于永順， 楊永發(fā)

(西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224)

預(yù)冷是將收獲的水果和蔬菜迅速冷卻到適合運(yùn)輸或儲(chǔ)存的溫度的過(guò)程。果蔬收獲以后，仍然保持著呼吸作用，即吸收氧氣，產(chǎn)生大量呼吸熱，消耗自身養(yǎng)分。結(jié)果造成果蔬凋萎、變色、軟化，以致發(fā)霉腐爛，失去商品價(jià)值[1]。采后迅速降低果蔬的溫度，可以有效地減弱果蔬的呼吸，延緩果蔬的新陳代謝過(guò)程，保持果蔬的品質(zhì)，延長(zhǎng)貨架期。

差壓預(yù)冷是通過(guò)機(jī)械加壓在預(yù)冷果蔬包裝箱兩側(cè)產(chǎn)生一定的差壓，增加冷空氣與預(yù)冷果蔬的接觸面積，迫使冷空氣完全通過(guò)果蔬表面，迅速帶走果蔬表面的熱量，并將預(yù)冷的水果和蔬菜迅速冷卻到一定的溫度值的一種空氣預(yù)冷新形式。相比于常規(guī)室內(nèi)冷卻比較，差壓預(yù)冷冷卻速度快，冷卻時(shí)間短，且冷卻均勻耗能低[2]。差壓預(yù)冷要求果蔬包裝箱兩側(cè)必須打孔，包裝后按一定方式放在風(fēng)道兩側(cè)[3]。目前，我國(guó)差壓預(yù)冷行業(yè)的發(fā)展還不成熟。水果和蔬菜的儲(chǔ)存大多以大規(guī)模冷藏的方式進(jìn)行。冷鏈產(chǎn)業(yè)一直是世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)，我國(guó)也越來(lái)越重視冷鏈產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，以下簡(jiǎn)稱CFD)，是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的一種數(shù)值計(jì)算工具，用于求解流體的流動(dòng)和換熱問(wèn)題[4]。運(yùn)用CFD技術(shù)，通過(guò)建立三維模型并借助可靠的數(shù)值計(jì)算就可以模擬出整個(gè)預(yù)冷庫(kù)內(nèi)流場(chǎng)的流動(dòng)情況，具有成本低、效率高的優(yōu)點(diǎn)[5]。田甜等建立了冷庫(kù)內(nèi)氣流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)CFD技術(shù)，比較了不同冷卻風(fēng)機(jī)的布置情況對(duì)冷庫(kù)氣流組織的影響。結(jié)果表明，對(duì)于氣流移動(dòng)距離較短的小型冷庫(kù)，冷卻風(fēng)機(jī)布置在寬度方向氣流組織能夠均勻分布于冷庫(kù)內(nèi)，死角區(qū)域較少[6]。

1 數(shù)學(xué)物理模型的建立

1.1 整機(jī)模型

差壓預(yù)冷裝置主要由制冷機(jī)組(壓縮機(jī)、空冷冷凝器、節(jié)流閥)、冷卻風(fēng)機(jī)、卷簾裝置、差壓風(fēng)箱、預(yù)冷庫(kù)、密封門(mén)等組成。整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在冷卻風(fēng)機(jī)底部與差壓風(fēng)箱頂部密封安裝卷簾裝置，即遮風(fēng)幕布可以移動(dòng)到能覆蓋貨物區(qū)的上方，使得冷卻風(fēng)機(jī)出風(fēng)口的冷空氣從貨物區(qū)上部流動(dòng)并從密封門(mén)所處位置回流到差壓風(fēng)箱所在位置，冷空氣快速均勻地吹過(guò)包裝箱內(nèi)果蔬的表面，帶走熱量，從而達(dá)到給果蔬預(yù)冷的作用。本試驗(yàn)差壓預(yù)冷機(jī)外部隔熱層采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料(導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.031 W/m·k)，厚度為δ=0.1 m。冷卻設(shè)備為一臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)，總風(fēng)量為12 000 m3/h，功率為550 W，為懸吊式安裝在差壓風(fēng)箱上部。相關(guān)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 差壓預(yù)冷整機(jī)結(jié)構(gòu)1.預(yù)冷庫(kù)；2.差壓風(fēng)箱；3.卷簾裝置；4.制冷機(jī)組；5.冷卻風(fēng)機(jī)；6.密封門(mén)

表1 技術(shù)參數(shù)

1.2 貨物處理

預(yù)冷庫(kù)內(nèi)準(zhǔn)備預(yù)冷的貨物為番茄，放置在包裝箱中，堆垛存放，包裝箱尺寸為56×36×16 cm，貨物堆成3垛，每垛11層，每層有3×8個(gè)包裝箱。根據(jù)這種存放方式，為方便研究和建模，可以將貨物整體看成三個(gè)水平布置的立方體(288×56×176 cm)，并作為整體熱源項(xiàng)處理，其熱流量為35 W/m3。

