仇富強

(銅陵學院 電氣工程學院，安徽 銅陵 244061)

高壓靜電解凍技術采用高壓靜電場微能源作用于冷鮮肉，使其可在低溫條件下即可解凍，具有解凍速度快、解凍后肉樣溫度分布均勻、肉汁流失少、可以有效防止冷鮮肉的油脂酸化，且可殺菌，有利于保證冷鮮肉解凍品質(zhì)[1-3]，是一種前景廣闊的解凍方法。

目前，高壓靜電場已逐漸應用于食品加工產(chǎn)業(yè)[4-7]。在解凍方面國內(nèi)已有部分學者進行研究，如郭衍銀等[8]進行了高壓靜電場用于解凍速凍冬棗的實驗研究，研究表明：采用該方法冬棗汁液流失較少，品質(zhì)佳。孫芳等[9]對牛肉做了高壓靜電解凍實驗，研究表明，與常規(guī)解凍方法相比，其解凍時間、失水率、外觀和肉色值差異均有明顯改善。唐樹培等[10-11]研發(fā)了一臺新型高壓靜電解凍柜，可用于冷凍肉的解凍。并以羊胴體為研究對象進行了解凍實驗。結(jié)果表明，采用高壓電場解凍所需時間短、汁液流失率低，且解凍后羊胴體外觀新鮮、肉色澤差異顯著、并能抑制細菌生長。臧芳波等[12]對高壓靜電解凍柜應用于肉類及肉制品時對持水性、肌肉結(jié)構、顏色等方面的影響進行了歸納，并對其發(fā)展前景進行了展望。馬堅研究了高壓靜電場對牛里脊肉凍結(jié)和解決的保鮮[13]。 目前國內(nèi)在高壓靜電場解凍方面的研究相對較少。而高壓靜電解凍柜作為一種解凍設備，由于結(jié)構原因，采用高壓靜電解凍柜解凍時受氣流分部影響，其內(nèi)部溫度可能會分布不均，局部溫度甚至高于程序設定值[14]。這將影響物料解凍后的品質(zhì)。但目前還未見有人進行氣流分布優(yōu)化方面的研究工作。

本研究采用Computational Fluid Dynamics (CFD)模擬軟件，通過建立高壓靜電解凍柜物風機熱對流穩(wěn)態(tài)湍流數(shù)學模型，對強制送風情況下解凍柜內(nèi)溫度場和速度場分布進行研究。該研究有助于了解高壓靜電棋柜內(nèi)空氣流動和溫度分布特點，給出物料的最優(yōu)放置區(qū)域、提出優(yōu)化措施，進而提高物料解凍品質(zhì)，為今后高壓靜電柜設計和物料放置提供一些參考意見。

1 計算流體力學及計算步驟

解凍柜內(nèi)合理的氣體流場可使柜內(nèi)冷量分配均勻，從而達到提高產(chǎn)品品質(zhì)、降低能耗的目的[15]。采用CFD軟件可對整個流場的氣流變化進行模擬，更好地對解凍柜內(nèi)流體的流動變化進行分析。所用CFD的研究步驟如圖1所示[16]。

圖1 計算流體力學的基本步驟

2 高壓靜電解凍柜數(shù)值模擬

本研究設計的高壓靜電解凍柜實物如圖2所示。其內(nèi)部尺寸為：1 100 mm×600 mm×1 490 mm(長×寬×高)。解凍柜體圍護結(jié)構采用不銹鋼板，隔熱層采用聚氨酯發(fā)泡，厚度為75 mm，雙層密封玻璃門。該解凍柜所用制冷系統(tǒng)為風冷渦旋式；冷風機為SCL 100D型離心式，吊頂置于解凍柜內(nèi)頂部，風機留有3個送風口，送風口尺寸為172 mm×150 mm×50 mm，各送風口間距為46 mm，風機后部設有回風口，回風口尺寸為608 mm×200 mm×50 mm，冷風機前部距柜壁140 mm，后部距柜壁85 mm，側(cè)面距柜壁246 mm。

圖2 高壓靜電解凍柜實物圖

本研究忽略冷凍物料的影響，主要研究制冷模式冷風機送風速度、送風溫度一定時，高壓靜電解凍柜內(nèi)溫度場和速度場的分布。因冷風機尺寸對柜內(nèi)氣流組織影響較小，模擬計算中將解凍柜簡化為一個長方體，其幾何圖形見圖3。

圖3 解凍柜三維幾何模型

2.1 網(wǎng)格的劃分

為使計算時間不至于過長，并保證計算精度，本研究采用ANSYS開發(fā)的網(wǎng)格創(chuàng)建軟件ICEM對建立的高壓靜電解凍柜幾何模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為結(jié)構化網(wǎng)格。將劃分好的網(wǎng)格模型輸出為.msh文件，使用Fluent將該文件載入，在Fluent中進行網(wǎng)格檢查。

