蘋果差壓預(yù)冷均勻性的實驗研究

解海衛(wèi)，張晶，張艷，鄧尚洵

（天津商業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，天津300134）

預(yù)冷是果蔬冷鏈中的第一個重要環(huán)節(jié)，研究表明 不經(jīng)過預(yù)冷的果蔬在流通中損失率是經(jīng)過預(yù)冷果蔬的2倍～6倍[1]。將果蔬采后迅速對其進行預(yù)冷，在短時間內(nèi)去除其田間熱、降低果蔬呼吸強度，可在一定程度上延長果蔬的儲運時間并提升果蔬品質(zhì)[2]。差壓預(yù)冷為強制通風預(yù)冷的一種，是利用軸流風機抽吸作用在包裝箱兩側(cè)形成壓差，通過強制對流換熱帶走果蔬田間熱的一種預(yù)冷方式，具有降溫速度快、冷卻均勻性好、效率高等優(yōu)點，受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注[3-6]。

預(yù)冷時間和預(yù)冷均勻性是表征差壓預(yù)冷效果的重要指標[7]。送風溫度、送風速度、開孔方式以及開孔率是差壓預(yù)冷的主要影響因素，王強等[8]研究了黃金梨送風速度、開孔形式、開孔率以及擺放方式對預(yù)冷時間的影響。季麗麗等[9]對西葫蘆在不同溫度條件下差壓預(yù)冷后的冷藏品質(zhì)進行分析研究。郭兆峰等[10]對杏在差壓預(yù)冷的基礎(chǔ)上進行加濕差壓預(yù)冷，利用正交試驗對預(yù)冷時間、送風溫度、加濕器水量及果實失水率等因素進行分析得出最佳預(yù)冷設(shè)備參數(shù)。許如楠等[11]關(guān)于差壓預(yù)冷風速對蒜薹品質(zhì)的影響進行了試驗研究。眾多學(xué)者關(guān)于差壓預(yù)冷效果[8-10]與經(jīng)過差壓預(yù)冷后的食品品質(zhì)[11-18]等因素進行了大量以預(yù)冷時間為主要評定指標的試驗及模擬研究，但鮮有關(guān)于預(yù)冷均勻性指標的研究。本文通過搭建差壓預(yù)冷實驗臺研究送風速度、送風溫度、開孔大小以及開孔方式等因素對差壓預(yù)冷冷卻均勻性的影響，利用混合正交試驗分析法研究以上4個因素對冷卻均勻性的影響程度。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

蘋果：挑選大小均勻（平均直徑為70 mm）、外形規(guī)則、無病蟲害的同一品種蘋果作為試驗樣本；包裝箱：選用三層瓦楞紙箱，外形尺寸為長×寬×高=445 mm×295 mm×300 mm，紙箱厚度為5 mm。

1.2 試驗裝置

搭建差壓預(yù)冷實驗臺如圖1所示。

圖1 差壓預(yù)冷實驗臺Fig.1 Experiment rig of differential pressure precooling

實驗臺主要由制冷裝置、軸流風機、輔助電加熱器和加濕器組成。通過制冷裝置給庫內(nèi)降溫，利用輔助電加熱器和加濕器維持庫內(nèi)溫濕度恒定，通過軸流風機的抽吸作用使開孔包裝箱兩側(cè)形成壓差，冷風與箱內(nèi)果蔬進行強制對流換熱，達到預(yù)冷果蔬的目的。

1.3 溫度采集裝置

裝置由銅-康銅熱電偶、MX100溫度巡測儀和計算機組成。利用熱電偶一端插入蘋果靠近中心處，另一端連接MX100溫度巡測儀測得包裝箱內(nèi)蘋果溫度，將MX100溫度巡測儀所采集數(shù)據(jù)連接計算機傳輸至PC端。

1.4 試驗方案

對44個蘋果采用叉排的方式碼垛為4層，第一層碼放14顆，第二層碼放8顆，第三層碼放14顆，第四層碼放8顆。將熱電偶一端插入蘋果中心處，另一端連接至溫度采集裝置。試驗選取送風速度分別為：1、1.5、2 m/s；送風溫度為：0、2、4 ℃；開孔當量直徑為：30 mm和40 mm（保證開孔率均為30%）；開孔方式為：圓形和橢圓形，進行試驗，對預(yù)冷冷卻均勻性過程及以上4個主要因素對冷卻均勻性影響程度進行分析。

