李 堯 萬金慶，2，3 王友君，2，3 孫曉琳，2，3 童 年

(1. 上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306；2. 上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心，上海 201306；3. 上海冷鏈裝備性能與節(jié)能評(píng)價(jià)專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，上海 201306；4. 安徽宜康高新農(nóng)業(yè)科技有限公司，安徽 合肥 230000)

隨著科技的發(fā)展，冷凍食品行業(yè)涌現(xiàn)了許多新興技術(shù)，但是鼓風(fēng)凍結(jié)仍然是主流的食品冷凍技術(shù)。在凍結(jié)過程中，食品的排列方式會(huì)對(duì)食品凍結(jié)速率產(chǎn)生影響，而凍結(jié)速率則是決定冷凍食品品質(zhì)的最直觀的因素之一。食品的凍結(jié)時(shí)間如果能夠被準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)，那么對(duì)于冷凍設(shè)備的改進(jìn)有著重大的意義。以往預(yù)測(cè)食品凍結(jié)時(shí)間所使用的方法主要是理論計(jì)算和依靠經(jīng)驗(yàn)公式，這些方法只能適用于一些簡(jiǎn)單的模型，獲取的信息量也較少，難以完成如今的研究課題。直接測(cè)量的方法雖然能得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果，但是要求研究對(duì)象具有穩(wěn)定的熱物理性質(zhì)且無法獲取食品在凍結(jié)過程的內(nèi)部變化，而且每次直接測(cè)量的結(jié)果都會(huì)有差異，使其難以推廣，操作成本也較高[1]。而數(shù)值模擬技術(shù)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法的缺陷，數(shù)值模擬技術(shù)不會(huì)受制于食品的形狀和復(fù)雜的凍結(jié)過程，而且能夠準(zhǔn)確地計(jì)算出食品各個(gè)位置的溫度、流場(chǎng)各點(diǎn)的流速以及食品與外界傳遞的熱量等重要信息[2]。與以往獲取食品凍結(jié)時(shí)間的方法相比，數(shù)值模擬技術(shù)具有巨大的優(yōu)勢(shì)，首先數(shù)值模擬操作簡(jiǎn)單，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，同時(shí)能夠大幅度降低試驗(yàn)成本，縮短試驗(yàn)周期。

國內(nèi)外諸多學(xué)者在如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)食品凍結(jié)時(shí)間這一問題上投入了大量的精力。Pham[3]研究發(fā)現(xiàn)為了保證食品凍結(jié)時(shí)間預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性必須根據(jù)不同的條件對(duì)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行修正。Cleland等[4]研究表明有限元法用于數(shù)值模擬可以準(zhǔn)確計(jì)算食品凍結(jié)時(shí)間和解凍時(shí)間。周小清等[5]比較了國內(nèi)外多種用于計(jì)算食品凍結(jié)時(shí)間的模型，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果最為準(zhǔn)確的是液氮凍結(jié)圓柱形食品的模型。目前大多數(shù)的數(shù)值模型都是以單體食品冷凍為基礎(chǔ)建立的，在預(yù)測(cè)多個(gè)食品的冷凍時(shí)間和降溫特性方面具有一定的局限性[6]，而在實(shí)際生產(chǎn)中是大量食品多批次冷凍處理，因此建立針對(duì)多個(gè)食品進(jìn)行數(shù)值模擬更具實(shí)際意義，且?guī)缀鯖]有關(guān)于凍品在制冷設(shè)備中不同排列方式的研究。試驗(yàn)擬針對(duì)多個(gè)馬鈴薯泥的鼓風(fēng)冷凍進(jìn)行模擬與試驗(yàn)研究，采用Fluent6.3.26模擬軟件，考察馬鈴薯泥排列方式和前后排位置改變對(duì)其凍結(jié)特性和設(shè)備能耗的影響，以期為實(shí)際生產(chǎn)提供參考。

1 物理模型

研究對(duì)象為Pr.c-15型普龍通高效保鮮鼓風(fēng)冷凍機(jī)和無包裝短圓柱狀馬鈴薯泥，冷凍機(jī)廂體空間尺寸為600 mm×600 mm×180 mm，馬鈴薯泥尺寸為Φ100 mm×100 mm，共計(jì)9個(gè)，分成3排擺放。以localX-Y-Z坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，將廂體模型的左下角頂點(diǎn)設(shè)為原點(diǎn)，流體流動(dòng)方向與Y軸正方向同向。對(duì)建立的馬鈴薯泥模型(見圖1)進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化劃分，選用的網(wǎng)格類型為Tet/Hybrid。

