V型条缝喷嘴切割比对速冻机钢带表面换热特性的影响

王金锋李文俊谢 晶杨大章柳雨嫣陆卫华杨晓燕

(1. 上海海洋大学食品学院，上海 201306；2. 农业部冷库及制冷设备质量监督检验测试中心，上海 201306；3. 上海冷链装备性能与节能评价专业技术服务平台，上海 201306；4. 食品科学与工程国家级实验教学示范中心﹝上海海洋大学﹞，上海 201306；5. 上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心，上海 201306；6. 南通四方冷链装备股份有限公司，江苏 南通 226371)

在强化传热、传质领域，采用喷嘴冲击式射流能在靶向区域换热表面产生较高的热传递系数，而影响喷嘴下方冲击板面换热强度的主要因素是喷嘴到冲击板面方向上的轴向速度。这种高效的传热机理主要应用于纺织、造纸、冶金、食品干燥、食品速冻等领域[1-2]。

该类设备的设计通常将多个喷嘴按照一定的排列方式组合起来形成多重冲击的结构，以实现在较大范围内的冲击表面获得均匀一致的换热系数[3]；然而，在实际工作过程中，目标板面的换热强度存在差异性，这种差异性主要受以下几个因素影响：① 横流效应[3-5]；② 喷嘴与目标板面之间的距离[5-7]；③ 目标板面的粗糙度[6]。Makatar等[3]通过使用热显色液晶技术对冲击表面温度分布进行可视化处理，同时采用油膜技术实现冲击表面流场可视化，研究发现，沿横流方向，横流效应逐渐增强，在横流作用下努塞尔数(Nusselt number, Nu)峰值从喷嘴正下方往横流下游方向移动，并且努塞尔数峰值随横流速度上升而增加。Bernhard等[4]研究了3种不同等级的横流效应对目标板面换热性能的影响，结果表明横流效应越弱，目标板面平均换热系数越高。Sebastian等[6]研究了冲击射流在带肋凸起的目标板面的换热特性，结果表明在带肋凸起的目标板面平均Nu数大于平直板面，且在带肋凸起的目标板面滞止点范围小于平直板面，其Nu数峰值大于平直目标板面的。Katti等[8]研究了喷嘴直径与目标板面间距d、2d和3d(d为喷嘴直径)对板面换热性能的影响，研究表明，沿横流方向努塞尔数在目标板面相邻滞止点之间呈波状分布，并且沿横流下游方向波逐渐衰减，波的衰减速率在喷嘴与板间距为3d时最大，波的衰减是由于沿横流方向流体质量流量不断累积使横流效应增强。

本研究以冲击式速冻机V型条缝喷嘴为对象，拟解决沿速冻机宽度方向上钢带表面换热系数均匀性的问题；通过调节速冻机V型条缝喷嘴喉部高度按比例切割，提高钢带表面换热系数的均匀性，使速冻食品加工结束到达出料口时，冻品温度趋于一致。

1 数值模拟

1.1 建立数值模型

单个V型条缝喷嘴结构及其参数详见文献[9]。本试验模拟研究了传统V型条缝喷嘴和改变喷嘴结构参数——调整切割比Ψ(V型条缝喷嘴喉部区域，喷嘴边缘被切割高度T与喷嘴纵向中心处高度K的比值，其中K=30 mm)两种情况下在速冻过程中沿速冻机宽度方向钢带表面换热均匀性问题。图1(a)为优化V型条缝喷嘴三维结构模型，图1(b) 为喷嘴结构二维示意图，其中通过改变T，实现切割比调节。

1.2 数值模型条件设置

速冻机的流动介质为空气，模拟过程中假设：

(1) 空气为不可压缩、密度均匀的黏性流体[9]。

(2) 静压腔壁面及条缝喷嘴壁面视为无滑移壁面[9]。

(3) 静压腔与喷嘴壁面绝热[9]。

数值模拟过程中采用连续性方程、动量方程和能量方程联合求解，选择的计算模型设置为：

(1) 入口边界条件为压力入口，出口边界条件为压力出口[9]。

(2) 计算模型与速冻机整体毗邻部分做镜像边界设置[9]。

(3) 选择k-ε湍流模型、SIMPLE算法及二阶迎风格式[10]。

2 结果与讨论

2.1 切割比对钢带表面换热特性的影响

如图2、3所示，当Hs(钢带与条缝出口间距H与条缝宽度S之比)=2时，不同切割比Ψ在钢带表面的换热强度呈现非一致性；当Ψ=0.00时，即传统未切割V型喷嘴结构，沿钢带纵向方向(X方向)，钢带表面换热强度呈现较大差异性，在横流下游钢带表面Nu数明显高于横流上游；随着切割比Ψ增加，横流上游Nu数与下游之间的差异性逐渐降低，当Ψ超过临界切割比Ψ0(沿X方向钢带表面Nu数不均匀度趋于0，即沿此方向钢带表面换热均匀)=0.33时，横流下游Nu数低于上游，并随着Ψ增大，两者差异性再次增加。分析上述现象：当喷嘴与钢带表面间距较小时，沿横流方向气流流通截面积较小，此时气流沿横流方向流动沿程阻力较大，因此沿速冻机宽度方向，靠近回风口处静压腔与喷嘴出口压差较大，流体传输动力较强，喷嘴射流速度较高，对应的钢带表面Nu数较高，反之在速冻机中心Nu数较低；因此，当Ψ=0.00时，沿横流方向，喷嘴出口与钢带间距保持不变，此时沿横流方向钢带表面换热系数存在明显差异性；然而，随着切割比增加，沿横流方向喷嘴出口与钢带间距逐渐增大，虽然靠近压力出口喷嘴出口气流速度较大，但随着靶向距离增加，气流拓展到钢带表面的能力减弱，此时钢带表面换热系数随之降低，并且当Ψ超过临界值后，靠近回风口侧钢带表面Nu数低于速冻机中心处钢带表面的。综上所述，当喷嘴出口与钢带间距发生改变时，选择合适的Ψ值(临界切割比Ψ0)能有效地提高钢带表面换热均匀性。