1.3 數(shù)值模擬

1.3.1 控制方程

差壓預(yù)冷庫(kù)采用冷卻風(fēng)機(jī)與差壓風(fēng)箱強(qiáng)制空氣循環(huán)，預(yù)冷庫(kù)流場(chǎng)區(qū)屬于大空間紊流流動(dòng)換熱(雷諾數(shù)為106數(shù)量級(jí))[7]。為取得預(yù)冷庫(kù)數(shù)值模擬的結(jié)果，首先要建立合適的描述預(yù)冷庫(kù)內(nèi)流動(dòng)換熱的數(shù)學(xué)模型，下列通用微分方程用來(lái)描述預(yù)冷庫(kù)內(nèi)的氣體流場(chǎng)[8]。

式中：ρ為密度；t為時(shí)間；φ為通用變量；V為各方向速度；Γ為與φ相對(duì)應(yīng)的廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為與φ相對(duì)應(yīng)的廣義源項(xiàng)。

1.3.2 預(yù)冷庫(kù)內(nèi)熱流量計(jì)算

預(yù)冷庫(kù)內(nèi)熱流量主要來(lái)自貨物番茄自身呼吸熱和庫(kù)體圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱流量，按每立方米番茄重量為500 kg計(jì)算，呼吸熱總值為140 W；圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱流量主要來(lái)自庫(kù)內(nèi)外溫差不同以及受太陽(yáng)輻射的作用產(chǎn)生的耗冷量，具體數(shù)值可由下式計(jì)算[9]：

Q1=αKΑΔt=αKΑ(tw-tn)

式中：Q1為箱體圍護(hù)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的耗冷量，W；K為箱體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)；A為箱體圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱面積，m2；tw為箱外計(jì)算溫度，℃；tn為箱外計(jì)算溫度，℃；α為室內(nèi)外的溫差修正系數(shù)。

由上式可計(jì)算得出Q1=350.72 W。

1.4 邊界條件

設(shè)計(jì)要求番茄需預(yù)冷到適宜貯藏的溫度2 ℃，其邊界條件進(jìn)行如下設(shè)置：冷卻風(fēng)機(jī)出風(fēng)口為入口邊界，經(jīng)風(fēng)速儀及熱電偶多次測(cè)量取平均入口風(fēng)速為7 m/s，溫度為270 K(-3 ℃)。在標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型中，由于κ值很難用實(shí)驗(yàn)測(cè)得，因此采用湍流強(qiáng)度來(lái)定義湍流，取為5%[10]；差壓風(fēng)箱回風(fēng)口為出口邊界，采用壓力出口條件設(shè)置其溫度為273 K(0 ℃)，表壓強(qiáng)為-5 Pa。

2 結(jié)果與分析

采用SOLIDWORKS軟件進(jìn)行三維幾何建模并將幾何文件導(dǎo)入ANSYS Workbench 2021R1軟件中，進(jìn)行Mesh網(wǎng)格劃分及FLUENT三維數(shù)值模擬分析，得到了差壓預(yù)冷庫(kù)內(nèi)流場(chǎng)分布的仿真結(jié)果。通過(guò)選取三維預(yù)冷庫(kù)的典型截面，分析其流場(chǎng)分布，研究了差壓式預(yù)冷庫(kù)的預(yù)冷效果。物理模型的網(wǎng)格劃分示意圖如圖2所示。

圖2 物理模型網(wǎng)格劃分

2.1 流場(chǎng)分析

2.1.1 溫度場(chǎng)分析

空箱狀態(tài)下當(dāng)冷卻風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速7 m/s時(shí)，距離底面1 m和距離冷卻風(fēng)機(jī)2 m處的溫度分布如圖3所示。由圖3可知，庫(kù)體內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布情況整體較均勻，在庫(kù)體外圍區(qū)域，由于預(yù)冷庫(kù)與外界進(jìn)行熱交換，因而溫度高于內(nèi)部氣體溫度。實(shí)箱狀態(tài)下冷卻風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速7 m/s時(shí)，X-Y截面上庫(kù)體內(nèi)部的溫度分布如圖4所示。由圖4可知，溫度場(chǎng)分布相對(duì)均勻，由于貨物區(qū)自身存在呼吸熱，使得貨物區(qū)溫度較高。冷卻風(fēng)機(jī)和差壓風(fēng)箱相互作用，強(qiáng)制冷風(fēng)快速通過(guò)貨物區(qū)實(shí)現(xiàn)換熱的作用，因此流向差壓風(fēng)箱內(nèi)部的氣體溫度明顯高于其他區(qū)域溫度。

圖3 空箱狀態(tài)下溫度場(chǎng)分布

圖4 實(shí)箱狀態(tài)下溫度場(chǎng)分布

2.1.2 速度場(chǎng)分析

X-Y截面下庫(kù)體內(nèi)部的速度分布如圖5所示，該分布圖可以反應(yīng)庫(kù)體空間區(qū)域的氣流流動(dòng)情況。由圖5可知，出風(fēng)口處的速度最高，貨物區(qū)頂部的速度較高。由于庫(kù)體墻壁的屏障，氣流在墻壁上形成渦流區(qū)。貨物區(qū)由于貨物箱體的阻礙速度較低，差壓風(fēng)箱由于靜壓作用強(qiáng)吸冷空氣，因此速度較高。合理設(shè)置出風(fēng)口和回風(fēng)口的差壓是設(shè)計(jì)差壓預(yù)冷裝置的關(guān)鍵。

