差压预冷外部遮挡开孔方式数值研究及实验验证

蔡景辉刘 斌王艳红牛建会

(1天津市制冷技术重点实验室 天津商业大学 300134；2浙江盾安机电科技有限公司 311835；3河北建筑工程学院 075024)

差压预冷属强制通风预冷的一种方式。它是利用包装箱一侧的轴流风机的抽吸作用在包装箱两侧产生压力差，通过在包装箱两侧开孔，一定的码垛方式迫使冷风从箱中穿过，在包装箱内部，使产品与被吸人包装箱内的冷空气充分接触，进行强烈的热交换，从而达到冷却产品的目的。对其的研究主要集中在送风工艺 和包装箱上，如对送风速度、送风温度、送风量、压差、包装箱的开孔面积[1-9]和开孔形状、箱内果疏堆码[10]等工艺。在不改变包装箱开孔间距以及开孔规则排列下，包装箱内果蔬的中心温度沿气流方向差别较大，呈现出先增后减的趋势，即位于包装箱中间稍偏出口位置果蔬的中心温度最高，出口处其次，入口处最低，垂直气流的两个方向各处的中心温度差别不是很大。这种预冷不均匀性会导致箱内局部果蔬冻伤，而局部果蔬温度还没有降到预冷要求的温度。本文就是针对上述问题在包装箱遮盖的开孔方式改变上进行的数值模拟研究，用利用计算流体动力学软件(FLUENT)对包装箱进行外部遮挡五种不同开孔方式预冷内部流场进行的数值模拟，以期探索比较好的解决方法。

1 物理模型的建立

设计的外部五种开孔方式及实际实验中选用6个尺寸相同的塑料周转箱，排成方式和编号如图1中子图F所示，各开孔方式的开孔率如表1。

图1 外部遮挡塑的五种开口方式及周转箱的排放，尺寸Fig.1 Five vent-hole types of plastic cover and relative positions of six turnover containers and the sizes of them

表1 开孔率Tab.1 Porosity of covers

2 数值模型

2.1 模型简化

为了简化分析与计算，本文对理论模型进行如下假设:1)所有蔬菜均为球形且是均相和各向同性的，蔬菜热物理性质如比热、导热系数和热扩散率等不随温度的变化而变化。2)湿空气的热物理性质与温度无关(因为在预冷过程中其温度变化很小)；3)忽略预冷过程中周转箱壁面与蔬菜之间、蔬菜与蔬菜之间的辐射传热及接触导热；4)对于蔬菜在周转箱内的不同堆码，认为各处的体积孔隙率一致。以土豆的预冷为模拟对象,其物理参数[12]为，密度:1227kg/m3、热扩散率:754m2/s、导热率:0.231W/m.K。

2.2 网格划分

在上述的假设基础上，实际模拟中由于各个球形蔬菜相互相切造成计算空间不连通，无法划出计算网格，因此在此基础上将各个规则球形蔬菜的连接处视为方形，正方体边长设为球体直径70mm。假定实验中所使用的6个周转箱整体为一个周转箱，其尺寸按照6个周转箱总尺寸进行模拟，模型长×宽×高为1000mm×560mm×500mm，即X×Y×Z，忽略相邻周转箱间的箱壁，在此假设前提下，相应地忽略相邻周转箱箱壁对冷空气流的阻挡。

图2 CFD 模拟的网格划分Fig.2 The simulation domain and grid generation

周转箱出风口一侧即Y×Z=560mm×500mm面上的开孔，在模型中采用与周转箱上实际具有的开孔形状相似、尺寸相近的长方形条状孔代替，即长×宽为50×20mm的长方形孔，孔间距在Y轴上为5mm，靠近周转箱两壁面的两侧的间距分别为 7mm和8mm；在Z轴上为10mm，靠近周转箱两壁面的两侧间距均为15mm，共在500mm 5600mm的出风口侧面上设置160个长方形孔，开孔率为57.14%，与实际开孔率接近。

选用GAMBIT2.0软件来生成三维立体计算区域和划分网格，如图1所示。图中是外部两侧遮挡塑料布均开有32个直径为80mm均匀布置孔的周转箱为例划分的网格，网格数量为1730916个。

2.3 控制方程

预冷过程中在周转箱的有限空间内存有两种物质—冷空气和预冷产品，考虑到周转箱内的实际情况，周转箱内冷空气的气流组织比较复杂，但是又不能使湍流模型太过复杂。模拟中选用了目前使用最广泛的标准k-ε两方程模型。

连续性方程:

动量方程:

能量方程:

k方程:

ε方程:

式中:k为湍流动能；ε为流动能耗散率；λ1为层流导热系数，W/m.K；λt为湍流导热系数，W/m.K；υeff为有效运动粘性系数，m2/s；υ为运动粘性系数，m2/s；υt为湍流运动粘性系数，m2/s；xixj为笛卡尔坐标，i、j =1，2，3分别代表x、y、z 3个坐标方向；ui，uj为xi，xj坐标方向的时间平均速度分量，m/s。k-ε两方程模型中各湍流常数的标准值见文献[11]。

