送風(fēng)速度對結(jié)球生菜壓差預(yù)冷性能的影響

張忠星，張?jiān)迄i，王旭榮，范中陽*

（1.寧波農(nóng)副產(chǎn)品物流中心有限公司，浙江 寧波 315000；2.浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司，浙江 杭州 310000）

當(dāng)前對結(jié)球生菜的采后研究多集中于通過實(shí)驗(yàn)探索其保鮮方式及參數(shù)，如呂艷春[3]研究了不同貯藏溫度對結(jié)球生菜葉片采后食用品質(zhì)的影響，實(shí)驗(yàn)表明低溫貯藏可顯著延緩結(jié)球生菜品質(zhì)的下降。饒先軍[4]研究了壓差預(yù)冷和冷庫預(yù)冷對結(jié)球生菜的預(yù)冷效果影響，結(jié)果表明，壓差預(yù)冷的預(yù)冷速度和品質(zhì)都優(yōu)于冷庫預(yù)冷。盧裕億[5]研究了延遲冷卻對結(jié)球生菜預(yù)冷速率及冷鏈流通品質(zhì)的影響，實(shí)驗(yàn)得出結(jié)球生菜采后及時(shí)預(yù)冷可最大限度地保持菜品原有品質(zhì)和新鮮度，減少水分流失。然而實(shí)驗(yàn)方法一般很難預(yù)測或獲取塑料筐內(nèi)部空氣流動(dòng)形式、預(yù)冷結(jié)球生菜自身溫度的變化過程，且實(shí)驗(yàn)中農(nóng)產(chǎn)品被反復(fù)實(shí)驗(yàn)、測量、擺放，導(dǎo)致其物性參數(shù)波動(dòng)較大，實(shí)驗(yàn)周期較長，不易得到推廣應(yīng)用，而數(shù)值模擬的研究方法可有效避免反復(fù)試驗(yàn)對農(nóng)產(chǎn)品相關(guān)物性參數(shù)的影響，節(jié)省大量人力物力[6-7]。一些學(xué)者利用計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）模擬和分析了包裝箱結(jié)構(gòu)內(nèi)冷氣流分布以及農(nóng)產(chǎn)品的傳熱[8]、傳質(zhì)過程[9]，并驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性與使用CFD 數(shù)值模擬方法在預(yù)測冷空氣流動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)現(xiàn)象時(shí)的可行性、可靠性[10-15]。因此相比實(shí)驗(yàn)，利用CFD 數(shù)值模擬方法對結(jié)球生菜的預(yù)冷過程進(jìn)行仿真計(jì)算，對于快速獲取結(jié)球生菜預(yù)冷過程的傳熱數(shù)據(jù)、了解其換熱狀態(tài)參數(shù)具有積極的意義。

因此，本文采用數(shù)值模擬的研究方法，以市場實(shí)際應(yīng)用的塑料筐和結(jié)球生菜為研究對象，對不同送風(fēng)速度下筐裝結(jié)球生菜預(yù)冷過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同送風(fēng)速度下結(jié)球生菜的預(yù)冷效果及換熱過程，以期對結(jié)球生菜的實(shí)際預(yù)冷操作提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

風(fēng)速儀，TSI9545-A，范圍：0～30 m/s，精度：±3%，美國TSI（Trust Science Innovation）公司；無線多點(diǎn)測溫儀，范圍：-20～80 ℃，精度：±0.3 ℃，北京市農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心；電子計(jì)價(jià)秤ACS-30 范圍：0.2～30 kg，檢定分度值：10 g，凱豐集團(tuán)有限公司。

塑料筐外形尺寸為600 mm×400 mm×350 mm，每個(gè)筐里上下兩排擺放16 個(gè)結(jié)球生菜，每個(gè)結(jié)球生菜平均質(zhì)量為（600±20）g，平均直徑約為（150±5）mm，如圖1所示。

