基于CFD模擬研究不同保溫結(jié)構(gòu)和溫度對(duì)番茄冷藏配送品質(zhì)和效果的影響

吳如書(shū) 劉 升 章學(xué)來(lái) 盧裕億 王信康 薛靖文 尚夔櫟

(1 上海海事大學(xué)商船學(xué)院 上海 203106；2 農(nóng)業(yè)部蔬菜采后加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京市果蔬貯藏與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心 國(guó)家蔬菜工程技術(shù)研究中心 北京 100097)

近年來(lái)，新鮮果蔬消費(fèi)市場(chǎng)呈現(xiàn)一種生鮮電商冷鏈宅配模式，生鮮電商最主要的配送方法為“泡沫箱+冰袋或冰瓶”，存在不環(huán)保、資源浪費(fèi)、果蔬易腐等問(wèn)題。蓄冷保溫箱是上述冷藏配送方法的另一種改進(jìn)方法，但也存在無(wú)法精準(zhǔn)控溫，不宜長(zhǎng)途運(yùn)輸，蓄冷劑回收率低等問(wèn)題[1-3]。半導(dǎo)體制冷器(thermo electric cooler,TEC)具有體積小、綠色環(huán)保、控溫準(zhǔn)確等特點(diǎn)，應(yīng)用越來(lái)越廣泛[4]，半導(dǎo)體冷藏箱注重解決環(huán)保、精準(zhǔn)控溫、資源和能源利用等問(wèn)題。

真空絕熱板(VIP)作為一種新型隔熱材料，傳熱系數(shù)僅為傳統(tǒng)隔熱材料的1/10～1/3[5]，被認(rèn)為是冷藏裝備下一代升級(jí)保溫材料。王世偉[6]研究液氮制冷保溫箱的保溫結(jié)構(gòu)，表明真空絕熱板置于中間層時(shí)，保溫效果最佳。于燕等[7]計(jì)算表明真空絕熱板置于速凍冷柜的高溫側(cè)能起到更好的保溫效果。M.Gaedtke等[8-9]模擬并實(shí)驗(yàn)了VIP+PU結(jié)構(gòu)在冷藏車、蓄冷保溫箱上的應(yīng)用。當(dāng)前對(duì)于半導(dǎo)體冷藏配送箱保溫結(jié)構(gòu)的分析研究較少。

數(shù)學(xué)建模具有成本低、計(jì)算時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)[9]。有學(xué)者利用CFD建立了三維半導(dǎo)體冷藏箱模型，提出制冷模塊頂置時(shí)效果最佳，對(duì)比強(qiáng)迫對(duì)流與自然對(duì)流模型，強(qiáng)調(diào)了冷端設(shè)置風(fēng)扇的必要性[10-12]，而箱內(nèi)傳熱以自然對(duì)流為主時(shí)，制冷模塊置于側(cè)壁箱體制冷性能更佳[13]。

番茄作為我國(guó)主要的蔬菜作物之一，酸甜可口，營(yíng)養(yǎng)豐富，深受大眾喜愛(ài)。番茄果實(shí)含水多，皮薄易腐損，其貯藏溫度與成熟度相關(guān)。綠熟番茄適宜貯藏溫度為10～13 ℃，8 ℃以下易發(fā)生冷害；紅熟番茄適宜貯藏溫度為0～2 ℃[14-15]，采用0～4 ℃預(yù)冷處理可提高貯藏品質(zhì)[16]。

本文以紅熟番茄為研究對(duì)象，建立傳熱模型并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究不同保溫結(jié)構(gòu)和不同溫度的番茄半導(dǎo)體冷藏箱配送下對(duì)其溫度場(chǎng)分布均勻性和品質(zhì)及效果的影響，同時(shí)測(cè)量番茄的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。

1 材料與方法

1.1 材料

1)實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料番茄于2020年10月28日、10月29日及10月30日08:00從北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心附近的北京果香四溢購(gòu)買，每批次挑選大小均勻(直徑約為7～8 cm)，成熟度一致，無(wú)病害無(wú)損傷的紅熟番茄。

