流態化速凍裝置布風板實驗研究

陳殿宇， 劉寶林， 宋曉燕， 莫 凡， 杜 杰

(上海理工大學 能源與動力工程學院， 上海 200093)

冷凍技術是目前食品保藏的重要技術之一[1]1。根據不同食品的理化性質與凍結要求，食品的凍結方法及裝置多種多樣，分類方式不盡相同。按照冷卻介質與食品接觸方式可分為：直接接觸法、間接接觸法和空氣凍結法。直接接觸法主要包括：液氮凍結裝置，液態CO2凍結裝置等；間接凍結法主要包括：平板凍結裝置，回轉式凍結裝置等；空氣凍結法主要包括：隧道式凍結裝置、螺旋式凍結裝置和流態化凍結裝置等[2]164。多種形式的凍結裝置滿足了食品冷凍工業的基本需求。為了提高食品冷凍工業的發展，相應的冷凍方法及冷凍裝置也要不斷更新升級[3]。以往學者分別從凍結裝置的選擇，裝置運行參數的控制，凍結裝置效率和能耗比等做出詳盡的研究[4-8]。對于顆粒狀食品的凍結，流態化速凍裝置是最合適的選擇，它具有多種優點：凍結速度快、食品干耗少、可實現單體速凍、易于實現機械化和自動化連續生產[9]。但是目前該應用的推廣尚未成熟，首先是能耗較高，過多的成本投入使企業的利潤空間降低；其次在速凍過程中，實現真正意義上的流態化一直是難點。流化床氣體分布的均勻性對于流體的流動特性、傳熱、傳質和化學反應都具有重要作用,是影響流化床流化的重要因素[10]。梁亞星等[11]對流態化速凍裝置風道進行了優化設計，保證風道內氣流組織的均勻性。布風板作為流化床的核心部件,其結構影響著流化床的傳熱傳質性能[12]。因此，課題組針對流態化速凍裝置的布風板進行研究，將氣流參數和布風板孔隙形狀及孔隙率作為變量，設計并優化布風板孔槽的分布；比較不同形式的孔槽及其排布對流態化速凍效果的影響，以期提高冷量利用率，縮短食品速凍周期，達到整套設備節能的目的。

1 實驗設備與方法

1.1 實驗臺搭建

如圖1所示，本實驗設計的流態化速凍裝置流化系統主要由離心風機1、風道2和布風板3組成。流化床床體是一個橫截面為400 mm×400 mm，深度為600 mm的長方體。床體內側裝有卡槽，方便拆裝不同類型的布風板。為方便后期冷凍實驗時，探測食品顆粒溫度變化，在床體一側設置5個直徑為100 mm、間距為35 mm的孔，用于安裝紅外透鏡。

1.2 材料與儀器

實驗所用新鮮青豌豆產自云南曲靖地區，選取直徑在6～7 mm剝莢的豆粒進行實驗。青豆的參數見表1。

表1 青豆的物性參數

專業級多功能環境測量儀Testo 435-4測量流化床布風板上下的風速及壓差。測量儀含有內置式差壓探頭，量程為0～25 hPa，精度為±0.02 hPa，分辨率為0.01 hPa，工作溫度為-20～50 ℃；配有葉輪風速探頭435-4，量程為0.6～40 m/s，精度為±0. 2 m/s測量值，操作溫度為0～60 ℃。探頭位置如圖2所示。

2 實驗方法

2.1 探究布風板孔隙率對壓降的影響

布風板的孔隙形狀、孔隙率和排布方式對布風板壓降都有影響。現以孔隙直徑為6 mm的圓孔，孔隙率分別為25%，30%，32%，35%，37%，40%和45%的布風板，討論不同風速時布風板的壓降。調節電動機頻率(10～50 Hz)，使風以0～6 m/s的速度吹向物料，風速值以流化床入口處的表面平均速度為準，記錄1.2，2.4，3.6，4.8和6.0 m/s時的壓降值。分別進行3次實驗，并對實驗數據校核后取并均值，用Excel對數據進行處理。孔隙率為25%的布風板如圖3所示。

2.2 探究布風板孔隙形狀對壓降的影響

表2 布風板孔隙形狀

3 實驗結果和分析

3.1 布風板孔隙率對壓降的影響

將測點2，測點3，測點4得到的壓降變化取平均值，得到整個食品層的平均壓降變化，如圖5所示。

大量固體顆粒(果蔬)懸浮于運動的流體中，此時不同壓力降的各個階段[2]170如圖6所示。圖中曲線Ⅰ為正常流化時的壓降曲線；曲線Ⅱ為流態化時產生流溝而得到的不穩定情況。B點的氣流速度uk為臨界流化速度，△p為床層壓力降。

臨界流化速度

uk=1.25+1.95lgGp。

正常操作速度

u=2.25+1.95lgGp。

床層壓力降

△p=H0(1-ε0)(ρs-ρf)g。

式中：Gp為凍品單體的質量，g；H0為食品層的靜態高度，N/m2；ε0為食品顆粒床層的空隙率，ε0=1-(ρb/ρs)；ρb為顆粒的堆積密度，kg/m3；ρs為顆粒自身密度，kg/m3；ρf為空氣的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