圖1 生菜擺放位置及大小Fig.1 The size and stacking pattern of lettuces

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)在盾安實(shí)驗(yàn)中心冷庫搭建的壓差預(yù)冷試驗(yàn)臺進(jìn)行，將裝滿結(jié)球生菜的塑料筐放置于冷庫的差壓預(yù)冷風(fēng)道內(nèi)（圖2），為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，在制冷過程中冷庫保持封閉狀態(tài)，溫度保持在2 ℃，在預(yù)冷實(shí)驗(yàn)之前先打開風(fēng)機(jī)驅(qū)使通風(fēng)道內(nèi)部氣流循環(huán)流通，將通道內(nèi)部溫度降到2 ℃。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，啟動(dòng)差壓風(fēng)機(jī)，在塑料筐兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，使冷空氣通過堆積的結(jié)球生菜，達(dá)到冷卻的目的。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖及溫度傳感器布置Fig.2 Structure diagram of experimental setup and temperature sensor deployment

如圖2 所示，考慮到上下兩層菜品的對稱性，對迎風(fēng)面的F2 和背風(fēng)面的S6 中心溫度進(jìn)行監(jiān)測。在菜品（F2和S6）中心插有K 型熱電偶探頭實(shí)時(shí)記錄預(yù)冷過程中菜品的溫度，風(fēng)速儀測量塑料筐迎風(fēng)面處的風(fēng)速。實(shí)驗(yàn)過程中，無線多點(diǎn)測溫儀每隔1 min 接收1 次溫度數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)值模擬

1.3.1 物理模型與網(wǎng)格劃分

大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，雖然給企業(yè)帶來了巨大的發(fā)展機(jī)遇，但同時(shí)也帶來了一系列的信息安全問題。現(xiàn)階段，隨著互聯(lián)網(wǎng)科技的不斷發(fā)展，企業(yè)信息極易受到來自人為、黑客、病毒以及自然災(zāi)害等各個(gè)方面的入侵，進(jìn)而導(dǎo)致企業(yè)檔案信息、商業(yè)機(jī)密泄露、信息系統(tǒng)癱瘓、數(shù)據(jù)丟失，這會給企業(yè)帶來不可逆轉(zhuǎn)的危害。在這種情況下，企業(yè)管理人員就必須要充分地重視起這一問題，創(chuàng)新管理模式，最大限度地確保企業(yè)信息數(shù)據(jù)安全，為企業(yè)接下來的發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。

結(jié)球生菜近似球體，因此，構(gòu)建塑料筐內(nèi)結(jié)球生菜的物理模型時(shí)，采用直徑為150 mm 的球體代替結(jié)球生菜（見圖1）。

利用Gambit 前處理軟件對塑料筐、結(jié)球生菜進(jìn)行三維建模和網(wǎng)格劃分，設(shè)置網(wǎng)格單元為Tet/Hybrid、網(wǎng)格類型為TGrid，為保證數(shù)值模擬計(jì)算快速收集降低菜品之間以及菜品與塑料筐壁面之間接觸點(diǎn)處的網(wǎng)格扭曲度，在菜品之間和菜品與筐壁面之間留3 mm 的空隙。通過網(wǎng)格質(zhì)量檢查得出其整體模型網(wǎng)格扭曲度均小于0.93。

1.3.2 模型假設(shè)

塑料筐內(nèi)部結(jié)球生菜的預(yù)冷過程是一個(gè)復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)傳熱傳質(zhì)過程，既有對流主導(dǎo)的顯熱交換，也有導(dǎo)熱、輻射、蒸騰等作用承載的潛熱傳遞。將菜品呼吸熱、表面蒸發(fā)熱、冷凝熱及對流傳熱作為菜品區(qū)域內(nèi)部熱源，為了簡化模型，進(jìn)行如下假設(shè)：（1）結(jié)球生菜大小均勻，近似球形，且為各向同性的連續(xù)介質(zhì)；（2）忽略結(jié)球生菜衰老等因素對其呼吸熱和蒸騰熱的影響；（3）忽略塑料筐與菜品、菜品與菜品之間的輻射換熱；（4）忽略實(shí)驗(yàn)儀器對塑料筐內(nèi)氣流的影響；（6）空氣為不可壓縮流體，且預(yù)冷過程中空氣和果品的物性參數(shù)為常量[13]。