2.4 边界条件

周转箱的外壁设为温度为274K的恒温壁面；外部160个长方形出风口为Pressure-outlet类型，压力值为-200Pa；周转箱内的土豆外表面设为温度291K的恒温壁面，外部两侧的进风口设成Velocity-inlet类型，进入的冷空气温度值设为274K，每种开孔方式降温过程的外部遮挡开孔风速见文献[12]附录1。

3 模拟结果及验证

3.1 温度场的模拟

对五种不同的开口方式的预冷进行了同条件的模拟，温度模拟结果如图3所示。沿X方向的不同的三个位置的Y-Z截面，对应于实际中的靠近差压风机，周转箱堆码的中部，距差压风机800mm处。

对比图3中不同开孔方式的截面可以看出，同一截面中及不同截面间的温差比较小的是32个非均匀孔的和28个孔的，二者的降温速率相对也会比较快。从二者的X=0、X=500截面的温度分布可以看出，达到要求温度的范围是32个非均匀孔的大于28个孔的，但是对于下部是28个孔的大一些，温差小一些，降温也会快一些。对于X=800的温度场是28个孔的均匀性较好于32个非均匀孔的；同一个截面内温差最大是32个均匀孔的；对不同X位置的截面间来说，温差最大的是50个孔的，其远离差压风机处温度最高，降温速率也相应的会最低。综合来看32个非均匀孔的预冷均匀性最好。

3.2 实验验证及原因分析

3.2.1 实验验证

研究表明，位于这个堆码的中部位置和远离差压风机的果蔬冷却降温情况较具代表性，建立了实验台对此位置的马铃薯中心温度进行了试验测试。实验在天津市重点实验室压预冷实验室内进行，利用现有冷库制冷装置和差压预冷设备。冷库内部尺寸长×宽×高为4.5m×2.5m×2.4m。实验中选用的塑料周转箱及堆码排列方式如图1所示。实验测试设备分别为:铜-康铜热电偶测量温度，美国Agilent仪器有限公司生产的数字式六十通道自动巡回检测仪实现10秒钟扫描采集一次误差范围为±0.2℃，其型号为Agilent 34970A；用奥地利E+E Elektronik Ges.m.b.H 公司生产的型号为HUMOR10的24通道风速温湿度测试仪测量内部的风速和湿度，共布置了11个风速测量探头和2个湿度测量探头，每隔10秒中采集一次；外部采用德国Testo公司生产的热线风速仪测量，精度为±0.01℃，其型号为435热敏风速仪；美国TSI生产的差压计测量压差，其型号为DP-CALC8605。

采用7/8冷却时间作为衡量预冷效果的标准。7/8 冷却时间是指果蔬温度与冷风温度的差值为果蔬初始温度与冷风温度差值的1/8 时所对应的冷却时间。结果如图4示，3#箱和4#箱对应于中间位置的上半部分和下半部分，6#箱和5#箱对应于远离差压风机位置的上半部分和下半部分。

图4 实验的五种不同开孔方式下降温过程马铃薯中心温度对比图Fig.4 Contrast drawing of potato center temperature under process of fi ve vent-hole types cooling

从图4的4幅子图中都反映32个均匀孔降温速率最慢。A、B中可以看出，中部位于上半部分的3#箱是32个非均匀孔降温速率最快，28个孔的次之；下半部分的4#箱是28个孔的降温速率最快，32个非均匀孔的次之。这与图3中32个非均匀孔和28个孔X=500mm处的截面的模拟结果对应比较好。

C中反应的是32个非均匀孔的降温速率最快，28个孔的不是最快的，这与图3中二者X=800mm的截面模拟结果对应稍差些。D中，28个孔的降温速率最快，32个非均匀孔的稍次之，在此位置上二者的降温速率远大于另外的三种的，与图3中反映的也比较一致。对于50个孔的，中部的3#和4#箱与远离差风机的6#和5#箱相比，前者的7/8降温时间远小于后者，与图3中50个孔的三个截面模拟结果比较对应。

由于实验和模拟的工况比较多，只取了理论结果和实验结果温差最大的进行了分析，即图5中外部遮挡开孔为32个均匀孔的6 #箱4#马铃薯中心温度理论结果与实验结果对比，可以看出两者之间的温度差最大不超过1.5℃。考虑到理论计算是在多个假设条件下进行的等因素，理论模拟结果与试验测试结果较接近，特别是到预冷的后期的后期。

图5 32个均匀孔6#箱4#马铃薯中心温度理论结果和实验结果对比Fig.5 Contrast drawing on theoretical result and experimental result of 4# potato center temperature in 6 #box under process of 32 vent-hole types cooling

3.2.2 原因分析

模拟结果及实验结果这种现象的原因从图1中的物种开孔方式可以得出，第二种和第三种开孔方式的前三列相对而言孔径小开孔率低，有利于风从远离差压侧抽吸进去，所以远离差压处的果蔬预冷效果是此两种方式好于其他三种方式。第三种方式的最下面一行是大孔径的，有利于风从底部吸进去，所以出现了第三种方式的下部温差小于第二种开孔方式的。