圖1 馬鈴薯泥的三維模型Figure 1 3D model of mashed potatoes

2 數(shù)學(xué)模型

由于實(shí)際情況有諸多不可控的影響因素，為了便于計(jì)算作出以下假設(shè)：① 廂體內(nèi)馬鈴薯泥初始溫度一致且分布均勻；② 輻射換熱對(duì)冷凍過程的影響忽略不計(jì)；③ 忽略凍結(jié)過程中傳質(zhì)的影響；④ 冷凍機(jī)廂體氣密性良好，內(nèi)部壁面為絕熱面；⑤ 空氣為不可壓縮的理想氣體，符合Boussinesq假設(shè)。

2.1 食品傳熱微分方程

基于前文的假設(shè)，冷凍機(jī)中的馬鈴薯泥處于理想化的狀態(tài)，從而簡(jiǎn)化了馬鈴薯泥的冷凍過程和后續(xù)的模擬計(jì)算，凍結(jié)過程中熱量傳遞的數(shù)學(xué)描述為[7]41-45：

(1)

式中：

T——溫度，℃；

t——凍結(jié)時(shí)間，s；

Cp——比熱容，kJ/(kg·K)；

k——導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

ρ——密度，kg/m3。

除馬鈴薯泥底面外，其余各面的換熱方式為強(qiáng)制對(duì)流換熱，可以視為第三類邊界條件[7]113-115，其數(shù)學(xué)描述為：

(2)

式中：

ω——邊界符號(hào)；

n——馬鈴薯泥表面外法線方向；

h——對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；

Tω——馬鈴薯泥表面溫度，℃；

Text——冷凍機(jī)內(nèi)冷空氣的溫度，℃。

廂體內(nèi)的冷空氣(流體)與馬鈴薯泥(固體)的接觸面為流—固耦合面，耦合面的參數(shù)在Fluent軟件中可以自動(dòng)生成。

試驗(yàn)時(shí)會(huì)先將冷凍機(jī)開啟一段時(shí)間進(jìn)行預(yù)冷，預(yù)冷結(jié)束時(shí)廂體底面溫度與冷空氣溫度近似相等，為了方便計(jì)算，在模型設(shè)置參數(shù)時(shí)將廂體底面溫度設(shè)置為冷空氣溫度(Tf)，馬鈴薯泥與廂體底面直接接觸，因此可將馬鈴薯泥底面溫度(Td)設(shè)置為廂體底面溫度，即Td=Tf[8]。馬鈴薯泥初始溫度(T0)取20 ℃。

2.2 食品熱物性參數(shù)

食品的組成成分比較復(fù)雜，使得食品的熱物理性質(zhì)并不是一個(gè)常量，而且冷凍過程中食品的相變階段是發(fā)生在一個(gè)較小的溫度范圍內(nèi)[9]。通過8個(gè)獨(dú)立參數(shù)對(duì)馬鈴薯泥的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行線性化處理[10]，公式為：

(3)

式中：

Ts——馬鈴薯泥完全凍結(jié)時(shí)其幾何中心的溫度，℃；

Tl——馬鈴薯泥開始凍結(jié)的溫度，℃；

ks——馬鈴薯泥完全凍結(jié)后的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

kl——馬鈴薯泥常溫狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

(4)

式中：

Cs——馬鈴薯泥完全凍結(jié)后的比熱容，kJ/(kg·K)；

Cmax——馬鈴薯泥在凍結(jié)過程中的最大比熱容，kJ/(kg·K)；

Cl——馬鈴薯泥常溫狀態(tài)下的比熱容，kJ/(kg·K)；

Tmax——馬鈴薯泥凍結(jié)過程中最大比熱容所對(duì)應(yīng)的溫度，℃。

馬鈴薯的密度為1 017 kg/m3，為了方便模擬計(jì)算，假定冷凍過程中密度保持不變。8個(gè)獨(dú)立參數(shù)如表1所示[10]。

表1 馬鈴薯泥相關(guān)物性參數(shù)Table 1 Thermal physical parameters of mashed potato

模型的velocity-inlet為冷凍機(jī)送風(fēng)口，風(fēng)速設(shè)為8 m/s，送風(fēng)溫度設(shè)為-30 ℃?；仫L(fēng)口設(shè)置為自由出流，流量比重設(shè)為1。馬鈴薯泥與冷風(fēng)的接觸表面設(shè)為流—固耦合面，可由Fluent計(jì)算出耦合壁面的對(duì)流換熱系數(shù)。

