歐陽杰,沈 建,郭文華,孫鑫宇,趙日晶,黃 東

(1 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機械儀器研究所,上海 200092;2 西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,陜西 西安 710049;3 海洋食品精深加工關(guān)鍵技術(shù)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,大連工業(yè)大學(xué),遼寧 大連 116034)

相比于傳統(tǒng)的速凍機,沖擊式速凍機有著凍結(jié)時間短、能耗低的優(yōu)點,逐漸成為速凍行業(yè)的主流設(shè)備[1-2]。氣流噴射是沖擊式速凍的關(guān)鍵技術(shù),主要是因為氣流通過不同類型的噴口結(jié)構(gòu)后速度增加,可有效縮短凍品的凍結(jié)時間[3-6]。噴口的結(jié)構(gòu)會影響氣流組織的均勻性和換熱效率,實際生產(chǎn)中,比較常見的噴口結(jié)構(gòu)主要有送風(fēng)孔板、條縫噴口、圓漏斗噴口等[7]。國外關(guān)于不同類型的噴口結(jié)構(gòu)對傳熱特性的影響研究較多。Bijarchi等[8]研究發(fā)現(xiàn)噴嘴的噴射速度和對流換熱速率隨雷諾數(shù)的增加而增加,噴射距離的增加雖然導(dǎo)致了對流換熱速率的減小,但可使換熱較為均勻;Xu等[9]研究發(fā)現(xiàn)螺旋噴射有助于提升目標(biāo)面的對流換熱系數(shù),且換熱效率隨螺旋角的增加而增加;Tepe等[10-11]研究發(fā)現(xiàn)延伸噴射孔有助于增加帶有肋片的粗糙表面和水平表面的努賽爾數(shù)(Nu)。Yang等[12]研究了圓形、噴嘴和2D輪廓噴嘴下的噴射對流換熱特性,發(fā)現(xiàn)在噴嘴出口和自由表面之間存在一個Nu峰值的滯止區(qū),圓形噴嘴和2D輪廓噴嘴在此達到最大湍流強度;Fenot等[13]研究發(fā)現(xiàn)對流換熱受阻塞比(Dint/D)和噴射高度(H/D)的影響。Chang等[14]研究發(fā)現(xiàn)帶有凹槽的表面有助于提升傳熱性能; Yadav等[15]研究了帶有3種不同孔口直徑下的送風(fēng)孔板的傳熱特性,發(fā)現(xiàn)Nu隨噴嘴直徑的減小而增大;Ingole等[16]研究了圓形傾斜射流換熱特性,發(fā)現(xiàn)平均Nu取決于射流的傾角,且平均Nu隨射流傾角的減小而減小;Ahmed等[17]研究了一種新型的反向射流沖擊傳熱,發(fā)現(xiàn)將噴嘴延伸至橫流通道能顯著降低橫流的影響、提高平均Nu;Youn等[18]研究發(fā)現(xiàn)優(yōu)化送風(fēng)孔板的排列可以提升換熱效率,尤其拓展噴口可以減弱橫流來提升傳熱效率;Makatar等[19]研究了送風(fēng)孔板陣列下沖擊射流的傳熱特性,得到了關(guān)于噴射距離、噴射間距和噴射雷諾數(shù)(Re)的關(guān)系式。國內(nèi)也有較多關(guān)于噴口形狀、結(jié)構(gòu)對凍機內(nèi)部換熱特性影響的研究,優(yōu)化形成了相關(guān)的工藝和結(jié)構(gòu)參數(shù)[20-26]。上述研究多集中在噴口結(jié)構(gòu)對于速凍機內(nèi)部流場和溫度場的影響,而關(guān)于噴口結(jié)構(gòu)對于凍品(尤其是魚類)凍結(jié)效率的研究較少。

本研究以小黃魚為研究對象,建立了凍品內(nèi)部的凍結(jié)模型,通過數(shù)值模擬和試驗研究送風(fēng)孔板的排布方式、送風(fēng)孔板孔徑和魚體中心距上下送風(fēng)孔板的距離對魚體凍結(jié)效率的影響,篩選出適宜的送風(fēng)孔板結(jié)構(gòu)和參數(shù),為水產(chǎn)品冷凍提供新的工藝指導(dǎo),為沖擊式速凍機的優(yōu)化設(shè)計提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

