基于貴州獼猴桃花粉機械分離的冷凍方法研究*

吉旭，吳荻，林蜀云，唐勇，張?zhí)A，徐衛(wèi)平

(1. 貴州師范大學機械與電氣工程學院，貴陽市，550025； 2. 貴州省山地農業(yè)機械研究所，貴陽市，550000)

0 引言

獼猴桃在生產中會因花期不遇、惡劣天氣等因素，導致獼猴桃天然授粉坐果率低。因此，人工授粉是保證獼猴桃豐產的必要措施之一，而人工授粉中花粉制備對授粉起著決定性作用[1-2]。相比傳統(tǒng)的人工制粉方式，采用機械化制備花粉更加高效，且滿足產業(yè)扶貧需求。謝玥[3]、崔麗紅[4]、楊婷[5]發(fā)明的獼猴桃花粉分離機的原理是先機械破碎分離，再振動篩分，且在陜西、四川等地取得了良好的使用效果，但在貴州卻不適用。原因是貴州氣候條件使得獼猴桃花含水為60%，遠高于其他地區(qū)，導致花粉在分離過程中存在粘接現象，花粉大量浪費。所以探究一種既不破壞花粉活性又能符合機械分離要求的方法十分必要。李鵬[6]在獼猴桃花粉活性及人工授粉技術研究中得出，溫度高于30 ℃會導致花粉失活，不利于批量生產。田敏等[7]在花粉超低溫保存研究中得出，在低溫下花粉活性基本保持不變。與烘干相比，低溫冷凍成本低、耗時短、效率高，且滿足大批量生產。因此，文章提出采用半導體制冷的方式，并設計一個制冷箱，將其用于分離前獼猴桃花的冷凍；再通過COMSOL對冷凍模型進行溫度場仿真，以此解決因貴州氣候環(huán)境導致獼猴桃花粉分離存在的問題。該方法為實現貴州獼猴桃花粉的有效分離提供了理論及實踐基礎。

1 冷凍方案設計

1.1 獼猴桃花冷凍試驗

獼猴桃花含水量是影響獼猴桃花粉分離的重要因素之一，其含水量

(1)

式中：ω——獼猴桃花含水率；

m1——獼猴桃鮮花重量，其值為300 g；

m2——獼猴桃干花重量，其值為120 g。

通過計算得到貴州獼猴桃花含水量為60%。由郭彥萃[8]研究表明，花朵冷凍后，花朵中的水分以冰晶形態(tài)存在，且含水量為60%時花的共晶點溫度范圍在-13 ℃～-16 ℃之間。為使獼猴桃花能夠完全凍結，冷凍的最低溫度應比共晶點低5 ℃～8 ℃[9]。確定冷凍溫度為-18 ℃～-24 ℃。將新鮮獼猴桃花放于新飛冰箱型號BCD-221MGJ溫度為-18 ℃的冷凍室中冷凍15min后得到花朵狀態(tài),如圖1所示。

圖1 冷凍后的獼猴桃花

1.2 冷凍方式選取

傳統(tǒng)的氣體壓縮膨脹制冷存在污染大、噪聲大、制冷提升空間有限等缺點。在節(jié)能環(huán)保的前提下，常見的環(huán)境友好型制冷方式有磁制冷、吸附制冷和半導體制冷等。相比之下，半導體制冷具有結構簡單、無噪音、無污染、無振動、能耗低、使用壽命長、維護簡便，價格便宜等優(yōu)點，且為電源驅動[10-11]，其性能滿足獼猴桃花冷凍箱要求。

1.3 半導體制冷片選取

對TEC1-12704、TEC1-12706和TEC1-12708 三種類型的半導體制冷片進行制冷試驗對比得知，制冷片功率越大，效率越低。在制冷條件不變的情況下，TEC1-12706的制冷效果最好[12]。因此半導體制冷片選用基本尺寸為40 mm×40 mm×3.75 mm，電偶對數為127對的TEC1-12706半導體制冷片，其性能參數見表1。

表1 TEC1-12706制冷片性能參數Tab. 1 Performance parameters of TEC1-12706 refrigerating sheet

已知極限電壓是熱電偶對數的0.12倍，其大小為127×0.12=15.24 V；工作電壓是極限電壓的0.78倍，其大小為15.24×0.78=11.89 V[13]。最大制冷功率65 W，最大溫差60 ℃以上，元件四周標準704硅橡膠密封。