1.3.3 模型建立

利用平均雷諾數(shù)納維- 斯托克斯方程（Reynolds-averaged Navier-Stokes）對預(yù)冷塑料筐內(nèi)各區(qū)域進(jìn)行求解，其連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程參照文獻(xiàn)[7]分別用公式（1）（2）（3）計(jì)算得出。

式中，t 為時(shí)間，s；P 為壓強(qiáng)，Pa；Xi、Xj為笛卡爾坐標(biāo)；ρ 為空氣密度，kg/m3；ui、uj為空氣時(shí)均速度，m/s；μa為空氣動(dòng)力黏度，Pa·s；ui'、uj'為空氣脈動(dòng)速度，m/s；α 為熱膨脹系數(shù)，K-1；Ta為箱體內(nèi)部空氣溫度，K；T0為冷庫內(nèi)空氣溫度，K；g 為重力加速度，m/s2；CP,a為空氣比熱，J/(kg·K)；T 為空氣溫度，K；λa為空氣熱導(dǎo)率，W/(m·K)；T'為空氣脈動(dòng)溫度，K。

1.3.4 初始條件與邊界條件

初始條件：τ=0 時(shí)，結(jié)球生菜初始溫度為23 ℃。

邊界條件：（1）入口邊界。將塑料筐迎風(fēng)面設(shè)置為速度進(jìn)口邊界條件，進(jìn)口速度分別為1、2、3、4 m/s，送風(fēng)溫度為2 ℃；（2）出口邊界。將塑料筐背風(fēng)面設(shè)置為出流邊界條件；（3）壁面。將塑料筐內(nèi)外壁面以及菜品表面都定義為無滑移壁面，壁面上速度為零，且垂直于壁面的速度也為零。

1.3.5 模型計(jì)算

模型計(jì)算采用專業(yè)流體仿真軟件Fluent 中的SST κ-ω 湍流模型[7]，基于壓力的分離式求解器，動(dòng)量、能量、湍動(dòng)能、擴(kuò)散率的離散格式為二階迎風(fēng)格式，壓力速度耦合方法采用 SIMPLE （semi-implicit method for pressure-linked equations） 算法，其中利用 UDF（user-defined function）接口將所有熱源項(xiàng)加載到菜品區(qū)域的控制方程中，以及控制模擬過程中冷風(fēng)速度和溫度的變化，時(shí)間步長為60 s。冷空氣、菜品及塑料筐的熱物性參數(shù)見表1（見下頁）。對塑料筐內(nèi)每個(gè)結(jié)球生菜的溫度進(jìn)行監(jiān)測，每隔60 s 記錄一次溫度數(shù)據(jù)。

表1 物性參數(shù)表Table 1 Physical parameters

1.4 預(yù)冷性能評價(jià)指標(biāo)

1.4.1 預(yù)冷速率

為了在同一個(gè)水平下比較冷卻速率，使用公式（4）給出的無量綱參數(shù)Yi[16-18]，用于計(jì)算未達(dá)到預(yù)定冷卻溫度的結(jié)球生菜占整體貨物的比例，此無量綱參數(shù)獨(dú)立于制冷設(shè)備外，過濾掉初始條件波動(dòng)對于預(yù)冷過程的影響，可直觀地用于比較不同預(yù)冷操作條件的優(yōu)劣。預(yù)冷過程中，菜品溫度逐漸接近冷空氣溫度，Yi不斷減小，Yavg=1/2、7/8時(shí)可以分別計(jì)算出半冷卻時(shí)間和7/8 預(yù)冷時(shí)間，這是反映預(yù)冷操作的2 個(gè)重要參數(shù)，因在7/8 預(yù)冷時(shí)間點(diǎn)，果蔬溫度已與預(yù)定冷卻溫度非常接近，因此在商業(yè)預(yù)冷操作中，在7/8 預(yù)冷時(shí)間點(diǎn)便將農(nóng)產(chǎn)品轉(zhuǎn)移到冷庫儲藏或進(jìn)行冷藏運(yùn)輸，在冷庫或冷藏車廂內(nèi)去除剩余的田間熱，這樣不僅可以減少預(yù)冷時(shí)間，也可以降低預(yù)冷操作的成本[18]。

