孔板送風——冷藏保鮮中的新型送風方式

趙 磊 范 凱

（1.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011；2.海軍裝備部駐上海地區軍事代表局 上海200135）

引 言

船舶冷庫溫度的波動及庫內送風方式對冷庫內食品的保存期影響較大。溫度的波動會刺激果蔬增強呼吸作用，加速其自身的成熟，縮短果蔬的保鮮周期［1］。目前設計冷庫的溫度波動范圍為±2℃［2］，如果設計溫度點在2℃時，那庫內溫度范圍就在0℃～ 4℃之間，其間有4℃溫差，在此環境下果蔬呼吸作用會加劇，加速自身的成熟進程，不易長期保存。冷庫送風方式大多采用為冷風機側送風方式。由于每個冷庫內冷風機設置數量有限，會造成庫內氣流組織不均勻，庫內不同位置溫度相差過大，并且冷風機送風口處風速過高。當大量蔬果采摘后堆放在冷庫內，局部缺少通風散熱裝置時，由于呼吸熱無法散出，從而導致蔬果自身溫度升高，進而又刺激了呼吸、產生更多的呼吸熱，加速產品腐敗變質。此外，空氣流動會帶走積聚在果品蔬菜表面附近的水分，加大果品蔬菜內外相對濕度的差異，使果品蔬菜水分散失加快，造成果蔬的萎蔫，風速愈大，水分散失也愈快［3］。

如果能控制好冷庫內溫度波動范圍，并盡量降低庫溫設定點但又不得低于果蔬冰點溫度，最大限度抑制果蔬呼吸作用，同時優化庫內氣流組織，減少庫內氣流場死角，控制庫內氣流速度，使庫內果蔬充分冷卻的同時還能減少果蔬的水分流失，就能大幅度提高庫內果蔬保鮮周期。

新的研究和理論分析表明［4］，孔板送風所形成的上送風下回風的送風方式，最易實現冷庫內近似活塞流，而活塞流具有極佳的送風均勻性，同時上送風、下回風最大限度地克服了庫內貨架對送風氣流的阻擋作用，可徹底消除送風死角，實現庫內溫度均勻及溫度波動最小化。為了驗證此種孔板送風方法的實際效果，得出冷庫內實際溫度波動范圍，以及對主要經常食用的果蔬類食品的保鮮效果，我們開展了庫內溫度場和速度場的模擬計算及試驗驗證工作。

1 孔板送風形式溫度場和速度場的模擬計算

為了驗證此種孔板送風方法的實際效果，應用計算流體力學（CFD）軟件，我們首先開展試驗庫內流場和溫度場的模擬計算工作，為冷庫送風設計提供數據支持。

試驗冷庫內部尺寸為17 850 mm（長）×8 500 mm（寬）×3 000 mm（高），采用天花板夾層格柵送風方式，格柵與冷庫頂板間為200 mm的夾層靜壓箱。冷庫內設有8個冷風機組，每個冷風機組包含送風口和回風口，冷庫內氣流組織的形式采用新型送風方式上送風、下回風，即由冷風機組送風進入頂部夾層內部，再由夾層靜壓箱下部布置的格柵送風口向下送風；回風口在距冷庫底部高度為500 mm處。夾層靜壓箱和格柵用于實現送風的均勻性，同時格柵上鋪設過濾均流層，用于進一步調整出風的均勻性。為實現仿真計算與現實情況相符合，綜合考慮夾層內部區域，包括天花板夾層格柵對流體阻力的問題，可模擬夾層格柵的不同送風速度。將冷風機組的送風口作為流體入口，在此基礎上研究這一工況下冷庫內部的流場和溫度分布。冷庫物理模型如圖1所示。

圖1 新型送風方式的冷庫物理模型

該冷庫由壁面1～4、地板、8個送風口、8個回風口和頂部天花板以及穿孔送風板組成，冷風機組靠近墻壁2和墻壁4放置，冷風機組向上面的頂部夾層內送入冷空氣，再由天花板夾層格柵將冷空氣送入每排冷藏架內冷卻蔬菜，最終從底部回風口回風。傳統送風方式的冷庫物理模型中冷藏架間隔兩端分別布置三個掛式冷風機組給冷庫送風，送風口向冷藏架間隔內送入冷卻空氣，回風從布置在靠近墻壁的回風口回去。如圖1所示，x軸的方向為冷藏架排列方向，z軸的方向為冷藏架的高度方向。

