番茄压差预冷理论模拟与实验

季阿敏，郭 靖，孟庆海

(哈尔滨商业大学，能源与建筑工程学院，哈尔滨150028)

压差预冷是普遍用于蔬菜、水果或切花上的预冷技术，其降温方式是强迫冷风进入包装箱中，使冷风直接与被冷却产品接触.利用风机的抽吸作用在包装箱进出口两侧形成压差，冷风从包装箱一侧通风口进入箱内与产品接触使其降温，从另一侧出来带走热量，从而使物品快速均匀地降温，以防止贮运过程中果蔬的质与量的损失[1].

1 物理模型

包装箱取材硬纸板料，箱体尺寸为540×320×280 mm，将番茄整齐地摆盛放在其中，箱体开孔位置见图1.

图1 包装箱开孔位置

2 数学模型

2.1 箱内流体数学模型

为了简化分析，对预冷箱内空气的流动与换热的物理模型做了下列假设[2]:1)箱内流体为牛顿流体;2)气体在箱内侧壁上无滑移;3)忽略环境与箱外保温层及箱内的辐射热;4)忽略维护结构泄露而引起的热损失;5)将箱内气体看作是各向同性的多孔介质流动，各向的渗流系数相等;6)气体流动看作为稳态紊流;7)箱内孔隙率均匀，不考虑冷却过程中由于番茄生理变化及湿度损失而引起收缩带来的孔隙率变化.

2.2 番茄箱中单体所在单元内热平衡模型

将预冷箱内看作均匀的介质，划分为若干个立方体单元，由流动模型，可以获得每个单元质心的速度分量 Vx，Vy，Vz，如图2 所示，则流量分量可由下式求得:

流量分量=速度分量×空气密度×垂直于速度分量的表面积

其中，垂直于速度分量的表面积=单元体积/流向的单元长度

图2 单元体流量平衡图

假设由相邻元进入某特定元三个面的流量分别为 m1，m2，m3(见图2).相应温度分别为T1，T2，T3三部分流体在单元体内混合均匀，则混合后空气温度可由下式求得:

其中:m为流入元体的总质量，m=m1+m2+m3，(kg);Tf为混合后温度，(K).式(1)又可写作Tf=(m1T1+m2T2+m3T3)/m此温度作为番茄单体温度计算中的环境温度对于流出单元体的空气温度，依据能量守恒的原则，单元体内空气的能量变化应等于其中番茄的能量变化[3].

其中:Tp为平均温度，K;cacp为分别为空气，番茄的比热，J/kg·K;τ为时间，s;V，Vp为为控制体体积和其中番茄的体积，m3.

V，Vp有如下关系:

把式(3)代入(2)得:

单元内的空气温度值已由式(1)确定，则式(5)所得的温度变化值就能确定离开每个单元表面的空气温度，以此值作为下一单元的进入值，如此迭代循环，这样任一位置番茄的环境温度就能求得.

流经番茄冷空气的对流换热系数α为:

考虑到单元体是有限体，上式又可近似写为:

3 ANSYS分析及结果

3.1 速度场分布

对冷空气的速度场分布，利用ANSYS方法计算[4].首先，对流场网格划分，对进、出口处梯度比较大的地方，要求细分以得到更精确描述.本文采用进口风速，区别于以往文献[5－7]实验中的送风速度(与包装箱等截面的静压箱内测得的截面平均风速).

对流体模型设置类型、边界条件、施加负荷，对不同的送风孔径、送风口速度为依据进行分析.如以开口56 mm，开口处风速8 m/s为例，箱内速度场的分布如图3所示.

图3 开口56 mm，开口处风速8 m/s箱内速度场的分布

由速度场图形，可以看到开口处和出口处风速很大，速度梯度也很大，这主要是因为流通通道的截面积出口和入口处速度突变的结果，符合理论分析.在箱内由于番茄的阻力和截面积的扩大，风速很快降得很小，在箱中大部分区域由于截面积的均匀，风速比较稳定.

3.2 温度场分布

为了寻求理想的预冷效果，对影响预冷的因素分析比较.选择其中温度分别改变为4、7、9℃的三种工况实验，箱体开孔直径56 mm，则典型番茄中心预冷时间如图4.另外选择三种改变箱体开孔直径分别为36、46、56 mm，送风温度按7℃工况实验，则典型番茄中心预冷时间如图5，以上两种工况送风速度均采用8 m/s.

4 实验分析

实验在小型聚氨酯库板冷库内进行，制冷系统工质为R22，实验装置如图6所示，库温可调精度0.1℃.用热电偶测量番茄温度，每间隔20 min记录实验数据.

图6 压差预冷实验台

设置需要测试番茄点排列序号如图7所示.考虑到二层 22、23、24、25、26、27、28 更具有代表性，以送风温度7℃，开孔直径为56 mm，送风口风速为8 m/s工况为例，对该层番茄进行温度随时间变化的测试，如图8所示.

图7 测试点排列序列号

图8 二层22～28点番茄温度随时间的变化曲线

表1列出了所测番茄温度点理论计算与实验结果的比较，可以看出误差率最大不超过10%.

表1 二层番茄温度测点在240 min时的理论值与实验值比较

通过理论分析与实验结果比较，可以得到以下结论:

1)在送风速度和孔径大小不变的情况下，较低的送风温度对冷却速度的影响很大，用傅立叶定律解释，就是因为番茄径向温度梯度的增大，从而导致流过番茄表面的热流密度变大，冷却就比较快.

2)在送风速度和送风温度不变的情况下，增大孔径有利于加快冷却速度，其主要原因是因为风量的增加，提高了箱体内各点的平均风速，换热系数提高，有利于冷空气与番茄单体的换热.

3)送风口风速大有利于提高冷却速度.在送风温度和孔径大小不变的情况下，加大风速，与加大孔径有同样加大风量的效果，但是前提要充分考虑防止干耗过大的问题.

5 结语

通过对番茄压差预冷过程进行理论分析与实验，得到了压差预冷工艺中冷空气流动的速度场和温度场分布，并通过实验进行了验证.研究结果有助于对压差预冷技术的实验结果进行预测，并可以作为实际压差预冷冷库设计的参考数据，并减少实际设计的盲目性.

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