3 模擬求解與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 模型求解

為了提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用SSTk-ω紊流模型[11]，該模型在模擬計(jì)算流體與壁面分離以及低雷諾數(shù)下近壁面流動(dòng)方面有較為明顯的優(yōu)勢(shì)，求解器選用Pressure-based瞬時(shí)求解器。模擬計(jì)算初期的時(shí)間步長(zhǎng)為0.01 s，待殘差曲線收斂，可將時(shí)間步長(zhǎng)改為10 s，保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的同時(shí)加快了計(jì)算速度。能量方程計(jì)算結(jié)果的數(shù)量級(jí)達(dá)到10-6即可認(rèn)為結(jié)果收斂，其他方程的計(jì)算結(jié)果的數(shù)量級(jí)達(dá)到10-3即可。所有馬鈴薯泥幾何中心的溫度達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)值-18 ℃時(shí)數(shù)值模擬計(jì)算停止。

通過改變網(wǎng)格的尺寸大小對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性檢驗(yàn)，以順排為例，流體區(qū)域(冷空氣)網(wǎng)格間隔為10，固體區(qū)域(馬鈴薯泥)網(wǎng)格間隔為5，整體網(wǎng)格數(shù)量為706 249，計(jì)算得出的凍結(jié)時(shí)間為180 min。為驗(yàn)證網(wǎng)格的獨(dú)立性使用不同的網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到700 000時(shí)，網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響可以忽略，因此可以認(rèn)為模擬計(jì)算的結(jié)果排除了網(wǎng)格數(shù)量的影響。

表2 不同網(wǎng)格數(shù)量的凍結(jié)時(shí)間Table 2 Freezing time of different number of grids

3.2 模擬結(jié)果與分析

在localX-Y-Z坐標(biāo)系中，將廂體左下角頂點(diǎn)設(shè)為原點(diǎn)，對(duì)截面Z=50 mm處的結(jié)果進(jìn)行云圖繪制和分析。從圖2可看出，馬鈴薯泥背風(fēng)面的低風(fēng)速區(qū)域沿著風(fēng)向逐漸增大，迎風(fēng)面的高風(fēng)速區(qū)域沿著風(fēng)向逐漸減小，靠近送風(fēng)口的最上排馬鈴薯泥(第1排)周圍的風(fēng)速均勻性明顯差于最下排靠近出風(fēng)口的馬鈴薯泥(第3排)，相對(duì)而言，第3排馬鈴薯泥由于前排的遮擋，其與冷風(fēng)的換熱表面積小于第1排馬鈴薯泥的換熱表面積。

圖2 馬鈴薯泥順排排列時(shí)冷凍機(jī)廂體內(nèi)流場(chǎng)的速度云圖Figure 2 Velocity contour of flow field in container when mashed potato is arranged in line

選取截面Z=25 mm處不同時(shí)間點(diǎn)(40，120，160，180 min)的結(jié)果繪制溫度場(chǎng)的分布云圖并進(jìn)行分析。溫度場(chǎng)云圖如圖3所示。

根據(jù)馬鈴薯泥在凍結(jié)過程中物性的變化可以將整個(gè)過程劃分為預(yù)冷、相變和深冷3個(gè)階段。由馬鈴薯泥凍結(jié)曲線(圖4)看出，在預(yù)冷階段(0～40 min)降溫速率較快，三排馬鈴薯泥降溫均勻性基本一致。在t=120～160 min，馬鈴薯泥已經(jīng)完全進(jìn)入相變階段，靠近進(jìn)風(fēng)口的馬鈴薯泥無任何遮擋物，風(fēng)速最大，降溫速率最快，同時(shí)迎風(fēng)面的降溫速率要快于背風(fēng)面。與預(yù)冷段相比，處于相變段的馬鈴薯泥與其周圍環(huán)境的溫度差異較小，相變界面也逐漸從馬鈴薯泥表面推進(jìn)到馬鈴薯泥內(nèi)部。t=180 min時(shí)刻，馬鈴薯泥已經(jīng)進(jìn)入深冷段后期，所有馬鈴薯泥已完成相變，其中心溫度已到達(dá)冷凍結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)(-18 ℃)，第1排馬鈴薯泥的溫度遠(yuǎn)低于后兩排。