第五种开孔方式和第二种的形式类似的，都是前三列的孔径小为30mm，但是远离差压风机的果蔬预冷效果却比较差，原因是第五种方式前三列孔的数量为15个大于第二种的12个，且相邻孔心距是100mm也大于第二种的120mm，二者致使第五种方式的开孔率大于第二种的，由此得出靠近压差风机处的开孔率的绝对值要小。

外部遮挡的开孔方式应该是靠近压差风机处的开孔率低，远离差压风机处开孔率要高，最底部的孔径应稍大于上部的。

4 结论

1)对比分析了外部遮挡五种不同开孔方式的差压预冷模拟结果，并用实验测试的降温结果对其进行了验证，二者基本吻合。

2)五种开孔方式中32个非均匀孔的预冷速率和均匀性最好，28个孔的次之；平行于差压箱的平面内，即同一个Y-Z截面的32个均匀孔的温差最大，降温速率最慢；整体上温差最大的是50个孔的。

3)对于果蔬差压预冷，建议外部遮挡的开孔方式应该是靠近压差风机处的开孔率低，远离差压风机处开孔率相对要高，最底部的孔径应稍大于上部的。

(本文受天津市教委项目资助(2006ZY08)及天津市科委项目资助(09ZCKFNC00600). The project was suppored by Tianjin Education Commission (2006ZY08) and Tianjin Science and Technology Commission (09ZCKFNC00600).)

[1] Ravi Kumar, Anil Kumar, U. Narayana Murthy. Heat transfer during forced air precooling of perishable food products[J]. BIOSYSTEMS ENGINEERING, 2008,99(2008): 228-233.

[2] Talbot M T, Oliver C C, Gafney J L. Pressure and Velocity Distribution for Air Flow Through Fruits Packed in Shiping Containers Using Porous Media Flow Analysis[J]. ASHARE Transactions, 1990, 91(1): 406-417.

[3] 刘斌, 郭亚丽, 邹同华. 强制通风预冷风速选择研究[J]. 食品科学, 2004, 25(7): 181-183. (Liu Bin, Guo Ya li, Zou Tong hua. Study on Selection of Supplying Air Velocity of the Forced-air Pre-Cooling[J]. Food Science,2004, 25(7): 181-183.)

[4] Gakwaya A，Sadfa S O. Study of parameters affectingcooling rate and temperature distribution in forced-air precooling of strawberry [J].Transactions of the ASAE，1996, 39(6): 1950-1955.

[5] 苗玉涛, 邹同华, 黄健.压差预冷技术的研究现状和与发展趋势 [J]. 制冷与空调, 2005, 26(6): 14-18.(Miao Yutao, Zou Tonghua, Huang Jian. Present Situation and Developing Tendency of Pressure Difference.Refrigeration and Air-conditioning[J].Refrigeration and Air-conditioning, 2005, 26(6): 14-18.)

[6] 杨洲, 赵春娥, 汪刘一, 等.龙眼果实差压预冷过程中的阻力特性[J]. 农业机械学报, 2007, 38(1): 104-107.(Yang Zhou, Zhao Chune, Wang Liuyi, et al. Pressure Drop Characteristics in Forced-air Pre-cooling of Longan Fruits[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2007, 38(1): 104-107.)

[7] 刘斌, 申江, 邹同华, 等.果蔬预冷风速与风机能耗和预冷效果的实验研究及分析[J]. 制冷学报, 2005,26(4): 212-215. (Liu Bin, Sheng Jiang, Zou Tong hua.Theoretical and Experimental Analyses of Inf l uence s of Pre-cooling Air Velocitieson Energy Consumption of Air Fan and Pre-cooling Effects[J]. Journal of Refrigeration，2005, 26(4): 212-215.)

[8] Tadhg Brosnan, Da-Wen Sun. Precooling techniques and applications for horticultural products-a review[J].International Journal of Refrigeration, 2001, 24(2001):154-170.

[9] 宁静红, 彭苗, 申江, 等.葡萄差压预冷保鲜技术的实验研究[J].制冷, 2005, 24(3): 19-23. (Ning Jinghong，Peng Miao, Shen Jiang, et al. Experimental Study on Pressure - difference Precooling of Keeping Grape Fresh Technique[J]. Refrigeration, 2005, 24(3): 19-23.)

[10] 王强, 陈焕新, 董德发, 等.黄金梨差压通风预冷数值分析与实验验证[J]. 农业工程学报, 2008, 24(8): 262-266.(Wang Qiang, Chen Huanxin1, Dong Defa, et al. Numeral analysis and experimental verification of pressure precooling[J]. Transactions of the CSAE, 2008, 24(8):262-266.)

[11] 陶文铨.数值传热学[M]. 第二版.西安: 西安交通大学出版社, 2001, 349.

[12] 牛建会. 外部遮挡不同开孔方式对果蔬预冷效果影响研究[D]. 天津: 天津商学院, 2008年5月.