2)儀器與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心研制的半導(dǎo)體電子冷藏配送箱AQ-18L(VIP+PU結(jié)構(gòu)，VIP板居中)，20 ℃環(huán)境溫度下，設(shè)置溫度為-5 ℃，底部恒定為-1.5 ℃，中部恒定為0.5 ℃，上部恒定為3.9 ℃(第三方檢測(cè)結(jié)果)；WZYWM-1溫度自記儀；TSI9545-A風(fēng)速儀，美國(guó)特賽公司；UWA-K-015型數(shù)字電子秤；CR-400色差儀；PR-100折射儀。

1.2 方法

1)模擬仿真方法

使用ANSYS ICEM CFD軟件進(jìn)行前期建模和網(wǎng)格劃分，建立冷空氣和番茄傳熱模型，采用k-ε模型和SIMPLE算法進(jìn)行模擬仿真。空箱模擬，冷端使用UDF導(dǎo)入實(shí)際溫度，選取6個(gè)壁面中心溫度作為測(cè)點(diǎn)，分析不同保溫結(jié)構(gòu)對(duì)箱內(nèi)溫度場(chǎng)分布的影響；滿載模擬，冷端溫度設(shè)置為0 ℃，制冷片端設(shè)置為-3 ℃，選取第一層和第二層右側(cè)4個(gè)番茄果心溫度作為測(cè)點(diǎn)，分析不同保溫結(jié)構(gòu)和不同溫度番茄對(duì)箱內(nèi)溫度場(chǎng)分布及果心溫度的影響。

2)實(shí)驗(yàn)方法

將挑選好的番茄使用冷庫(kù)預(yù)冷至(4±1)℃、(10±0.8)℃、(15±1)℃后，置入VIP+PU冷藏箱內(nèi)，每層8個(gè)共2層，進(jìn)行10 h配送實(shí)驗(yàn)，如圖1所示，并將溫度自記儀探頭置入箱內(nèi)及目標(biāo)番茄果心處，分析不同溫度番茄對(duì)箱內(nèi)環(huán)境、番茄果心溫度及其營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響。

圖1 番茄配送實(shí)驗(yàn)Fig.1 Tomato delivery experiment

3)失重率的測(cè)定

失水是失重的主要原因，多數(shù)果蔬失水高于5%會(huì)引起失鮮，從而引起質(zhì)量損失、表面光澤消失、外觀失去飽滿，甚至失去商品價(jià)值[16]，因此，失重率是衡量果蔬營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的重要指標(biāo)。本文采用稱重法測(cè)定番茄的失重率，每組重復(fù)3次。

(1)

式中：W為失重率；W1為配送前番茄質(zhì)量，g；W2為配送后番茄質(zhì)量，g。

4)可溶性固形物的測(cè)定

每組取3個(gè)待測(cè)番茄在攪拌機(jī)中磨碎，將番茄汁液滴于數(shù)字折射儀中進(jìn)行可溶性固形物含量(total soluble solids，TSS)的測(cè)定，每次滴液前先將儀器用純凈水標(biāo)準(zhǔn)化。可溶性固形物的測(cè)定能了解番茄成熟度的變化[2]。

5)亮度L和色度a*/b*測(cè)定

每組取3個(gè)番茄，標(biāo)記5個(gè)色差專用測(cè)點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)前后使用色差儀進(jìn)行測(cè)定，得到L、a*、b*值，并取平均值[17]。a*值表示由綠到紅，b*值表示由藍(lán)到黃，色度a*/b*表示番茄的黃化程度，亮度L的大小決定番茄的光澤變化[18]。

6)溫度均勻性測(cè)定

采用反映溫度值離散程度的無(wú)量綱參數(shù)σ分析冷藏配送均勻性，使用番茄果心溫度計(jì)算均勻度[19]。σ越大，溫度分布越不均勻，反之則溫度分布越均勻[20]。

(2)

2 物理模型和數(shù)學(xué)模型

2.1 物理模型

箱體長(zhǎng)×寬×高為440 mm×260 mm×300 mm，保溫材料為10 mm PU+10 mm VIP+10 mm PU結(jié)構(gòu)。制冷模塊置于箱體前側(cè)，冷源為兩個(gè)TEC1-12703型號(hào)的半導(dǎo)體制冷片，位置如圖2所示。箱內(nèi)放置兩層番茄，番茄簡(jiǎn)化為球狀模型，半徑為40 mm。保溫結(jié)構(gòu)采用六面體網(wǎng)格，內(nèi)部流場(chǎng)和番茄模型采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為 258 046，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為57 014，網(wǎng)格質(zhì)量良好，為0.36，如圖3所示。