2 制冷源與制冷工況分析

2.1 半導體制冷源分析

由半導體制冷原理可知，在制冷過程中存在三種可逆熱電效應：即塞貝克效應、帕爾貼效應和湯姆遜效應。兩種不可逆熱電效應包括傅里葉效應和焦耳效應。計算過程中忽略湯姆遜熱，則通電以后主要由帕爾貼、傅里葉和焦耳這三種效應共同作用[14-15]。帕爾貼效應

QP=πI=(αP-αN)TCI

(2)

式中：QP——熱電制冷冷端吸熱量，W；

π——帕爾貼系數，V；

I——制冷器工作電流，A；

αP——P型半導體的溫差電動勢；

αN——N型半導體溫差電動勢；

TC——導體材料冷端溫度。

焦爾效應

QJ=I2R=I2ρL/S

(3)

式中：QJ——焦耳效應產生的焦耳熱;

R——制冷模塊的電阻；

ρ——電阻率；

L——電阻長度；

S——電阻橫切面積。

傅立葉效應

QK=K(TH-TC)=KΔT

(4)

式中：QK——傅里葉效應傳導的熱量；

TH——導體材料熱端的溫度；

K——導體材料的總熱導率；

ΔT——導體材料的溫度差。

2.2 制冷工況分析

在實際應用中，制冷片通常存在一般、最優(yōu)、最大制冷量和最大制冷效率四種工況[16-18]。因在冷凍獼猴桃花過程中冷凍箱需要保持低溫狀態(tài)，且為短期使用，所以要求制冷量盡可能大。故本文采用最大制冷量工況。在最大制冷量工況下，對電流求導，令d(QC)/dI=0得到電流

I=(αP-αN)TC/R=5.099 A

(5)

則最大制冷量

Qmax=(αTC)2/2R-KΔT=27.78 W

(6)

其中：α=αP-αN、ΔT=TH-TC。

制冷功率

(7)

制冷系數

(8)

3 基于COMSOL的制冷仿真參數設置

3.1 材料物理性能定義

冷凍箱體內獼猴桃花分層擺放，托盤采用導熱性良好的鋁制品。冷凍箱尺寸為440 mm×320 mm×220 mm。將三層獼猴桃花均勻放置在冷凍箱內，花的厚度為30～35 mm，托盤厚度為2 mm，模型如圖2所示。

圖2 獼猴桃花分布模型

確定植物導熱系數λ的經驗公式[19]

λ=0.148+0.493ω

(9)

植物比熱容CP的經驗公式主要有Lentz模型[20]以及Sweat模型[21]。

CP=(1.470+2.720ω)×1 000

(10)

CP=(1.381+2.930ω)×1 000

(11)

部分材料參數見表2。

表2 材料物理性能參數Tab. 2 Physical performance parameters of materials

3.2 物理場設置

仿真中物理場設置為固體和流體傳熱，三維瞬態(tài)求解器的時間步長為30 min[22-23]。并計算出在最大制冷量工況下單片制冷片制冷參數如表3所示。

表3 工況下制冷片性能參數Tab. 3 Performance parameters of refrigeration sheet under working conditions

仿真時，將制冷片定義成熱源；制冷片為6片時，即滿足制冷條件同時又滿足成本要求。由公式Qmax=P0/u(u為工作電壓)算出熱耗率P0=Qmax×u≈-333 V(制冷為負),且所有邊界設置為絕熱。

3.3 探針與制冷片位置確定

設置制冷量、時間步長為恒定值，通過改變制冷片安裝位置變化來測試溫度場的變化。以模型左下角為原點，長寬高為(x、y、z)軸，探針坐標如表4所示，探針位置如圖3所示。

表4 仿真模型內探針坐標Tab. 4 Probe coordinates in the simulation model

圖3 探針位置示意圖

仿真過程中將制冷片編號設置為1～6，如圖4所示。通過制冷片坐標位置的變化來探究合適的擺放位置，設置A到J組仿真，模型長高建立坐標系如表5所示。

圖4 制冷片擺放位置

表5 制冷片坐標Tab. 5 Position coordinate table of refrigeration sheet

4 COMSOL制冷仿真結果分析

4.1 空載仿真結果分析

通過COMSOL溫度場仿真分析得出10組空載下的溫度—時間變化結果，制冷片在不同位置下制冷溫度—時間變化如圖5所示。從圖5中可知前四組溫度較為集中，后六組溫度較為分散，說明前四組在制冷過程中溫度場分布較為均勻；而后六組溫度場不均勻，局部溫度過高且某些部位溫度過低，即后六組擺放位置不滿足需求。另外，從前四組仿真結果可知，A、D兩組溫度場分布較為分散，空載B、C兩組溫度最為集中，且溫度均分布在220～250 K之間。通過比較B、C兩組試驗數據，得到C組的溫度場最適合用于獼猴桃花冷凍，且滿足分離前的溫度要求。故采用C組模型進行安裝制冷片，能夠大大縮短花粉冷凍時間和提高花粉分離效率，為果農在短期內完成授粉提供有力的保障。