1) 孔隙率為25%時

由圖5中25%的曲線可看出壓降隨著氣流速度增大而增大，類似于圖6中的OA段，說明固定床有所松動，但食品顆粒并不能進入流化床階段。

2) 孔隙率為30%～37%時

由圖5中的4條曲線的走勢類似于圖6的CDE段，可判斷食品顆粒可以進入穩定的流化床階段；氣流速度增大到一定程度后，壓降幾乎保持不變。此階段氣體向上作用的總壓力(壓降與流化床截面面積的乘積)與食品層顆粒的總重力相平衡。此時盡管床層孔隙率持續增大，但因食品顆粒的重力不變，壓降因而保持恒定。

3) 孔隙率為40%時

氣流速度達到臨界流化速度后，壓降開始有所下降(類似于圖6中的BC段)，此時顆粒被上升氣流托住，床層開始流態化。壓降降低的主要原因是由于床層膨脹，食品層孔隙率增加，因此氣流的表觀速度雖然增大，但通過食品層之間的氣流真實速度并未增加，甚至略有減少。此階段流化床內極不穩定，容易發生不良流化現象。

4) 孔隙率為45%時

流速經過臨界流化速度后，壓降下降明顯，此時流化床內部已經發生了極不穩定的流化情況，類似于圖6中的曲線Ⅱ。此階段多種不良流化情況均可能存在。例如床層中出現“溝流”，使得氣流直接通過“溝流”流出，導致壓降降低；又或者出現了夾帶現象，床內顆粒不斷被氣流帶走，平衡顆粒重力的壓力不斷下降。因此，對于速凍新鮮青豌豆顆粒，流化床布風板最佳的孔隙率范圍是30%～37%。

3.2 布風板孔隙形狀對壓降的影響

將測點2，測點3，測點4得到的壓降變化取平均值，得到整個食品層的平均壓降變化如圖7所示。

分析1號，2號和9號的壓降曲線可知，進入穩定流態化后，9號布風板上下壓差值大；而孔徑非常小的1號和2號布風板出現了不良流化的現象。這是因為氣流在通過小孔徑的布風板時，風壓損失會比通過大孔徑時更多。分析2號和8號的壓降曲線可知，當孔隙形狀為圓形時，順排的風壓變化更穩定，這是因為順排時布風板邊緣處的開孔更均勻，進風更均勻。

觀察3號和4號的壓降曲線可知，當孔隙形狀為正方形時，孔徑越大的布風板進入穩定流態化后，壓降值的范圍會大于孔徑小的布風板，這一點與圓形孔隙時的結論一致。觀察4號和7號的壓降曲線可知，孔隙形狀為正方形時，順排與叉排的壓降曲線相差不大，順排的壓降變化更穩定，此處的結論與孔形為圓形時相同。觀察布風板孔隙分布情況可以發現，壓降的變化主要取決于布風板邊緣處的開孔情況。當邊緣處孔隙分布均勻時，進風更加均勻。

觀察5號和6號的壓降曲線可知，當孔隙形狀為三角形時，孔隙叉排的布風板流化情況優于孔隙順排的布風板，顆粒進入穩定流化床后，壓降趨勢也比較穩定。但無論順排還是叉排，壓降曲線均不如孔隙為正方形孔和圓孔理想。

比較直徑為4 mm圓形孔的布風板(2 號)和邊長為4 mm的正方形孔隙的布風板(3 號)，可以發現圓形孔的布風板流化情況更穩定一些，這與孔隙形狀有關。當氣流通過正方形孔隙時，正方形的四角與正方形的中心區域，進風速度略有差異，這也是影響最終流態化效果的一個因素。

4 結論

當孔隙率<30%時,青豆處于固定床微微松動的狀態，布風板開孔直徑越小,壓降越大,越容易達到穩定[14]；當孔隙率處于30%～37% 之間時，流化可以進入穩定的狀態，壓降恒定；孔隙率逐漸增加到>40%后，流化極不穩定，易發生不良流化現象。相同孔隙率的情況下，圓形孔隙的流化情況優于正方形孔隙，正方形孔隙優于三角形孔隙。相同孔隙率不同孔形的條件下，順排與叉排的流化情況難以得到概括性結論，但可以通過觀察布風板邊緣處的孔隙分布，凡邊緣處孔隙分布均勻時，則進風均勻，流化效果更好；當流化床進入穩定流態化階段后，孔徑越大的布風板壓降值越大。孔徑極小的布風板會出現不良流化的現象，原因是氣流在通過布風板時已經損失過多風壓。在整個流態化速凍過程中，風速和布風板設計是影響冷凍效果的關鍵因素。課題組以青豌豆為例，得出了直徑在6～7 mm球狀食品較適宜的操作條件；但在實際生產中，塊狀、條狀食品顆粒的流化程度遠遠大于球形顆粒，容易出現堆積和互鎖的現象，其較適宜的操作條件等待進一步驗證。在未來的研究中可以通過更改已有操作參數，總結出規律，再加以實驗證明。此外，在實驗過程中發現氣流組織均勻性有待加強，其原因在于風道設計存在缺陷，因此，對于該裝置風道的改善，進一步加強氣流組織的均勻性，減少氣流阻力損失是下一步工作的重點。