图2 不同切割比下钢带表面Nu数分布

2.2 Hs对钢带表面换热不均匀性的影响

调节喷嘴与钢带间距H，可实现对不同冻品尺寸的生产需求。本试验讨论了不同Hs与切割比Ψ时喷嘴正下方钢带表面换热特性，见图4。结果表明：在相同Hs，不同切割比Ψ下，X/S=150(其中：X为横坐标，S为喷嘴宽度，S=5 mm)即速冻机宽度方向中心，钢带表面换热强度差异性较小；但在X/S=0即压力出口处，钢带表面换热不均匀性较高，且随着Ψ增大，Nu数呈下降趋势。另一方面，随着Hs增加，钢带表面Nu数逐渐降低，其原因在于气流拓展到钢带表面的能力随着Hs增加而减弱，见图5。

图3 不同切割比对钢带表面换热的影响

图5 喷嘴出口气流射流矢量图

通过对上述数据进一步分析发现，当Ψ=0时，随着Hs增加，沿横流方向钢带表面换热差异性逐渐降低，见图4；当Hs>10时，随着切割比Ψ增加，在X/S=150处钢带表面换热强度大于X/S=0处的，即速冻机中心钢带表面换热能力强于钢带两侧。这是因为，随着喷嘴出口到钢带表面的靶向距离增加，使横流方向气流流通截面积增大，流体沿流动方向延程阻力降低，最终使横流方向条缝喷嘴出口压力极差减小，即在X/S=0与X/S=150处，静压腔与喷嘴出口两端的压差趋于一致，此时喷嘴出口流速相当，因此流体拓展到钢带表面的能力趋于相同，钢带表面Nu数分布较为均匀；另一方面，随着Ψ增加，从速冻机中心往钢带两侧移动过程中，喷嘴出口到钢带表面的靶向距离增大，流体拓展到钢带表面的能力减弱，所以X/S=0处钢带表面Nu数小于X/S=150处。因此，当Hs>10时，继续增大切割比，不仅不利于降低钢带表面换热差异性而且还将导致速冻机冻结速率下降。

为了更加直观地描述沿X方向，喷嘴正下方钢带表面Nu数的分布情况，本试验通过引入X/S=0与X/S=150处Nu数极值之差进行差异性描述。如图6所示，当切割比Ψ=0 时，在Hs=2处，沿X方向，Nu数分布差异性最大，其极差值达到93；随着Hs增加，极差值逐渐降低，并逐渐趋于0，这意味着当Ψ=0时，X/S=0处换热强度始终大于X/S=150处；随着Ψ值增加，X/S=0与X/S=150处Nu数极值之差呈现明显下降趋势，当切割比Ψ突破临界切割比Ψ0时，极差出现负增长趋势，即在X/S=0处表面Nu数低于X/S=150处。通过数据分析不难发现随着Hs增加临界Ψ0逐渐降低，见图7；当喷嘴与钢带间距一定时，通过图7 的临界Ψ0曲线可以有效地确定V型条缝喷嘴的最佳切割比(即Ψ0)。

图6 Nu数极差分布

图7 临界切割比分布曲线

如图7所示，临界Ψ0曲线随Hs增加，呈现先增大后减小的趋势，并在Hs=4附近，Ψ0达到峰值，其原因在于：当Hs<4时，喷嘴出口与钢带间的靶向距离较小，钢带处于气流射流的核心区域，气流在钢带表面进行附壁流动，钢带表面的换热速率十分剧烈，此时Hs的细微变化对钢带表面换热效果影响较大；因此，当Hs=2时，随着Ψ增加，X/S=0处钢带表面Nu数迅速降低，并达到临界Ψ0；另一方面，随着Hs增加，钢带表面换热强度降低，因此需要将Ψ调节到较大值使钢带表面换热差异性降低，当Hs=4时Ψ0达到峰值(0.95)；当410之后，调整切割比Ψ对冻结区域换热表面将造成不利影响。

3 结论

本试验以V型条缝喷嘴为研究对象，探索了在不同切割比下，改变喷嘴与钢带表面间距H对速冻机冻结区域表面换热特性的影响。得到以下结论：

(1) 当Hs<10，Ψ=0(即传统V型条缝喷嘴结构)时，沿X方向钢带表面换热强度存在明显差异性，即X/S=0处钢带表面Nu数明显大于X/S=150处的。

Ψ=0

(2) 当Hs<10，随着Ψ增加，沿X方向钢带表面换热强度差异性逐渐降低，当超过临界切割比Ψ0之后，钢带表面换热强度将出现负增长，即X/S=0处钢带表面Nu数低于X/S=150处的。

(3) 临界切割比Ψ0曲线随Hs增加，呈现先增大后减小的趋势，在Hs=4附近，Ψ0达到峰值；临界切割比Ψ0曲线针对不同尺寸的冻品调整Hs，并确定最佳切割比具有重要的指导意义。

(4) 当Hs>10，沿X方向，钢带表面不同位置处换热均匀性较强，调整切割比反而将降低钢带表面换热均匀性。

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