柿置于恒溫恒濕箱內加熱到27℃后再進行下次實驗，如此循環(huán)實現(xiàn)采用同一批西紅柿完成多次實驗。

2 結果與討論

2·1 送風風速對西紅柿預冷效果的影響

研究表明，位于包裝箱底層靠壁面附近的果蔬降溫特點具有代表性[17]。選取方案2所獲得的實驗數據，以第一層＃1、＃3、＃5測點西紅柿為研究對象，分析不同風速對西紅柿預冷速率的影響。圖4給出了三種送風速度下第一層＃5測點西紅柿中心溫度隨時間變化的測量結果。

圖4 T＝2℃工況下,不同送風速度下第一層＃5西紅柿中心溫度隨時間的變化曲線Fig·4 The relationshiPbetween 1 layer＃5 center temperature and time under the condition of different air supPly velocity and T＝2℃

由圖4可知，不同風速條件下西紅柿降溫曲線走勢相同，預冷前期西紅柿中心溫度迅速下降，之后趨于平緩，且風速越大降溫越快。這是由于預冷初期西紅柿內外溫差較大，單位時間換熱量大，降溫快；而隨著西紅柿溫度的降低，西紅柿內外溫差減少，單位時間換熱量減少，降溫速率減緩。

綜合分析方案1～方案3所獲得的實驗數據，可獲得送風速度對預冷時間的影響，圖5給出了第一層＃5測點西紅柿中心溫度達到6℃時，預冷時間隨風速的變化。由圖可知，預冷時間隨風速的增加而減少。由于風速越大，果蔬表面空氣擾動也越大，對流表面?zhèn)鳠嵯禂荡螅禍厮俾士?，從而縮短預冷時間。送風溫度為2℃時，風速的變化對預冷時間影響顯著，預冷風量由9.234 m3/(h·kg)增加到12.312 m3/(h· kg)，預冷時間縮短19.9%，風量從12.312 m3/(h·kg)增加到14.58 m3/(h·kg)，預冷時間縮短21.6%。

因為排序選擇法的選擇概率與適應度大小無直接關系，所以此方法能夠避免個體適應度過高或過低對被選概率的影響，這樣就能夠保持種群多樣性。選擇壓力是排序選擇法的一個重要參數，影響著算法的性能，過大易造成早熟，過小則使搜索隨機化，算法收斂速度變慢。

表2列出了不同送風速度下包裝箱兩端的壓差及風機能耗，由表可知，在其他條件不變情況下，包裝箱兩端的壓差隨風速的增加而增大，預冷時間隨風速的增加而縮短，但風機能耗隨風速的增加而增大。

2·2 送風溫度對西紅柿預冷效果的影響

以第一層＃1、＃3、＃5測點西紅柿為研究對象，分析不同送風溫度對西紅柿預冷速率的影響。選取方案6所獲得的實驗數據分析發(fā)現(xiàn)，送風溫度0℃、2℃、4℃條件下的西紅柿降溫曲線走勢相同，圖6給出了三種送風溫度下，第一層＃3測點西紅柿中心溫度隨時間變化的測量結果。

圖5 送風速度對預冷時間的影響Fig·5 Effect of air supply velocity on pre-cooling time

表2 不同風速下包裝箱兩端的壓差及風機能耗Tab·2 The differential pressure at the ends of the packing and the fan power consumption under the condition of different air supPly speed

圖6 v＝0·9m/s工況下,不同送風溫度下第一層＃3西紅柿中心溫度隨時間的變化曲線Fig·6 The relationshiPbetween 1 layer＃3 center temperature and time under the condition of different air supPly temperature and v＝0·9m/s

由圖6可知:不同送風溫度下西紅柿降溫曲線走勢相同，預冷初期西紅柿中心溫度迅速下降，之后趨于平緩；隨著送風溫度的降低，西紅柿降溫速率越快。送風溫度較低時，西紅柿內外溫差較大，單位時間內從西紅柿單位表面帶走的熱量多，因此降溫速率快。為縮短預冷時間，送風溫度越低越好，但送風溫度也不能過低。一方面過低的溫度會造成果蔬冷害；另一方面送風溫度越低，制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度也越低，系統(tǒng)制冷效率降低能耗增大。

圖7給出了第一層＃5測點西紅柿中心溫度達到6℃時，預冷時間隨送風溫度的變化趨勢。由圖可知，隨著送風溫度的降低，預冷時間減少幅度增大。送風溫度從4℃降低到2℃，預冷時間最大縮短33.9%，送風溫度從2℃降低到0℃，預冷時間最大縮短46.36%。

圖7 送風溫度對預冷時間的影響Fig·7 Effect of air supPly temperature on the pre-cooling time

2·3 變送風風速對西紅柿預冷過程節(jié)能效果的討論

由以上分析可知:預冷初期西紅柿降溫速率較快，風速對降溫速率的影響較大，而預冷后期，當西紅柿溫度降低到一定程度時，風速對降溫幅度影響不明顯。故在預冷后期，仍采用高風速對預冷速率影響不大，卻增加了風機能耗，因此可采用變風速調節(jié)技術。對西紅柿進行預冷實驗時，不同預冷期采用不同的風速，設計多種實驗方案進行對比實驗，實驗中固定送風溫度為2℃。表3列出了不同方案下的實驗結果。