由圖3可以看出，馬鈴薯泥在凍結(jié)過程中，最前排的馬鈴薯泥降溫到-18 ℃所耗費(fèi)的時(shí)間遠(yuǎn)低于最后一排的，前后排馬鈴薯泥的溫度差異很明顯。在不考慮馬鈴薯泥位置擺放的情況下，凍結(jié)過程中鼓風(fēng)冷凍機(jī)的風(fēng)速和馬鈴薯泥與冷空氣的溫差是影響凍結(jié)速率的兩大主要因素。在預(yù)冷階段，馬鈴薯泥的溫度較高，而冷凍機(jī)廂體內(nèi)部經(jīng)過一段時(shí)間的開機(jī)預(yù)冷之后溫度較低，此時(shí)馬鈴薯泥與其周圍環(huán)境的溫差較大，在傳熱過程中占據(jù)主導(dǎo)作用，而風(fēng)速的影響較小，所以馬鈴薯泥迎風(fēng)面與背風(fēng)面的降溫速率無較大差異；當(dāng)凍結(jié)過程進(jìn)入相變段和深冷段，馬鈴薯泥與其周圍環(huán)境的溫差逐漸減小，此時(shí)風(fēng)速逐漸替代溫差成為影響傳熱過程的主導(dǎo)因素，掠過馬鈴薯泥迎風(fēng)面的空氣流速要大于背風(fēng)面，所以馬鈴薯泥迎風(fēng)面的降溫速率要快于背風(fēng)面，也因此造成了馬鈴薯泥的凍結(jié)不均勻。

圖3 不同時(shí)刻溫度場(chǎng)云圖Figure 3 Contours of static temperature of freezing process

3.3 模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)儀器：Agilent-34972A型數(shù)據(jù)采集儀(上海精測(cè)電子有限公司)，T型銅—康銅熱電偶(外徑1 mm，精度±0.3 ℃，上海精測(cè)電子有限公司)。試驗(yàn)材料為從超市采購的新鮮馬鈴薯自制而成的馬鈴薯泥。將熱電偶探頭插入馬鈴薯泥的幾何中心，對(duì)冷凍機(jī)進(jìn)行預(yù)冷操作，即將冷凍機(jī)廂體內(nèi)溫度降至-30 ℃并維持30 min，然后將自制的馬鈴薯泥放入廂體，溫度數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為10 s，當(dāng)所有馬鈴薯泥的中心溫度降至-18 ℃時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。

圖4為馬鈴薯泥中心平均溫度的模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖。凍結(jié)過程中3個(gè)階段的最大溫差分別為1.9，2.1，5.7 ℃，分別處于21，165，180 min。由數(shù)值模擬計(jì)算的馬鈴薯泥凍結(jié)時(shí)間為180 min，通過試驗(yàn)測(cè)量的凍結(jié)時(shí)間為185 min，兩者相對(duì)誤差為2.7%，在允許誤差范圍內(nèi)，由此可得出該數(shù)值模型具有較高的準(zhǔn)確性。

圖4 馬鈴薯泥中心平均溫度的變化曲線Figure 4 Comparison of simulated and test temperature during freezing

4 馬鈴薯泥排列方式對(duì)其凍結(jié)特性的影響

馬鈴薯泥以順排的方式進(jìn)行排列時(shí)，靠近送風(fēng)口的馬鈴薯泥對(duì)后排的遮擋會(huì)對(duì)后排馬鈴薯泥的凍結(jié)過程產(chǎn)生負(fù)面影響，后排馬鈴薯泥的迎風(fēng)面處于前排馬鈴薯泥背風(fēng)面的風(fēng)速滯止區(qū)域內(nèi)，掠過后排馬鈴薯泥的空氣流速較小導(dǎo)致降溫速率降低，因此采用叉排的排列方式(圖5)以降低前排馬鈴薯泥遮擋產(chǎn)生的負(fù)面影響。