圖2 半導(dǎo)體制冷片位置Fig.2 Position of semiconductor refrigerating chips

圖3 網(wǎng)格模型Fig.3 Grid model

2.2 基本假設(shè)

為簡(jiǎn)化物理模型，進(jìn)行如下假設(shè)：箱內(nèi)空氣為牛頓流體；滿足boussinesq假設(shè)，忽略流體的黏性耗散；忽略箱門處的漏熱；不考慮冷端與箱體壁面及保溫層間的接觸熱阻；保溫層間通過(guò)導(dǎo)熱方式傳遞熱量，忽略輻射作用；考慮封閉箱內(nèi)重力加速度影響，大小為-6.15×10-5m/s2[10]。

2.3 數(shù)學(xué)方程

1)冷空氣流體區(qū)域

基于假設(shè)，控制方程表達(dá)式為[21]：

連續(xù)性方程：

(3)

動(dòng)量方程：

(4)

能量方程：

(5)

其中：

(6)

(7)

2)番茄傳熱數(shù)學(xué)模型

假設(shè)番茄降溫過(guò)程的熱物性參數(shù)為常數(shù)；不考慮番茄與周圍環(huán)境的輻射換熱；番茄降溫過(guò)程水分減少不伴隨熱量傳遞，忽略番茄的呼吸熱。

番茄冷卻邊界條件：

(8)

式中：λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；nx、ny、nz為方向因子；h為對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)；Tf為番茄溫度，K。

非穩(wěn)態(tài)，無(wú)內(nèi)熱源番茄導(dǎo)熱微分方程：

(9)

式中：ρf為番茄密度，kg/m3；cf為番茄比熱容，J/(kg·K)；t為時(shí)間，s。

番茄熱物性參數(shù)[22]：ρf=984 kg/m3；λ=0.483 W/(m·K)；cf=3 540 J/(kg·K)。

2.4 初始與邊界條件

空載與實(shí)載模型初始溫度分別為20.7、2.5 ℃，環(huán)境溫度恒定分別為20、19 ℃。實(shí)載模型番茄初始溫度分別為4、10、15 ℃。采用第三類邊界條件，箱體外表面采取靜止時(shí)參數(shù)，為4.3 W/(m3·K)[7]。熱端使用風(fēng)冷散熱，由于風(fēng)量滲透，通過(guò)實(shí)際測(cè)量，箱體前側(cè)壁面存在0.01 m/s風(fēng)速，因此前壁面設(shè)為速度入口。保溫層物性參數(shù)如表1所示。

表1 材料物性參數(shù)Tab.1 Physical parameters of materials

3 模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 模擬仿真結(jié)果

1)空箱無(wú)番茄工況下降溫曲線模擬結(jié)果

環(huán)境溫度為20 ℃，VIP+PU與PU冷藏箱箱內(nèi)平均溫度從20.7 ℃降至5 ℃分別需30 min和35 min，且35 min后平均溫度分別為4.58 ℃和4.97 ℃，箱內(nèi)測(cè)點(diǎn)最大溫差分別為6.97 ℃和8.09 ℃，分別如圖4、圖5所示。由圖4和圖5可知，VIP+PU箱保溫性能和冷卻速度均優(yōu)于PU箱，這是由于VIP的導(dǎo)熱系數(shù)低，阻礙冷量的耗散，從而起到較好的隔熱作用。由于忽略了箱體門縫的漏熱和保溫層間的接觸熱阻，使模擬溫度較實(shí)驗(yàn)溫度更低。VIP+PU箱降溫曲線模擬與實(shí)驗(yàn)對(duì)比如圖6所示，模擬與實(shí)驗(yàn)平均誤差為1.65 ℃，最大誤差為3.86 ℃，實(shí)驗(yàn)的溫降趨勢(shì)與模擬結(jié)果基本吻合。