冷卻均勻性的判斷指標：

式中：σ為冷卻均勻度；t為各測點平均溫度；ti為各測點蘋果中心溫度；n為測點個數(shù)。

冷卻均勻度又稱溫度變異系數(shù)是基于數(shù)學(xué)方差基礎(chǔ)上提出的計算公式[19]，衡量出各測點溫度值與平均溫度值的偏離程度。σ的范圍為0～1，均勻度數(shù)值越小，表明各測點溫度值越相近，冷卻預(yù)冷均勻性越好。

2 結(jié)果與分析

2.1 送風速度對預(yù)冷均勻性的影響

不同送風速度對均勻性的影響見圖2。

如圖2所示，隨著送風速度的增大，預(yù)冷結(jié)束時各測點蘋果冷卻均勻度降低。在一定范圍內(nèi)送風速度越大冷卻均勻性越好，原因是送風速度的增大使得包裝箱兩側(cè)壓差增大，包裝箱入口處徑向風速變大，進入包裝箱內(nèi)的冷空氣紊流程度增強，使：1）箱內(nèi)冷空氣與箱內(nèi)蘋果間的表面換熱系數(shù)增大；2）減少流場分布死角，庫內(nèi)冷空氣流動率增大，使得各測點蘋果中心降溫速率差別減小，從而提高了預(yù)冷冷卻均勻性程度。不同送風速度下冷卻均勻度呈先增大后減小的趨勢。這是因為預(yù)冷初期，在軸流風機的作用下冷空氣通過開孔包裝箱進入箱內(nèi)，靠近入風口處冷風強度高于出口處并且冷風徑向擴散強度高于橫向擴散，使得各測點蘋果中心降溫速率差別變大，預(yù)冷均勻性變差；之后，一部分降溫速度快的蘋果會與降溫速度慢的蘋果的進行熱傳導(dǎo)及熱輻射作用并且冷風橫向滲透力增強使得均勻性越來越好。送風速度越大均勻度的峰值越小，在整個預(yù)冷過程中均勻度數(shù)值均處于最低。送風速度是影響果蔬中心降溫速率的重要因素，送風速度的增大可以增加換熱效率，不僅提高預(yù)冷均勻性而且可縮短預(yù)冷時間，增大送風速度在一定程度上可以提高預(yù)冷均勻性。

2.2 送風溫度對預(yù)冷均勻性的影響

不同送風溫度對預(yù)冷均勻性的影響見圖3。

圖3 不同送風溫度對預(yù)冷均勻性的影響Fig.3 The influence of different air temperature on uniformity

如圖3所示，送風溫度越高預(yù)冷結(jié)束時各測點蘋果冷卻均勻度越低。這是因為送風溫度越高，冷空氣與各測點蘋果之間的換熱溫差越小，在換熱過程中各個測點蘋果中心降溫速率越慢，各測點蘋果中心溫度越接近，故冷卻均勻性越好。不同送風溫度下冷卻均勻度呈先增大后減小的趨勢。這是因為預(yù)冷開始時，各測點蘋果中心溫度與送風溫度之間的換熱溫差大，由于開孔方式、開孔大小、箱內(nèi)蘋果碼放等因素使得溫度場分布不均，冷卻均勻性變差。隨著預(yù)冷的進行，由于包裝箱的熱阻小于蘋果熱阻，包裝箱內(nèi)一部分降溫速率快的蘋果會與降溫速率慢的蘋果進行熱傳導(dǎo)和熱輻射作用使得冷卻均勻性越來越好。送風溫度越高冷卻均勻度峰值越低，在整個預(yù)冷過程中均勻度均處于最低。這是因為送風溫度的增大減小了與各測點蘋果間的溫差，各測點蘋果中心溫度下降速率減緩，預(yù)冷時間會增長，但預(yù)冷均勻性會有相應(yīng)的提高。因此單純的追求低溫送風，雖然會縮短預(yù)冷時間，但會加大能耗，對于果蔬易產(chǎn)生冷害，使得果實預(yù)冷均勻性變差。

2.3 孔徑大小對預(yù)冷均勻性的影響

不同開孔大小對預(yù)冷均勻性的影響見圖4。

圖4 不同開孔大小對預(yù)冷均勻性的影響Fig.4 The influence of different aperture size on the uniformity