冰鮮小黃魚,由浙江興業(yè)集團有限公司提供,每條質(zhì)量80～100 g,泡沫箱加冰運輸至實驗室。沖擊式速凍機(MJN700-0818,冰輪環(huán)境技術(shù)股份有限公司);熱線風(fēng)速儀(TESTO-425,德圖儀器);熱電偶(T型,精度±0.1 ℃,開普森電子有限公司)。

1.2 方法

1.2.1 數(shù)值模擬

1.2.1.1 物理模型

本研究主要集中于送風(fēng)孔板對于魚體凍結(jié)過程的影響,不考慮速凍機的運轉(zhuǎn)情況,因此只對單個魚體進行建模,按照實際的沖擊式速凍設(shè)備對模型尺寸進行設(shè)計。將上下表面定義為上下兩側(cè)的送風(fēng)口,四周定義為出風(fēng)口。送風(fēng)孔板分別置于上下送風(fēng)口與魚體之間的位置,其中上送風(fēng)孔板距離魚體中心為h1(h1可取80 mm、100 mm),下送風(fēng)孔板距離魚體中心為h2(h2可取35 mm、55 mm),如圖1a所示。送風(fēng)孔板的孔徑為D(D可取6 mm、8 mm和10 mm),孔間距26 mm。魚體的尺寸細(xì)節(jié)如圖1b所示。

圖1 魚體及周圍流體域模型和魚體尺寸細(xì)節(jié)圖

1.2.1.2 數(shù)學(xué)模型

魚體表面受到高速冷空氣噴射對流換熱,魚體內(nèi)部伴隨著凝結(jié)相變過程。假設(shè)空氣為不可壓縮牛頓型流體、空氣的物性為常數(shù)。魚體內(nèi)部凝結(jié)過程中體積膨脹和黏性耗散忽略不計。則描述數(shù)學(xué)模型的連續(xù)性、動量和能量方程如下:

連續(xù)性方程:

(1)

x方向的動量方程:

(2)

y方向的動量方程:

(3)

z方向的動量方程:

(4)

能量方程:

(5)

k-ε方程:

Gk-ρε

(6)

(7)

式(2)～(4)中,S表示源項,定義如下[27]:

(8)

式(8)中,γ為液相分?jǐn)?shù),其與溫度的關(guān)系如下所示,其中Ts和TL分別為固相和液相溫度[28]。

(9)

總焓H等于顯熱h和潛熱ΔH之和,即

(10)

1.2.1.3 邊界條件及模型參數(shù)

上下采用速度入口條件,其中上入口的速度為2 m/s,下入口速度為1 m/s,送風(fēng)溫度為236.15 K。其中上下送風(fēng)風(fēng)速是根據(jù)風(fēng)機風(fēng)量和風(fēng)口面積確定的,此沖擊式速凍機中每臺風(fēng)機的風(fēng)量為12 000 m3/h。四周采用自由出流條件。魚體的初始溫度為292.15 K。

模擬在瞬態(tài)條件下選用有限體積法求解,時間步長為0.5 s。采用焓-多孔度方法[29]模擬魚體凍結(jié)過程和追蹤固液相面,固液糊狀區(qū)常數(shù)Am取值為105kg/(m3·s)。利用PISO算法耦合速度和壓力,利用PRESTO算法處理壓力修正方程,動量和能量方程通過QUICK差分法處理。動量、能量和壓力關(guān)聯(lián)方程的松弛因子分別為0.7、0.5、0.3。魚體的物性參數(shù)為:ρ=998 kg/m、μ=8.9×10-4Pa 、Cps|Cpl=2 100|4 179 J/(kg·K)、ks|kl=2.2|0.6 W/(m·K)、Ts|TL=271.65 K、L=335 000 J/kg、β=2.1×10-4K-1。

為研究網(wǎng)格數(shù)和時間步長對計算精度的影響,選取4種不同網(wǎng)格數(shù)(包括100 000、200 000、400 000和800 000)的結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格和3種不同的時間步長(0.1、0.5和1.0 s)進行分析。表1給出了上下送風(fēng)孔板對稱排布,孔徑為8 mm時,不同網(wǎng)格數(shù)和不同時間步長情況下計算的凍結(jié)時間?？梢钥闯?網(wǎng)格數(shù)由100 000增加到400 000,凍結(jié)時間偏差從7.6%降低到1.5%;時間步長由1 s減小到0.1 s,凍結(jié)時間偏差由3.8%降低到0.8%;故同時考慮計算精度和速度,網(wǎng)格數(shù)采用400 000、時間步長采用0.5 s。