叉排排列會(huì)減少馬鈴薯泥的數(shù)量，冷凍負(fù)荷的變化會(huì)對(duì)凍結(jié)過程產(chǎn)生影響，為了盡可能消除冷凍負(fù)荷的變化帶來的影響，試驗(yàn)中將減少的那部分馬鈴薯泥平均分配給剩下的8份馬鈴薯泥，這種做法雖然會(huì)增加馬鈴薯泥的高度，不過高度增加的幅度不大，僅增加了12.5 mm，帶來的影響可以忽略不計(jì)。圖5所示，叉排排列在很大程度上消除了前排馬鈴薯泥背風(fēng)面風(fēng)速滯止區(qū)對(duì)后排的不良影響，與此同時(shí)，叉排排列可以增強(qiáng)氣流擾動(dòng)，強(qiáng)化了降溫過程中的換熱效果，進(jìn)而能夠加快降溫速率，縮短凍結(jié)時(shí)間。在不同風(fēng)速條件下對(duì)順排和叉排進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明叉排能夠有效縮短凍結(jié)時(shí)間，如圖6所示，馬鈴薯泥以叉排排列時(shí)完成凍結(jié)的時(shí)間明顯少于順排時(shí)所花費(fèi)的時(shí)間。其中風(fēng)速為10 m/s時(shí)，凍結(jié)時(shí)間縮短幅度最大，為8.5%；風(fēng)速為6 m/s時(shí)凍結(jié)時(shí)間縮短幅度最小，為3.5%。

圖5 叉排流場(chǎng)風(fēng)速云圖Figure 5 Velocity contour of staggered row

采用溫度變異系數(shù)來評(píng)價(jià)不同位置馬鈴薯泥間的溫度差異性[12]。

(5)

式中：

V——溫度變異系數(shù)；

N——馬鈴薯泥總數(shù)；

Ti——第i個(gè)馬鈴薯泥中心溫度，℃。

排列方式對(duì)溫度變異系數(shù)的影響見圖7。在不同的風(fēng)速條件下，叉排的溫度變異系數(shù)都要小于順排，即叉排時(shí)不同位置的馬鈴薯的中心溫度差異較小，且風(fēng)速對(duì)溫度變異系數(shù)的影響與文獻(xiàn)[8]的結(jié)論一致。較小的溫度變異系數(shù)意味著各個(gè)馬鈴薯泥的中心溫度達(dá)到設(shè)定目標(biāo)值-18 ℃所需要的時(shí)間的差距越小，且第一個(gè)中心溫度達(dá)到目標(biāo)值的馬鈴薯泥與最后一個(gè)相比，兩者中心溫度相差不大。

圖7 不同風(fēng)速下排列方式對(duì)溫度變異系數(shù)的影響Figure 7 Effects of arrangement on coefficient of variation of temperature under different wind speed

在馬鈴薯泥的凍結(jié)過程中，由于空氣參數(shù)(馬鈴薯泥周圍的空氣溫度和速度)受到冷凍機(jī)廂體的幾何尺寸和馬鈴薯泥排列方式等因素的影響，難以保持一致性，這種差異性采用凍結(jié)時(shí)間不均勻度作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[13]。

(6)

式中：

θ——凍結(jié)時(shí)間不均勻度；

N——馬鈴薯泥總數(shù)；

τi——第i個(gè)馬鈴薯泥的凍結(jié)時(shí)間，min。

如圖8所示，叉排的凍結(jié)時(shí)間不均勻度普遍小于順排，意味著相較于順排，叉排排列時(shí)不同位置馬鈴薯泥達(dá)到目標(biāo)溫度-18 ℃所需時(shí)間相差不大。

圖8 不同風(fēng)速下排列方式對(duì)凍結(jié)時(shí)間不均勻度的影響Figure 8 Effects of arrangement on unevenness of freezing time under different wind speed