由圖4所示，對于圓形開孔，在相同的開孔率下，孔徑越大，均勻度越低，預(yù)冷均勻性越好；而對于橢圓形開孔，在相同的開孔率下，孔徑越小，均勻度越低，預(yù)冷均勻性越好。這是由于在相同開孔率下，圓形孔徑增大，使得通過包裝箱內(nèi)風速分布更加均勻，從而冷空氣溫度分布更均勻，故各測點蘋果中心降溫速率更接近預(yù)冷均勻性更好；橢圓形孔徑增大，使得冷風橫向擴散程度加強，換熱速率加快但箱內(nèi)冷風氣流組織分布不均勻性增強，故各測點蘋果中心降溫速率差異變大冷卻均勻性降低。不同孔徑大小下均勻度呈先增大后減小的趨勢。這是因為預(yù)冷開始時在壓差的作用下，冷風通過孔徑時使流場分布不均，從而與各測點蘋果換熱強度不同致使均勻性變差；隨著預(yù)冷時間的增加，箱內(nèi)果蔬以及包裝箱溫度降低，由于孔徑對箱內(nèi)流場分布不均的影響程度減小，各測點蘋果冷卻均勻性越來越好。孔徑大小不同時，均勻性變化過程相似，峰值出現(xiàn)所需預(yù)冷時間相同（峰值出現(xiàn)的位置相同）。這是因為在相同的開孔率下改變孔徑大小，使得冷風通過不同大小孔徑時徑向滲透和橫向滲透強度不同但所形成的流場分布相似。

2.4 開孔方式對預(yù)冷均勻性的影響

開孔方式對預(yù)冷均勻性的影響見圖5。

圖5 開孔方式對預(yù)冷均勻性的影響Fig.5 The influence of different opening modes on the uniformity

由圖5所示，預(yù)冷結(jié)束時橢圓開孔和圓形開孔均勻度各有優(yōu)劣。這是因為冷風通過不同開孔方式的孔徑對箱內(nèi)流場分布影響程度小于送風溫度、送風速度以及開孔大等因素的影響，故開孔方式對于預(yù)冷均勻性的影響程度不大。不同開孔方式下冷卻均勻度呈先增大后減小的趨勢。這是因為預(yù)冷開始時冷風通過不同開孔方式的箱體，擾動其內(nèi)部流場分布，使得各測點蘋果換熱強度不同致使均勻性變差。隨著預(yù)冷時間的增加，箱內(nèi)果蔬以及包裝箱溫度降低，由于開孔方式對箱內(nèi)流場分布不均的影響程度減小，各測點蘋果冷卻均勻性越來越好。

2.5 不同因素對均勻度影響程度大小

為研究4個主要因素對冷卻均勻性的影響程度，采取混合正交試驗分析法，對以上4個因素擬水平化處理為L9（34）進行分析，如下表1、表2、表3所示。

表1 因素水平表Table 1 Factor level table

表2 試驗方案Table 2 Experimental scheme

續(xù)表2 試驗方案Continue table 2 Experimental scheme

表3 極差分析Table 3 Range analysis

混合正交試驗對R進行調(diào)整，用調(diào)整后的R′來進行比較：

式中：r為因素每個水平試驗數(shù)；d為折算系數(shù)（r=2，d=0.71；r=3，d=0.52）。

由表3可知四因素對均勻度影響程度大小依次為送風溫度、送風速度、開孔大小、開孔方式。

3 結(jié)論

對于不同送風速度、送風溫度、開孔大小和開孔方式4個因素對均勻度影響程度大小依次為送風溫度、送風速度、開孔大小、開孔方式。送風速度越大、送風溫度越高預(yù)冷均勻性越好，預(yù)冷過程中均勻度峰值最低。對于圓形開孔，孔徑越大，均勻度越好；對于橢圓形開孔，孔徑越小，均勻度越好。孔徑大小不同時均勻性變化過程相同，峰值出現(xiàn)所需預(yù)冷時間相同。開孔方式對于預(yù)冷均勻性的影響程度不大。對于不同送風速度、送風溫度、開孔大小和開孔方式4個因素，均勻性變化過程均可分為兩個階段：第一階段時各測點均勻度數(shù)值隨著預(yù)冷時間的增加而升高，且升高速率越來越緩慢；第二階段時各測點均勻度數(shù)值隨著預(yù)冷時間的增加而減小。