表1 網(wǎng)格數(shù)和時間步長對計算精度的影響

1.2.2 試驗驗證

設(shè)計上下沖擊式試驗臺,測試了小黃魚中心溫度隨時間的變化,如圖2所示。該試驗臺主要由離心風(fēng)機、靜壓箱、上下送風(fēng)孔板和網(wǎng)帶組成。冷空氣被離心風(fēng)機吸入靜壓箱內(nèi),通過上下孔板后噴射到小黃魚的表面。上送風(fēng)孔板距離小黃魚50 mm,下送風(fēng)孔板距離小黃魚20 mm,且上下送風(fēng)孔板對稱。利用熱線風(fēng)速儀測量距離上孔板120 mm和距離下孔板60 mm處的風(fēng)速。數(shù)值模擬中上下風(fēng)速設(shè)置與其保持一致。利用熱電偶測量小黃魚的中心溫度,利用溫度采集儀檢測魚體中心溫度隨著時間的變化。待魚體中心降到-18℃時,視為凍結(jié)完成。

圖2 上下沖擊式試驗臺及小黃魚凍品

小黃魚中心溫度隨時間變化的試驗和模擬值的對比如圖 3所示。

圖3對比了試驗測試和數(shù)值模擬的小黃魚中心溫度隨時間的變化,可以看出試驗測試小黃魚的凍結(jié)時間為 649 s,數(shù)值模擬得到小黃魚的凍結(jié)時間為600 s,模擬相對偏差為7.55%,驗證了數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性。

圖3 小黃魚中心溫度隨時間變化的試驗和模擬值的對比

2 結(jié)果與討論

2.1 不同送風(fēng)孔板的排布方式對凍結(jié)特性的影響

送風(fēng)孔板的排布方式對魚體的凍結(jié)特性有較大的影響,研究了只有上送風(fēng)孔板、上下送風(fēng)孔板對稱和上下送風(fēng)孔板交錯3種不同的排布方式下的魚體凍結(jié)特性。圖4表示3種不同排布方式下魚體中心溫度隨時間的變化。從圖4中可以看出,魚體的速凍分為3個階段,第1階段是初溫到冰點的顯熱釋放階段(初溫～271.65 K)。第2階段是魚體從冰點降到中心溫度為268.15 K,此過程80%水分被凍結(jié)成冰晶。第3階段是魚體中心溫度由268.15 K降到255.15 K[30]。只有上送風(fēng)孔板、上下孔板對稱和上下孔板交錯布置時魚體凍結(jié)(從初始溫度278.15 K冷凍到255.15 K)所需的時間分別為800 s、650 s和540 s。上下孔板交錯布置時的速凍時間最短,比只有上送風(fēng)孔板和上下孔板對稱布置時減少了32.50%和16.92%。上下孔板交錯排布時凍結(jié)時間的減小主要體現(xiàn)在第2階段,魚體內(nèi)部水分凍結(jié)為冰晶的時間縮短,這一現(xiàn)象可通過魚體內(nèi)部的液相分?jǐn)?shù)隨時間的變化來表征。

圖4 3種不同排布方式下魚體中心溫度隨時間的變化

圖5表示3種不同排布方式下魚體內(nèi)部液相分?jǐn)?shù)隨時間的變化。液相分?jǐn)?shù)為1.0時表示魚體內(nèi)部的水分沒有凍結(jié)生成冰晶,為0.0時表示水分全部凍結(jié)成為冰晶。魚體中心溫度由冰點降到268.15 K,只有上送風(fēng)孔板、上下孔板對稱和上下孔板交錯排布所需的時間分別為643 s、509 s和402 s。結(jié)果表明上下孔板交錯布置有助于魚體快速通過最大冰晶生成階段。

圖5 3種不同排布方式下魚體內(nèi)部液相分?jǐn)?shù)隨時間的變化

圖6為3種不同排布方式下魚體溫度和液相分?jǐn)?shù)云圖,選取的時刻分別為90 s、240 s、390 s和540 s。從圖中可以看出3種排布方式下魚體的凍結(jié)都是先由左右兩端到中心,然后轉(zhuǎn)變?yōu)閺乃闹艿街行?。相比于只有上送風(fēng)和上下對稱排布時,上下交錯排布的轉(zhuǎn)變較快。由于上下交錯送風(fēng)避免了風(fēng)的對沖損耗,從而凍結(jié)速率加快。