1.1 冷庫溫度分布比較

在制冷工況下，孔板送風不同平面溫度的比較參見下頁圖2 -圖5（溫度值范圍為272 K～280 K）。

分析圖2 -圖5溫度分布可知，上送下回送風方式絕大部分區域溫度為273 K，最高溫度為280 K。在上送下回送風方式下，冷庫內部整體區域溫差較小且分布相對均勻，因此冷庫內部冷藏區不會產生局部高溫，但近墻壁區域溫度偏高。

圖2 x=1 m、x=10 m、x=17 m處的平面溫度

圖3 y=2.1 m、y=4.25 m處的平面溫度

圖4 z=0.3 m、z=2 m、z=3 m處的平面溫度

圖5 冷庫儲藏架每排儲藏架的表面溫度

1.2 冷庫內氣流速度分布比較

下頁圖6 -圖8為冷庫內氣流速度比較圖?？梢?，頂板送風方式下，冷庫內部風速較小且分布均勻，頂板送風口風速較小，沒有射流。而頂板送風方式下的中間位置氣流速較大，這是由于夾層內部有梁，流體進入夾層并撞擊梁，從而導致中間位置的氣流速度較快。

分析仿真模擬的溫度分布，在考慮冷庫四壁熱傳導條件和蔬果自身發熱量的情況下，冷庫內絕大部分區域溫度波動不超過±0.8℃，可將冷庫溫度控制精度在±1℃以內。分析仿真模擬的速度場，在考慮了夾層格柵送風量不均勻的基礎上進行數值模擬表明，冷庫內絕大部分區域氣流速大小不超過0.1 m/s，只是在靠近回風口處氣流速超過0.1 m/s，且不存在傳統冷庫可能存在的局部送風死角的問題。

圖6 x=1 m、x=10 m、x=15 m處的平面速度

圖7 y=2.1 m、y=4.25 m處的平面速度

圖8 z=0.3 m、z=2 m、z=3 m處的平面速度

由上述冷庫溫度場和速度場的數值模擬結果可知，采用天花板格柵送風，底部回風的方式能夠基本滿足冷庫對溫度均勻性和速度均勻性的要求。

2 孔板送風實體冷庫試驗

經過前期的數值模擬計算后，搭建試驗冷庫，該庫體實際凈面積為150 m2、凈高2.9 m。冷庫庫體采用聚氨酯保溫庫板，厚度為150 mm。庫底板采用承壓型庫板，側板和頂板采用雙層彩鋼板，房頂部布置200 mm厚的送風夾層，采用孔板送風方式。庫內冷風機、貨架等設備的布置均同數值模擬模型一致。

冷風機坐地安裝在庫房兩側，其上接送風管路，通過天花板格柵向庫房送風，回風則采用冷風機下部回風（見圖9）。

圖9 冷庫送回風示意圖

制冷工況時，冷風機全部投入運行；維持工況時，半數冷風機運行。試驗室設置數據采集裝置，可監控冷藏系統的運行情況，并記錄數據。試驗系統的照片見圖10-圖12。

圖10 試驗庫外形照片

圖11 壓縮冷凝機組照片

圖12 送風孔板及加濕管照片

冷藏系統的溫度設定范圍為0℃～5℃，庫房的濕度控制在80%～90%，試驗考核時間為45天，試驗數據由數據采集儀自動記錄，整個庫房的溫度控制精度見圖13。

圖13 庫房溫度控制精度

可見，整個庫房的溫度精度控制在±0.5℃以內，庫內溫度場非常均勻。此外，利用風速儀實測，發現冷庫內大部分區域氣流速度都在0.1 m/s以內。

3 保鮮試驗

結合冷庫內氣流場及溫度場試驗，我們進行了經常食用的果蔬品種保鮮試驗。試驗蔬菜品種多達16種，水果品種3種。首次入庫時對每箱蔬菜進行編號并稱重，裝箱前葉菜挑除黃葉和爛葉，瓜果類蔬菜挑除腐爛果實，不進行其他處理。庫房溫度控制在0℃±0.5℃，相對濕度控制在80%～90%。

入庫20天后，發現米莧、茼蒿、菠菜、空心菜和雞毛菜表面濕潤，部分葉片有腐爛現象，將抽樣箱中的腐爛菜葉挑除，進行稱重記錄后繼續進行試驗。其他葉菜，如青菜、芹菜、杭白菜、油麥菜等色澤鮮綠，葉片無腐爛黃化。

入庫26天時，發現米莧、茼蒿、菠菜、空心菜和雞毛菜腐爛比例有所提高，上述幾種菜品全部出庫停止試驗，其他菜品幾乎無明顯變化，試驗繼續進行。

入庫34天時，生菜個別葉片頂部出現縮水現象，但整體顏色鮮綠，其他幾箱生菜均情況良好。青菜、芹菜、杭白菜、油麥菜、芥藍、花菜情況普遍較好。青椒色澤鮮艷、無凍傷斑點，西紅柿、蘋果、梨和桃子狀態良好。