在食品冷凍行業(yè)，巨大的設(shè)備能耗增加了企業(yè)的成本，于是如何有效降低能耗成為一個(gè)重要課題。試驗(yàn)使用電能綜合分析測(cè)試儀DZFC-1采集速凍機(jī)的能耗數(shù)據(jù)(耗電量)，由于不同的冷凍負(fù)荷會(huì)對(duì)速凍機(jī)的耗電量產(chǎn)生影響，因此試驗(yàn)時(shí)將冷凍負(fù)荷設(shè)定為速凍機(jī)的額定處理量15 kg，即凍結(jié)15 kg馬鈴薯泥。

試驗(yàn)器材：DZFC-1型電能綜合分析測(cè)試儀(上海存昊電子技術(shù)有限公司)；Pr.c-15型普龍通高效保鮮鼓風(fēng)冷凍機(jī)(西安安慶集團(tuán)有限公司)。采用三相三線電路接線法將電能綜合分析測(cè)試儀連接到冷凍機(jī)電源進(jìn)線上，冷凍機(jī)能耗數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為30 min，當(dāng)所有馬鈴薯泥的中心溫度降至-18 ℃時(shí)停止數(shù)據(jù)采集，試驗(yàn)結(jié)束。

如圖9所示，叉排能夠有效降低設(shè)備能耗，能耗最多降低了4.6%，最少降低了2.7%。相較于順排排列，在冷凍負(fù)荷上叉排排列不具備優(yōu)勢(shì)，但考慮到前文提及的凍結(jié)時(shí)間、溫度變異系數(shù)等指標(biāo)，叉排的優(yōu)勢(shì)明顯。因此實(shí)際生產(chǎn)中，在條件允許的情況下將食品按照叉排排列進(jìn)行冷凍，既能保證冷凍食品的品質(zhì)，又能降低冷凍設(shè)備能耗，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。

圖9 不同風(fēng)速下排列方式對(duì)能耗的影響Figure 9 Effects of arrangement on energy consumption under different wind speed

5 馬鈴薯泥位置的改變對(duì)其凍結(jié)特性的影響

根據(jù)前文叉排能夠有效降低溫度變異系數(shù)和凍結(jié)時(shí)間不均勻度，但是靠近送風(fēng)口馬鈴薯泥和靠進(jìn)出風(fēng)口馬鈴薯泥的中心溫度差異依然較大，因此在凍結(jié)過程中調(diào)換這兩排馬鈴薯泥的位置以實(shí)現(xiàn)減小溫度差異的目的。由于預(yù)冷段和深冷段在整個(gè)凍結(jié)過程中所占時(shí)間較短，在這兩個(gè)階段調(diào)換馬鈴薯泥的位置所造成的影響甚微[14]，而相變段在凍結(jié)過程中耗時(shí)最久，因此僅考慮在相變段進(jìn)行兩次位置的調(diào)換。試驗(yàn)中通過人工的方法實(shí)現(xiàn)位置的調(diào)換，在設(shè)定時(shí)間打開速凍機(jī)廂門將馬鈴薯泥按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°且將操作時(shí)間控制在30 s內(nèi)以降低開啟廂門所造成的影響。

如圖10所示，順排排列時(shí)分別在t=80 min和t=140 min調(diào)換馬鈴薯泥位置的凍結(jié)速率明顯快于其他時(shí)刻；相較于位置不動(dòng)，在t=80 min和t=140 min調(diào)換位置凍結(jié)時(shí)間縮短了8.6%，其他時(shí)刻位置調(diào)換雖然凍結(jié)速率都有不同程度的提升，但是提升幅度不大，t=60 min和t=140 min的提升幅度僅次于t=80 min和t=140 min 的最佳組合，但凍結(jié)時(shí)間只縮短了5.4%。叉排排列時(shí)，調(diào)換馬鈴薯泥位置的最佳時(shí)刻組合為t=60 min和t=120 min，相較于位置不變，該時(shí)刻組合的凍結(jié)時(shí)間縮短了5.7%。可以看出位置調(diào)換對(duì)順排的影響較為明顯。

圖10 不同時(shí)刻調(diào)換馬鈴薯泥位置平均凍結(jié)速率對(duì)比Figure 10 Comparison of average freezing rate of potato mash at different time points