圖6 3種不同排布方式下液相分?jǐn)?shù)和魚體溫度分布云圖

圖7為3種不同排布方式下的速度矢量圖和跡線圖。從速度矢量圖可以看出,冷風(fēng)經(jīng)過孔板加速后直接噴射到魚體表面。只有上送風(fēng)孔板時,魚體的上表面受到了冷空氣的噴射,冷量只從上表面?zhèn)鬟f到下表面,導(dǎo)致了凍結(jié)時間較長。在送風(fēng)孔板上下對稱布置時,魚體的上下表面都受到了冷空氣的噴射,冷量是從魚體上下表面到中心傳遞,凍結(jié)速率加快。但上下孔板的對稱布置導(dǎo)致了冷風(fēng)的對沖,魚體的上表面出現(xiàn)了渦旋,導(dǎo)致了冷量的損耗[31-32]。上下交錯布置避免了冷風(fēng)的對沖,充分利用了上下孔板的噴射作用,有效地提升凍結(jié)速率、減小凍結(jié)時間。

2.2 不同送風(fēng)孔板孔徑對凍結(jié)效率的影響

從上面的分析可得,上下孔板交錯排布時的凍結(jié)效率最高、凍結(jié)時間最短。因此選擇此種排布形式下,研究不同送風(fēng)孔板孔徑(6 mm、8 mm和10 mm)對凍結(jié)特性的影響。圖8表示了不同送風(fēng)孔板孔徑下魚體中心溫度和液相分?jǐn)?shù)隨時間的變化。從圖9 a可以看出,魚體凍結(jié)時間(初始溫度278.15 K冷凍到255.15 K)隨孔板孔徑的增加而增加?？装蹇讖綖? mm、8 mm和10 mm時,所對應(yīng)的時間分別為390 s,540 s和730 s。且凍結(jié)時間的增加主要在于第2階段和第3階段。 圖8b可以看出,第2階段的魚體中心溫度由冰點降到268.15 K時,所需的時間分別為317 s,388 s和526 s。第3階段魚體中心溫度由268.15 K到255.15 K,所需的時間分別為68 s,138 s和180 s。第2階段和第3階段凍結(jié)時間的增加主要是由于噴射速度隨著孔板孔徑的增加而減小導(dǎo)致的。

圖8 不同送風(fēng)孔板孔徑下魚體中心溫度和液相分?jǐn)?shù)隨時間的變化

圖9 不同送風(fēng)孔板孔徑下的速度矢量圖

圖9表示了不同送風(fēng)孔板孔徑下的速度矢量圖。從圖中可以看出送風(fēng)孔板的孔徑越大,噴射速度越小?？讖綖? mm、8 mm和10 mm的噴射速度分別為72 m/s、42.15 m/s和27.40 m/s。噴射速度小導(dǎo)致了魚體表面的對流換熱系數(shù)小、冷量傳遞的速度較慢,從而使得凍結(jié)時間較長。

2.3 不同送風(fēng)距離對凍結(jié)效率的影響

魚體的凍結(jié)效率也受上下送風(fēng)距離的影響。選擇上下孔板交錯排布,送風(fēng)孔板孔徑為8 mm時,研究不同上下送風(fēng)孔板距魚體中心的距離對凍結(jié)效率的影響。表2說明3種工況條件下魚體中心距上下送風(fēng)孔板的距離。

表2 工況條件

圖10表示了不同送風(fēng)距離下的魚體中心溫度和液相分?jǐn)?shù)隨時間的變化。

圖10 不同送風(fēng)距離下魚體中心溫度隨時間的變化

對比工況1和工況3可以看出,在與上送風(fēng)孔板距離不變時,減小距下送風(fēng)孔板的距離可以減少凍結(jié)時間。當(dāng)下送風(fēng)孔板的距離減小20 mm時,凍結(jié)時間減小了4.90%。對比工況2和工況3可得,在與下送風(fēng)孔板距離不變時,減小距上送風(fēng)孔板的距離,同樣可以減少凍結(jié)時間。當(dāng)上送風(fēng)孔板的距離減小20 mm時,凍結(jié)時間減小了5.77%。

3 結(jié)論

本研究表明,上下孔板交錯布置避免了冷風(fēng)的對沖,充分利用了上下孔板的噴射作用,有效地提升凍結(jié)速率。其凍結(jié)時間比只有上送風(fēng)孔板和上下孔板對稱布置時減少了32.50%和16.92%,魚體凍結(jié)時間隨孔板孔徑的增加而增加,隨上下送風(fēng)距離的縮短而減小。