圖5 預(yù)冷庫(kù)內(nèi)部速度場(chǎng)分布

2.1.3 壓力場(chǎng)分析

X-Y截面下預(yù)冷庫(kù)內(nèi)部的壓力分布如圖6所示，對(duì)比圖5可知，壓力場(chǎng)的分布與出風(fēng)口和回風(fēng)口的風(fēng)速密切相關(guān)。出風(fēng)口的風(fēng)速較大，因此壓力也較大。差壓風(fēng)箱起到吸引冷空氣回流的作用，因此此處壓力相對(duì)較小。當(dāng)氣體與預(yù)冷庫(kù)前壁之間形成渦流區(qū)時(shí)，氣體的流動(dòng)因?qū)α鳑_擊而加劇，壓力反而升高。當(dāng)氣流通過(guò)貨物區(qū)時(shí)，風(fēng)速降低，壓力降低。

圖6 預(yù)冷庫(kù)內(nèi)部壓力場(chǎng)分布

2.2 冷卻風(fēng)機(jī)風(fēng)速對(duì)溫度場(chǎng)的影響

三種不同的冷卻風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速下的溫度場(chǎng)分布圖如圖7所示，從左至右風(fēng)速依次為4、7、10 m/s。由圖7很明顯看出，在不同的風(fēng)速下，溫度場(chǎng)的分布變化很大。風(fēng)速越高，貨物區(qū)的溫度越低。在4 m/s的風(fēng)速下，貨物區(qū)的溫度平均在298 K(24 ℃)左右，此風(fēng)速下預(yù)冷效果并不理想；在7 m/s的風(fēng)速下，貨物區(qū)的溫度平均在276 K(2 ℃)左右，此風(fēng)速下符合設(shè)計(jì)要求的預(yù)冷效果；在10 m/s的風(fēng)速下，貨物區(qū)的溫度平均在268K(-5 ℃)左右，此風(fēng)速下預(yù)冷效果較為明顯。

圖7 三種不同風(fēng)速下的溫度場(chǎng)分布

2.3 貨物堆放形式對(duì)預(yù)冷庫(kù)溫度場(chǎng)的影響

對(duì)兩種不同的貨物堆放形式進(jìn)行模擬，即2列和3列堆放形式。距送風(fēng)口垂直截面下2 m處兩種不同堆放形式下的溫度場(chǎng)分布如圖8所示，從圖8可以清楚地看出，貨物的堆放形式對(duì)預(yù)冷庫(kù)貨物區(qū)的溫度場(chǎng)分布有很大影響。兩列堆放形式的貨物區(qū)域溫度明顯高于三列堆放形式的貨物區(qū)域溫度。通過(guò)分析得知，2垛堆放形式的貨物區(qū)溫度較高的原因是由于冷卻風(fēng)機(jī)的中間風(fēng)扇口的大部分冷風(fēng)通過(guò)2垛貨物中間的較大間隙回流到差壓風(fēng)箱中，使得在相同氣體流量下，2垛堆放形式的預(yù)冷效率不高，因此貨物區(qū)溫度明顯高于3垛堆放形式。另外，3垛堆放形式下的貨物區(qū)與庫(kù)體壁之間由于風(fēng)道間隙較小，其溫度高于貨物區(qū)，可能造成此處放置的貨物預(yù)冷不徹底，改進(jìn)時(shí)可以通過(guò)在3垛堆放形式的基礎(chǔ)上適當(dāng)增大風(fēng)道間隙或者調(diào)整包裝箱的尺寸。

圖8 兩種不同堆放形式下的溫度場(chǎng)分布

3 結(jié)論

(1)建立了差壓預(yù)冷裝置的數(shù)學(xué)物理模型，模擬分析了其庫(kù)內(nèi)氣流溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的分布情況，為后續(xù)差壓預(yù)冷設(shè)備的選型提供了參考依據(jù)。

(2)通過(guò)改變冷卻風(fēng)機(jī)的不同出風(fēng)口風(fēng)速，模擬其溫度場(chǎng)的分布情況，結(jié)果表明差壓預(yù)冷機(jī)的預(yù)冷效果與冷卻風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速密切相關(guān)，風(fēng)速越大，貨物區(qū)的溫度值越低，合理控制風(fēng)速是適應(yīng)不同貨物預(yù)冷到最佳溫度的關(guān)鍵。

(3)兩種不同的堆放形式下的溫度場(chǎng)分布情況表明應(yīng)當(dāng)根據(jù)冷卻風(fēng)機(jī)的風(fēng)扇數(shù)合理布置堆放形式，即風(fēng)扇數(shù)對(duì)應(yīng)碼垛數(shù)，使得預(yù)冷效率合理利用。另外，適當(dāng)增加空氣流通間隙可以提高預(yù)冷的效率，堆放越密集，越不利于貨物區(qū)的散熱。