2.2 解凍柜數(shù)學模型的建立

本文主要對解凍柜空載時其內(nèi)部流體的流動和傳熱傳質(zhì)進行研究。采用Fluent軟件對其模擬時，假定流體的流動和傳熱傳質(zhì)過程遵循質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律三大定律。且流體流動處于非穩(wěn)態(tài)湍流時，遵守湍流(也稱紊流)輸運方程[17]。

對高壓靜電解凍柜內(nèi)流場的分布情況進行研究時，為簡化計算并保證模擬精度，特做了如下假設：

1)解凍柜內(nèi)的流場為不隨時間發(fā)生變化的穩(wěn)態(tài)流場。

2)解凍柜內(nèi)流體視為不可壓縮的牛頓氣體。

3)忽略冷風機內(nèi)部流場的變化對柜內(nèi)流場的影響。

4)忽略解凍柜的圍護結(jié)構和外界的質(zhì)交換。

5)忽略解凍柜內(nèi)各設備零部件對流場的影響。

6)固體壁面上流體的流動為無滑移流動邊界條件。

所設計解凍柜送風方式屬于有限空間強制對流冷卻，其Re約為106，為紊流。近壁面附近雷諾數(shù)較小、受分子黏性影響較大，采用壁面函數(shù)法進行處理。整個解凍柜內(nèi)的流場最終簡化為三維、穩(wěn)態(tài)、不可壓縮、黏性的湍流流場，可選用標準的k-ε兩方程模型，并結(jié)合SIMPLE算法對解凍柜內(nèi)的流場進行模擬計算。簡化后的方程如式(1)：

div(ρVφ)=div(Гgradφ)+S

(1)

式中：φ為通用變量，Г為廣義擴散系數(shù)，S為廣義源項。各方程見表1：

表1 各控制方程變量、擴散系數(shù)以及源項

標準k-ε模型中的經(jīng)驗常數(shù)C的值見表2：

表2 標準k-ε模型中的參數(shù)

2.3 邊界條件及求解器參數(shù)設置

研究中解凍柜圍護結(jié)構按第三類邊界條件處理，且冷風機無散熱損失，解凍柜外表面與外界無熱交換。表3為模型邊界條件設置參數(shù)，表4為初始條件設置參數(shù)。為提高求解精度，本研究采用SIMPLE算法計算時求解精度全部設定為10-3。

表3 邊界條件設置參數(shù)

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 選取代表性切面

圖4為是各代表性切面示意圖。為觀察和分析模擬結(jié)果，需要選取解凍柜內(nèi)長度方向、寬度方向以及高度方向的代表性切面，來進一步分析柜內(nèi)溫度場和速度場分布規(guī)律。代表性切面分別選取長度方向X=0.332 m、X=0.55 m、X=0.768 m切面，寬度方向Y=0.215 m切面，以及高度方向Z=0.75 m切面。X=0.332 m、X=0.55 m、X=0.768 m切面為穿過各個送風口中心的切面，該切面能夠較好地反映出各個送風口溫度、速度分布在高度方向上的變化規(guī)律；Y=0.215 m切面為穿過全部送風口中心的切面，該切面能反映出整個冷風機溫度、速度分布在豎直方向上的分布規(guī)律；Z=0.75 m切面則為了反映出解凍柜內(nèi)溫度、速度在水平方向上的變化規(guī)律。

表4 初始條件設置參數(shù)

圖4 解凍柜代表性切面示意圖

3.2 溫度場模擬結(jié)果分析

圖5為各送風口截面等溫線圖。由圖5可看出，經(jīng)冷風機處理后的空氣，通過送風口以射流的形式送出，在其作用范圍內(nèi)，對流換熱強烈，溫度與送風溫度幾乎持平。特別是解凍柜內(nèi)的中心區(qū)域，由于該區(qū)域在流動方向上射流速度快，換熱效果劇烈，能夠起到良好的隔熱效果，溫度相對較低。在靠近柜底處溫度相對偏高，這是由于該區(qū)域受到回流影響，射流在此處衰減、空氣流速減小，集聚的熱量不易消散，因此形成了相對高溫區(qū)域。在柜內(nèi)四壁拐角處均出現(xiàn)了明顯的溫度梯度分布，呈現(xiàn)溫度相對較高的現(xiàn)象，這是由于在拐角處流速方向發(fā)生改變，在死角區(qū)域形成小渦流導致的。

圖5 各送風口截面等溫線圖

從圖5中還可看出，X=0.55 m處的中間送風口截面較之X=0.332 m、X=0.768 m柜內(nèi)中心區(qū)域出現(xiàn)較為明顯的溫度分層現(xiàn)象，這主要是由于中間送風口射流會受到兩端送風口射流的影響，致使在遠離中間送風口范圍內(nèi)的區(qū)域溫度相對偏低，但解凍柜內(nèi)大部分區(qū)域的溫度與送風溫度偏差不大。因此，解凍時物料應主要放置在解凍柜的中間和回風口下端區(qū)域，以避免造成干耗增加，影響物料解凍質(zhì)量。