保鮮試驗的第45天，作為試驗結束點，我們對各種果蔬進行檢查并統計可食用率。出庫時的蔬菜情況匯總見表1。

表1 45天出庫果蔬情況匯總

在保鮮試驗期間，我們委托上海海洋大學進行果蔬營養成份跟蹤測試，主要測試項目有維生素C含量、葉綠素含量（葉菜類）、粗纖維（葉菜類）、含水量等的變化。跟蹤測試每隔5～7天進行一次送樣，送樣果蔬采用20 mm厚的泡沫箱存放，底部放置厚度約為70 mm的冰袋以營造低溫環境，并用硬質吸水紙進行隔離，防止水分影響測試結果（見圖14）。

圖14 送樣箱內部分果蔬

在47天的試驗周期內，挑選了具有代表性的幾種蔬果，分別在試驗開始后的第1天、第14天、第25天、第30天、第40天和第45天，進行了6次營養成分測試。

通過測試的結果分析，果蔬在0℃的溫度下，隨著貯藏時間的延長，不同種類蔬菜的維生素C變化基本上呈現下降趨勢，但下降幅度的快慢有所不同。芹菜、生菜、蘋果和桃子維生素C的初始含量相對其他種類的蔬菜較低，青菜的VC初始含量最高。在整個貯藏期間，芹菜、蘋果、生菜和桃子的維生素C基本維持在一個較低水平，隨著貯藏時間的延長，維生素C降幅不大，差異性不顯著。青菜、花菜、辣椒、蘿卜的維生素C含量均呈下降趨勢。

測試葉綠素含量后發現：青菜在貯藏過程中葉綠素含量波動比較明顯，最終呈現逐漸下降的趨勢；［5］生菜在貯藏過程中葉綠素含量的變化程度不是很大；芹菜的葉綠素含量在貯藏過程中平穩下降，并在所測的葉菜中下降的幅度較大。在被測冷藏葉菜中，芹菜葉綠素較易損失。

測試粗纖維含量后發現，芹菜儲藏過程中粗纖維含量相對減少。在儲藏后期，呼吸作用導致芹菜纖維素分解以供代謝消耗，儲藏45天期間，粗纖維減少40%左右，但仍可被接受。

果蔬中的水分測試結果顯示，不同種類果蔬自由水含量相差較大。其中，桃子和蘋果的自由水含量明顯呈現先增大后減小的趨勢，且相對自由水含量小于蔬菜類；蘿卜和卷心菜表現出略微增大的趨勢；其他蔬菜基本不變。

營養成份的跟蹤測試顯示：當儲存到第45天時，青菜、生菜等葉菜的外觀狀態良好，仍可食用，僅菠菜在第三次測試（即第25天）因腐爛而無法食用；球莖類蔬菜（如花菜）以及蘿卜、桃子和蘋果等其他果蔬均仍可食用。

上述果蔬品種在普通冷藏庫內保鮮儲藏時間一般都在7～15天（蘋果除外）。通過本次果蔬保鮮試驗可以發現，采用孔板送風形式的冷藏庫，庫溫控制在0℃±0.5℃，大部分蔬果都可保鮮貯藏至45天以上，大幅度提高了果蔬的食用周期。

4 結 論

冷庫采用孔板送風方式不僅能有效減小傳統冷庫內的溫度波動范圍，同時能降低冷庫內氣流速度，從而減少了果蔬的干耗，延長果蔬的保鮮周期。此外，采用孔板送風方式，果蔬的營養指標也好于常規冷藏庫內的果蔬。此種送風方式可實現以較少的投入達到較好的保鮮效果，因此，在今后的船舶果蔬冷庫的設計應用中有較好的推廣前景。

［1］陸耀慶.實用供熱空調設計手冊［M］.北京：中國建筑工業出版社，2007：1257.

［2］艦船通用規范5組輔助系統 ［S］. 73.

［3］張化面.MAP氣調保鮮技術在現代船舶上的應用分析［J］.船舶，2013（6）：61-64.

［4］郭亞利，劉斌，沈勝強.微型冷庫內送風方式與果蔬預冷的研究［J］.熱科學技術，2005（2）：28-32.

［5］謝晶，張利平，蘇輝.上海青蔬菜的品質變化動力學模型及貨架期預測［J］.農業工程學報，2013（15）：271-3278.