圖5 空載仿真試驗結果

空載C在制冷時間為500 s時的仿真模型切面如圖6所示，其溫度范圍在230～290 K之間。腔內熱量的減少主要是冷凍箱與外部環(huán)境間的對流導致，其特點是四周降溫較快，中間部分降溫速度較慢，腔內溫度場均勻性符合要求。

圖6 空載C制冷仿真結果

4.2 工況下仿真結果與分析

將空載C確定的最優(yōu)制冷片的位置帶入最大工況下進行實際仿真，并把獼猴桃花冷凍結晶溫度設為253～258 K，且在仿真模型中按照表4給出的坐標分別施加探針。通過改變箱內初始溫度和仿真時間得到制冷箱在最大制冷量工況下的制冷效果如下。

1) 當初始溫度為293.15 K，最大制冷量工況下制冷20 min仿真結果如圖7所示。仿真溫度范圍在230～290 K之間，模型上部溫度明顯低于下部，且下部溫度過高，不能滿足冷凍獼猴桃花溫度要求。

2) 當初始溫度為293.15 K，最大制冷量工況下制冷30 min仿真結果如圖8所示，箱內溫度符合獼猴桃花冷凍要求。通過改變時間提取不同探針處的實際仿真溫度，得到溫度—時間曲線如圖9所示。

圖8 工況下制冷30 min仿真結果

從圖9中可以明顯看出5個探針位置的溫度變化，其中4個探針處的溫度逐漸趨于穩(wěn)定，且變化率低，表明溫度場均勻性進一步提高。但圖9中探針①處的溫度隨著時間的增大溫度變化率較大，原因是探針①的位置處于冷凍箱中間；在實際仿真時，由于快速換熱導致溫度變化較快，但對于箱內溫度場的均勻性影響較小。

圖9 室溫293.15 K工況下仿真溫度-時間

3) 當初始溫度為263.15 K，最大制冷量工況下制冷10 min仿真結果如圖10所示，制冷15 min時仿真結果如圖11所示，圖示溫度范圍在230～290 K之間。與初始溫度為293.15 K下的溫度場相比，其溫度達到預期設定值的時間明顯降低。通過改變時間提取不同探針處的實際仿真溫度，得到溫度—時間曲線如圖12所示。

圖10 工況下制冷10 min仿真結果

圖11 工況下制冷15 min仿真結果

圖12 室溫263.15 K工況下仿真溫度—時間

從圖12中可以看出五個點的溫度變化與圖9一致，但穩(wěn)定后的溫度場均勻性更加適應于分離。在此條件的實際仿真過程中，在批量冷凍過程中10～15 min 就能完成一次冷凍工作，冷凍時間明顯縮短，為冷凍后再分離獼猴桃花粉提供了試驗基礎。

5 獼猴桃花粉機械分離工作原理與試驗結果分析

5.1 獼猴桃花粉機械分離工作原理

獼猴桃花粉分離機的局部剖面結構如圖13所示。其原理為：首先將獼猴桃花通過手動或自動的方式投入進料口；通過電機帶動進料螺旋轉動，花朵在進料螺旋的推動下沿著內壁進入分離機；移動過程中受到擠壓和摩擦的作用，致使花朵破碎，進而有效的實現花粉分離。破碎分離后殘留的花朵大碎片從進料螺旋后端的出料口排出，花粉以及少量花朵小碎片從進料螺旋下面的固定篩網下落至篩分裝置；篩分裝置中的運動篩網與偏心輪機構連接并在工作時做上下往復運動，細小的花粉在運動過程中通過運動篩網掉落至花粉收集裝置，而花朵小碎片在運動篩網上經過推送排出。最終實現獼猴桃花粉的高效分離。