如圖11所示，位置調(diào)換對(duì)溫度變異系數(shù)影響顯著，與位置不變相比，在不同時(shí)刻調(diào)換馬鈴薯泥的位置都能在不同程度上減小溫度變異系數(shù)。馬鈴薯泥以順排排列時(shí)，在t=80 min和t=140 min進(jìn)行位置調(diào)換，馬鈴薯泥中心溫度變異系數(shù)最小，相較于位置不變，溫度變異系數(shù)減小了3.4%；而叉排時(shí)，位置調(diào)換的最佳時(shí)刻組合則是t=60 min和t=120 min，與位置不變相比，降幅達(dá)到了3.1%。

圖11 位置變化對(duì)溫度變異系數(shù)的影響Figure 11 Effects of position change on the coefficient of temperature variation

位置調(diào)換對(duì)凍結(jié)時(shí)間不均勻度的影響如圖12所示。不同時(shí)刻對(duì)馬鈴薯泥進(jìn)行位置的調(diào)換，其凍結(jié)時(shí)間不均勻度都有不同程度的降低。順排排列時(shí)，在t=80 min和t=140 min調(diào)換馬鈴薯泥的位置，凍結(jié)時(shí)間不均勻度減小幅度最大，降幅達(dá)到2.8%。排列方式為叉排時(shí)，最佳位置變換的時(shí)刻組合是t=60 min和t=120 min，此時(shí)馬鈴薯泥的凍結(jié)時(shí)間不均勻度最小，相比于位置不變降低了3.6%。

圖12 位置變換對(duì)凍結(jié)時(shí)間不均勻度的影響Figure 12 Effects of position change on unevenness of freezing time

能耗數(shù)據(jù)由電能綜合分析測(cè)試儀DZFC-1進(jìn)行采集，位置調(diào)換對(duì)能耗的影響如圖13所示，位置調(diào)換能夠有效降低設(shè)備能耗，降低幅度有所差異，馬鈴薯泥呈順排排列時(shí)，與位置不變相比t=80 min和t=140 min調(diào)換位置能耗降低幅度最大，能耗降低了9.5%；而叉排時(shí)最佳調(diào)換馬鈴薯泥位置的時(shí)刻是t=60 min和t=120 min，此時(shí)的能耗比位置不變降低了9.8%。

圖13 位置變換對(duì)能耗的影響Figure 13 Effects position change on energy consumption

6 結(jié)論

(1)在不同的風(fēng)速條件下，叉排的各項(xiàng)指標(biāo)都明顯優(yōu)于順排。叉排的排列方式增強(qiáng)了流場(chǎng)中的氣流擾動(dòng)，對(duì)冷凍過程中的對(duì)流換熱起到了強(qiáng)化作用，換熱效果的強(qiáng)化加快了馬鈴薯泥的凍結(jié)過程，即凍結(jié)時(shí)間縮短；由于整個(gè)凍結(jié)過程的加快，前后排馬鈴薯泥的中心溫度差異性也有所降低。

(2)變換馬鈴薯泥前后排的位置同樣能夠有效縮短凍結(jié)時(shí)間，降低設(shè)備能耗，一定程度上提升凍品的品質(zhì)。位置的改變影響了馬鈴薯泥周圍氣流的流速，由于前排馬鈴薯泥的阻礙，氣流流經(jīng)后排馬鈴薯泥時(shí)氣流流速已經(jīng)有所降低，將前排和后排馬鈴薯泥進(jìn)行調(diào)換可認(rèn)為是增大了后排馬鈴薯泥周圍氣流的流速，強(qiáng)化了對(duì)流換熱，從而加快了凍結(jié)過程，且降低了前后排馬鈴薯泥中心溫度的差異性。

(3)將叉排與位置改變結(jié)合能夠大幅縮短凍結(jié)時(shí)間，降低制冷設(shè)備的能耗，該研究中馬鈴薯泥采用叉排排列方式，同時(shí)在t=60 min和t=120 min時(shí)刻改變馬鈴薯泥的位置是最佳組合，該組合的凍結(jié)時(shí)間為161 min，能耗為5.19 kW·h，相較于馬鈴薯泥順排排列且位置不變凍結(jié)時(shí)間縮短了10.5%，能耗降低了11.9%。

(4)試驗(yàn)未深入研究排列方式和位置改變對(duì)換熱系數(shù)的影響，后期可針對(duì)換熱系數(shù)進(jìn)行研究，進(jìn)一步了解排列方式和位置改變對(duì)換熱過程的影響。