圖4 PU箱測(cè)點(diǎn)降溫曲線Fig.4 Cooling curve of measuring points in PU box

圖5 VIP+PU箱測(cè)點(diǎn)降溫曲線Fig.5 Cooling curve of measuring points in VIP+PU box

圖6 VIP+PU箱降溫曲線模擬與實(shí)驗(yàn)對(duì)比Fig.6 Comparison of cooling curve between simulation and test in VIP+PU box

2)滿載有番茄工況下降溫曲線模擬結(jié)果

VIP+PU和PU箱內(nèi)平均溫度降溫曲線如圖7所示。由圖7可知，4、10、15 ℃番茄在2.5 ℃ VIP+PU冷藏箱與PU冷藏箱內(nèi)模擬冷藏配送10 h后，VIP+PU箱與PU箱內(nèi)平均溫度分別為3.3、4.3、5.1 ℃和4.6、5.5、6.2 ℃。兩箱內(nèi)溫度先上升后下降，分別先從初始2.5 ℃升至3.62、6.00、8.22 ℃和4.95、7.62、9.90 ℃，后因冷端持續(xù)供冷而逐漸降低。VIP+PU與PU箱溫差變化如圖8所示。由圖8可知，兩箱內(nèi)溫差在36 min時(shí)達(dá)到峰值，3種工況下溫差分別為1.77、1.72、1.68 ℃，番茄放置瞬間產(chǎn)生的熱交換及外界環(huán)境溫度的影響使箱內(nèi)溫度上升，而VIP+PU箱體保溫層傳熱系數(shù)小，保溫性能佳，使外界環(huán)境的熱量影響小，從而導(dǎo)致箱內(nèi)溫度上升低于PU箱。

圖7 VIP+PU和PU箱內(nèi)平均溫度降溫曲線Fig.7 Average temperature drop curve of VIP+PU box and PU box

圖8 VIP+PU與PU箱溫差變化Fig.8 Variation of temperature difference between VIP+PU box and PU box

VIP+PU和PU箱內(nèi)番茄中心溫度降溫曲線如圖9所示。10 h模擬后，4、10、15 ℃番茄在上述兩箱內(nèi)果心平均溫度分別為2.38、4.29、5.89 ℃和3.33、5.15、6.67 ℃，兩箱內(nèi)果心溫度均呈下降趨勢(shì)，由圖9可知，VIP+PU冷藏箱對(duì)番茄降溫效果亦優(yōu)于PU冷藏箱。

圖9 VIP+PU和PU箱內(nèi)番茄中心溫度降溫曲線Fig.9 Cooling curve of central temperature of tomato in VIP+PU box and PU box

番茄冷藏配送均勻度模擬結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，4、10、15 ℃番茄在2.5 ℃ VIP+PU冷藏箱與PU冷藏箱內(nèi)冷藏配送模擬10 h后σ分別為0.52、0.44、0.41和0.57、0.47、0.43，σ值呈上升趨勢(shì)，溫度越高，σ越小。不同位置番茄產(chǎn)生溫度分層，下層番茄總體溫度略低于上層，前側(cè)番茄溫度低于后側(cè)，這是由于下層番茄更靠近制冷片使其溫度略低，箱內(nèi)滿載番茄導(dǎo)致冷空氣流通阻力大，使后側(cè)溫度略高。VIP+ PU箱和PU箱在y=83.3 mm和y=176.6 mm截面溫度云圖分別如圖11和圖12所示。由圖11和圖12可知，VIP+PU箱內(nèi)番茄果心溫度均勻性優(yōu)于PU箱；番茄溫度越高，冷藏配送中果內(nèi)溫差越小。

圖10 番茄冷藏配送均勻度模擬結(jié)果Fig.10 Simulation result of uniformity of tomato cold-storage delivery

圖11 VIP+ PU箱在y=83.3 mm和y=176.6 mm截面溫度云圖Fig.11 Temperature contours of y=83.3 mm and y=176.6 mm sections in VIP+ PU box

圖12 PU箱在y=83.3 mm和y=176.6 mm截面溫度云圖Fig.12 Temperature contours of y=83.3 mm and y=176.6 mm sections in PU box