圖13 獼猴桃花粉分離機的局部剖面結構

5.2 獼猴桃花冷凍分離試驗

通過上述仿真結果，設計試驗如下：在型號為BD/BC-205MB的容聲冷柜中對獼猴桃花進行冷凍，獼猴桃花分層裝入冷柜冷凍，層厚為30～35 mm，冷凍溫度取-18 ℃、-21 ℃和-24 ℃，時間取10 min、15 min 和20 min。根據獼猴桃花冷凍程度，將獼猴桃花粉冷凍機械分離試驗分為三類：第一類是在花朵未冷凍下進行機械分離試驗；第二類是在(-18 ℃，10 min、15 min)、(-21 ℃、-24 ℃，10 min)冷凍條件下進行花粉機械分離試驗；第三類是在(-18 ℃，20 min)、(-21 ℃，15 min、20 min)、(-24 ℃，15 min、20 min)冷凍條件下進行機械分離試驗。獼猴桃花粉分離設備如圖14所示。

圖14 獼猴桃花粉分離設備

上述三類機械分離試驗中，以獼猴桃花未冷凍機械分離、在-18 ℃下冷凍15 min后機械分離和在-21 ℃ 下冷凍15 min后機械分離為代表，每次進行分離試驗使用的花朵質量均是200 g，通過實際分離試驗得到的花粉分離結果如圖15所示。

圖15(a)分離后得到花瓣和花粉混合物的質量是12.34 g。結果顯示混合物中花瓣居多，花瓣與花粉嚴重混淆，導致花粉質量和產量變低。對混合物進行干燥和花粉提取，得到出粉率為1.4‰，不能實現獼猴桃的批量生產。圖15(b)分離后得到花瓣和花粉混合物的質量是9.52 g。結果顯示花朵與花粉少許粘接，分離效果與圖15(a)比較明顯提高。對混合物進行干燥和花粉提取，得到出粉率為2.1‰。圖15(c)分離后得到花瓣和花粉混合物的質量是8.29 g。結果顯示分離后的花粉與花瓣粘接的程度明顯小于圖15(b)，且含水量低，進一步提高了花粉的質量。對混合物進行干燥和花粉提取，得到出粉率為3.9‰，實現了獼猴桃花粉的高效分離。圖15(d)是人工分離得到的花粉，花粉質量為7.81 g。結果顯示人工分離的花粉顆粒分明，含雜少，分離效果最好。對花粉進行干燥和提取，得到出粉率為4‰。在機械分離試驗中，獼猴桃花在-21 ℃下冷凍后的分離效果和花粉出粉率均高于未冷凍和-18 ℃下冷凍后的分離和提純結果；在-21 ℃下冷凍后的花粉出粉率與人工分離提取的花粉量比較接近，但機械分離相比人工提取具有高效、快捷等優(yōu)勢。因此，將獼猴桃花先冷凍后再進行機械分離，不僅能夠有效分離花粉，節(jié)約能耗和成本，而且大幅度提高了獼猴桃花粉的質量與產量，很大程度上促進了貴州獼猴桃產業(yè)的高質量發(fā)展，為助力貴州脫貧攻堅奠定了堅實基礎。

6 結論

本文針對貴州獼猴桃花粉機械分離過程中存在粘接現象，提出采用一種半導體冷凍箱將獼猴桃花冷凍后再投入機器分離的方法。利用COMSOL仿真得到空載時最優(yōu)制冷片的位置，通過改變初始溫度，并提取和分析不同探針處隨時間變化的溫度，分析得到結論如下。

1) 獼猴桃花在冷凍前后機械分離效果差異較大，根據獼猴桃花結晶溫度在253～258 K之間，以及對半導體最大制冷量的計算，確定選用TEC1-12706制冷片，在最大制冷量工況下取用6片制冷片。

2) 利用COMSOL對半導體冷凍箱空載及工況下的制冷效果進行仿真分析，通過模擬空載條件下不同制冷片的位置的溫度場均勻性，確定了最優(yōu)制冷片的安裝位置，即空載C。

3) 通過仿真得到，在初始溫度為293 K條件下制冷30 min，實際模型各點溫度下降到258 K以下。當箱體內溫度平衡在263 K左右時，冷凍獼猴桃花下降到258 K只需10 min。獼猴桃花經過冷凍后再投入花粉分離設備中進行分離，分離效率大幅度提高，促進了花粉的批量提取，獼猴桃花期授粉得到了有力保障。

4) 獼猴桃花在-21 ℃下冷凍后的分離效果和花粉提取率均高于未冷凍和-18 ℃下冷凍后分離和提取的結果，得到花粉的出粉率為3.9‰，與人工分離提取的花粉量相近，實現獼猴桃花粉的高效分離和批量提取。