從表3可以看出:方案8能耗最大而且預冷時間過長，可將方案8排除，其它方案能耗由高到低依次是方案4、方案3、方案6和方案7，方案1、方案2和方案5能耗較小。相對于方案6和方案7，方案2分別節(jié)能17.7%、14.5%。方案3和方案4也是采用變風速的預冷方案，預冷后半段采用較高的送風速度，雖然預冷時間有所減少，但單位時間功耗大，因此并不節(jié)能。方案4是在預冷過程中采用三段送風速度進行預冷，節(jié)能效果不顯著且操作相對復雜，所以實際中選擇兩段送風速度進行即可，綜合考慮，方案2是最優(yōu)的預冷方案。

表3 不同方案下風機能耗對比Tab·3 Comparison of fan energy consumption under different scheme

2·4 變送風溫度對西紅柿預冷過程節(jié)能效果的討論

由以上分析可知:預冷初期送風溫度對西紅柿降溫速率影響較大，而預冷后期，當西紅柿溫度降低到一定程度時，風溫對西紅柿降溫速率影響不大。故可以適當提高預冷初期的送風溫度，從而提高蒸發(fā)溫度，減少系統(tǒng)能耗。也可降低預冷后期的送風溫度，從而縮短預冷時間，減少整個預冷過程的能耗。實驗不同預冷階段采用不同的送風溫度，設計多種方案進行對比實驗，實驗固定送風速度為0.9 m/s。表4列出了不同方案下的實驗和理論計算結果。

表4中不同預冷階段所需時間通過實驗測定，與之對應的壓縮機功耗為理論計算值，計算時送風溫度和蒸發(fā)溫度溫差取8℃。對比工況6、工況7和工況8可知，隨著蒸發(fā)溫度的提高，壓縮機消耗減少，因此采用變蒸發(fā)溫度預冷有節(jié)能效果。各方案中，方案8預冷時間過長，首先排除，其它方案能耗由高到低依次是方案6、工況7、工況4和工況5，方案1、工況2和工況3能耗較小，而方案1能耗最小，相對于方案6和工況7，方案1分別節(jié)能10.5%、5.6%，且方案1預冷時間不到4 h。方案4采用三段送風溫度預冷，但節(jié)能效果不顯著且操作復雜。綜合考慮，在本實驗預冷條件下，方案1是最優(yōu)的預冷方案。

表4 不同方案下壓縮機能耗對比Tab·4 Comparison of compressor energy consumption under different scheme

3 結論

西紅柿壓差預冷過程，送風風量越大，西紅柿降溫速率越快，當風速增加到一定程度后，風速的變化對預冷時間和預冷均勻性影響不大，但風速繼續(xù)增大，風機能耗增加。送風溫度對預冷時間影響顯著，送風溫度越低，西紅柿降溫越快，預冷時間越短，為縮短預冷時間，送風溫度越低越好，但送風溫度也不能過低。

根據西紅柿降溫特點，提出變風速調節(jié)和變送風溫度調節(jié)技術。西紅柿由27℃降到15℃過程采用風速0.9 m/s，由15℃降到5℃采用風速0.57 m/s預冷，對比定送風速度預冷，差壓風機節(jié)能14.5%～17.7%；西紅柿由27℃降到10℃過程采取送風溫度為4℃，由10℃降到5℃采取送風溫度為2℃，對比定送風溫度預冷，制冷系統(tǒng)可節(jié)能5.6%～10.5%。

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About the corresponding author

Ding Feng，male，master candidate，Mechanical Engineering School，Tianjin University of Commerce，＋86 15522061855，E-mail:1047496347＠qq.com.Research fields:food cold chain technology.

Research on Energy Saving of Tomato Pressure Pre-cooling by Changing the Supply Air Parameter

Shen Jiang Ding Feng Zhang Xianhong

(Tianjin Key Lab of Refrigeration Technology，Tianjin University of Commerce，Tianjin，300134，China)

The supply air parameter of pressure pre-cooling directly influence the energy consumption of pre-cooling device.In this paper，an experimental platformfor pressure pre-cooling is set up，and tomatoes are chosen as experimental objects.The relationshiPbetween the tomato center temperature and the time is obtained under the condition of different supply air parameter.By analyzing the principle of tomato pre-cooling time，the tomato pre-cooling results and energy consumption of the pre-cooling device，the optimization scheme of variable supply air speed and temperature is proposed.It is shown that the supply air speed remains0.9m/swhile the tomato temperature drops from27℃ to 15℃，and remains0.57 m/s while the tomato temperature drops from15℃ to 5℃，the energy consumption of the fan can be reduced by 14.5%～17.7%；The supply air temperature remains 4℃ while the tomato temperature drops from27℃ to 10℃，and remains 2℃ while the tomato temperature drops from10℃ to 5℃，the energy consumption of the refrigeration systemcan be reduced by 5.6%～10.5%.

pressure pre-cooling；energy saving；variable supply air parameter；air supply velocity；air supply temperature

TB61＋1；TS255.3

A

0253－4339(2015)02－0113－06

10.3969/j.issn.0253－4339.2015.02.113

簡介

丁峰，男，碩士研究生，天津商業(yè)大學機械工程學院，15522061855，E-mail:1047496347＠qq.com。研究方向:食品冷鏈技術。

2014年9月13日