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論分析

1)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

VIP+PU箱番茄果心溫度模擬與實(shí)驗(yàn)對(duì)比如圖13所示。由圖13可知，4、10、15 ℃番茄在2.5 ℃ VIP+PU冷藏箱內(nèi)冷藏配送10 h后平均溫度分別達(dá)到2.63、4.18、4.80 ℃。15 ℃番茄實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為17.2 ℃，使箱內(nèi)溫度略低于模擬值，因此番茄降溫曲線誤差略大于10 ℃和15 ℃工況，但趨勢(shì)相同。模擬與實(shí)驗(yàn)的平均誤差為0.50 ℃，最大誤差1.29 ℃。VIP+PU箱番茄冷藏配送均勻度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14所示，實(shí)驗(yàn)中冷庫(kù)預(yù)冷的番茄初始溫度存在±1 ℃的溫度波動(dòng)，因此初始均勻度σ非零。實(shí)驗(yàn)番茄的溫度均勻度與模擬結(jié)果趨勢(shì)相同，上述均可驗(yàn)證模型的可行性。

圖13 VIP+PU箱番茄果心溫度模擬與實(shí)驗(yàn)對(duì)比Fig.13 Comparison of tomato core temperature in VIP+PU box between simulation and test

圖14 VIP+PU箱番茄冷藏配送均勻度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.14 Test results of uniformity of tomato cold-storage delivery in VIP+PU box

2)營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)變化分析

(1)不同溫度番茄失重率和可溶性固形物含量

不同溫度番茄失重率如圖15所示。由圖15可知，配送環(huán)節(jié)番茄溫度越高，失重率越大，4、10、15 ℃番茄的失重率分別為0.08%、0.14%、0.49%，4 ℃和10 ℃番茄抑制失水效果優(yōu)于15 ℃番茄。不同溫度番茄可溶性固形物含量如圖16所示。由圖16可知，上述番茄可溶性固形物含量最終為5.13%、4.90%、4.70%，可能是由于低溫配送下合成酶活性低于水解酶活性，4 ℃番茄降解抑制效果最佳。

圖15 不同溫度番茄失重率對(duì)比Fig.15 Comparison of tomato weightlessness rate at different temperature

圖16 不同溫度番茄TSS含量對(duì)比Fig.16 Comparison of tomato TSS content at different temperature

(2)不同溫度番茄的亮度L和色度a*/b*

不同溫度番茄的亮度L和色度a*/b*分別如圖17和圖18所示。由圖17和圖18可知，番茄亮度均有不同程度的下降，4、10、15 ℃番茄亮度分別下降1.28%，1.41%及3.76%，番茄色度分別升高2.39%、3.84%、4.16%，4 ℃番茄成熟衰老緩慢，保鮮效果最佳。

圖17 不同溫度番茄亮度L對(duì)比Fig.17 Comparison of tomato luminance (L)at different temperature

圖18 不同溫度番茄色度a*/b*對(duì)比Fig.18 Comparison of tomato chromaticity (a*/b*)at different temperature

4 結(jié)論

本文建立了番茄冷藏配送模型，利用CFD模擬分析了不同保溫結(jié)構(gòu)和不同溫度番茄對(duì)其冷藏配送品質(zhì)和效果的影響，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的可行性，得到如下結(jié)論：

1)20 ℃工況下，VIP+PU與PU半導(dǎo)體冷藏箱內(nèi)溫度從20.7 ℃降至平均溫度5 ℃分別需30 min和35 min，且35 min后平均溫度分別為4.58 ℃和4.97 ℃，VIP+PU半導(dǎo)體冷藏箱的保溫性能和冷卻速度優(yōu)于PU箱。

2)19 ℃工況下，10 h模擬配送，VIP+PU和PU半導(dǎo)體冷藏箱內(nèi)4、10、15 ℃的番茄平均溫度分別降至2.38、4.29、5.89 ℃和3.33、5.15、6.67 ℃，冷藏配送均勻度σ分別為0.52、0.44、0.41和0.57、0.47、0.43。VIP+PU半導(dǎo)體冷藏箱對(duì)番茄的保溫效果及冷藏配送的均勻性優(yōu)于PU箱。

3)低溫可有效抑制番茄品質(zhì)變化，2.5 ℃冷藏配送條件下，4 ℃為番茄冷藏配送最佳溫度，失重率為0.08%，其亮度、色度變化最小，可溶性固形物含量為5.13%。