圖6為冷風機截面Y=0.215 m等溫線圖。從圖6中可看到，該切面上溫度呈現(xiàn)出“中間小，兩邊大”的對稱性分布，靠近送風口處溫度最低，在冷風機射流作用范圍內(nèi)，溫度相對偏低。在兩側(cè)靠近柜壁處、底部中間區(qū)域及柜內(nèi)拐角處，由于回流作用空氣流速減小，空氣與周圍環(huán)境的熱交換，造成熱量在這些區(qū)域集聚，致使溫度相對偏高。

圖6 Y=0.215 m截面等溫線圖

圖7為冷風機截面Z=0.75 m等溫線圖。由圖7可看到，柜內(nèi)氣流組織為下送側(cè)回的形式，冷風機回風口處溫度最低，在送回風空氣流動的路線上，溫度相對較低。這是由于從各送風口射流的冷空氣，經(jīng)過回流作用將冷量循環(huán)往復的帶至回風口處。不在冷空氣流動路線和貼近柜壁的區(qū)域空氣流動慢，熱量在這一區(qū)域集聚而不易被帶走，換熱效果差，從而該區(qū)域溫度相對較高。

圖7 Z=0.75 m截面等溫線圖

3.3 速度場模擬結(jié)果分析

圖8為各送風口截面速度分布圖。由圖8可看出，氣流由送風口射出后，由于送風口貼附柜頂，射流在柜內(nèi)上部只能卷吸很少的空氣，解凍柜內(nèi)下部空氣在回流作用下具有向上分速度，射流在此處衰減，空氣流速減小。在送風和回風兩個相反運動的作用下，在靠近解凍柜中部區(qū)域形成回流區(qū)，離回風口越近速度越大。由于在壁面處分子的動力黏性，在柜內(nèi)周圍近壁面區(qū)域速度也較小。

圖8 各送風口截面速度分布圖

圖9為冷風機截面Y=0.215 m速度分布圖。從圖9中可看到，解凍柜內(nèi)速度分布總體呈“中間大，兩側(cè)小”對稱性?？諝馍淞鲝睦滹L機送風口以較高速度送出，沿重力方向豎直向下前進、不斷卷吸周圍空氣，速度沿程逐漸衰減，紊流強度逐漸增大，直至充分發(fā)展。當射流達到解凍柜中心區(qū)域后，由于受到回流以及本身重力作用，接近柜底時向冷風機回風口方向運動。在解凍柜四壁拐角處由于速度方向發(fā)生改變，存在小渦流，該區(qū)域速度較小，不利于散熱，導致溫度等溫線圖上該區(qū)域溫度相對較高。

圖9 Y=0.215 m截面速度分布圖

圖10為冷風機截面Z=0.75 m處橫向剖面速度分布圖。從圖10中可看到，冷風機回風口附近氣流速度最大，中間區(qū)域的速度場分布較均勻。

圖10 Z=0.75 m截面速度分布圖

另外，在冷風機三個送風口作用范圍內(nèi)，解凍柜內(nèi)中心區(qū)域能源源不斷地獲得速度動能，有利于流體在柜內(nèi)充分換熱。

4 結(jié)論

本文主要通過建立高壓靜電解凍柜的物理及數(shù)學模型，對空載狀況下其柜內(nèi)內(nèi)部溫度和速度的分布情況進行了數(shù)值模擬研究。得出如下結(jié)論：

1)速度分布上，在解凍柜中部區(qū)域存在回流區(qū)，受其影響，這部分區(qū)域空氣運動速度相對較?。煌瑫r，解凍柜內(nèi)下方區(qū)域由于受到回流和重力作用，該區(qū)域也處于低速區(qū)；柜內(nèi)流速較高的區(qū)域位于送風口和回風口作用范圍內(nèi)。解凍柜內(nèi)速度分布整體呈現(xiàn)出“中間小，兩邊大”的對稱特點。

2)溫度分布上，該解凍柜內(nèi)的區(qū)域溫度的高低與該區(qū)域速度的大小密切相關?？傮w上解凍柜內(nèi)的溫度分布較為均勻，局部高溫區(qū)位于冷風機下方的近柜底區(qū)域以及四壁拐角處。

綜上所述，建議做以下優(yōu)化改進：增加送風口橫向尺寸，使送風射流作用范圍能擴大至兩側(cè)壁面，使其在靠近壁面處產(chǎn)生顯著的貼附射流，以增加靠近壁面的空氣流速和氣流射程、從而使氣流分布更加均勻，有效提高解凍物料品質(zhì)。