式中，n 為塑料筐內(nèi)菜品的總數(shù)量；i 為單個(gè)菜品的編號；Yi為編號為i 的Y 值；Yavg為所有Yi的平均值；Ta為預(yù)冷時(shí)的冷空氣溫度，K；T0為菜品初始溫度，K；Ti,t為t 時(shí)刻菜品i 的溫度值。

1.4.2 能耗

在每一個(gè)送風(fēng)速度工況下，制冷單元消耗的能量基本是相同的。因此，預(yù)冷過程的能耗主要是由通風(fēng)系統(tǒng)決定的，而通風(fēng)系統(tǒng)的能耗取決于驅(qū)動(dòng)冷空氣通過塑料筐所需的差壓風(fēng)機(jī)功率和風(fēng)機(jī)運(yùn)行的時(shí)間t（即7/8 冷卻時(shí)間）。根據(jù)公式（6）可估算不同送風(fēng)速度預(yù)冷條件下的能耗，表2 給出了不同風(fēng)速所對應(yīng)的差壓風(fēng)機(jī)功率。

表2 不同送風(fēng)速度的風(fēng)機(jī)功率Table 2 Fan power at different air supply speeds

式中，Ec為差壓通風(fēng)系統(tǒng)能耗，J；Ppf為風(fēng)機(jī)功率，W。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型驗(yàn)證

通過整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比得出圖3，圖3 a、b 分別給出的是F2、S6 結(jié)球生菜中心溫度實(shí)驗(yàn)值與對應(yīng)模擬值的對比。可以看出實(shí)驗(yàn)值與模擬值趨勢一致，實(shí)驗(yàn)值與模擬值的最大偏差為1.9 ℃，其具體均方根誤差（root mean square error，RMSE）、平均相對誤差（average relative deviation，ARD）見表3。模擬值與實(shí)驗(yàn)值存在誤差的原因可能主要是結(jié)球生菜外形簡化、無線傳感器自身誤差、冷空氣的溫度和速度存在波動(dòng)等。

表3 均方根誤差與平均相對誤差Table 3 Values of RMSE and ARD

圖3 溫度的理論與實(shí)驗(yàn)對比Fig.3 Comparison of simulation and experiment results of temperature

2.2 預(yù)冷速率

圖4 給出了不同風(fēng)速下結(jié)球生菜預(yù)冷的7/8 冷卻時(shí)間，由圖3 可知，隨著風(fēng)速增加，7/8 冷卻時(shí)間降幅逐漸減小，這說明通過增加風(fēng)速加快完成預(yù)冷的方法效果有限。

圖4 結(jié)球生菜7/8 冷卻時(shí)間Fig.4 The 7/8 cooling time of lettuce for different air velocity

圖5 顯示的是不同風(fēng)速下不同時(shí)刻結(jié)球生菜對應(yīng)的內(nèi)部溫度云圖，如圖5 中圖例所示，云圖顏色越接近紅色（深色區(qū)），代表此區(qū)域溫度為高溫區(qū)，顏色越接近深藍(lán)色（淺色區(qū)），代表此區(qū)域溫度為低溫區(qū)，可以明顯看出同一風(fēng)速下，隨著預(yù)冷時(shí)間的延長，結(jié)球生菜內(nèi)部溫度逐漸接近冷空氣溫度；同一時(shí)刻隨著風(fēng)速的增加，結(jié)球生菜中心的高溫區(qū)（即深色區(qū)域）逐漸縮小，尤其在送風(fēng)速度由1 m/s 增加到2 m/s 時(shí)，各個(gè)時(shí)刻對應(yīng)的結(jié)球生菜中心的高溫區(qū)縮小明顯，結(jié)球生菜內(nèi)部溫度云圖的顏色逐漸向冷空氣溫度的顏色變化，內(nèi)部熱傳遞速率加快明顯，當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增加至3、4 m/s 時(shí)，結(jié)球生菜內(nèi)部溫度云圖顏色變化不明顯，即結(jié)球生菜內(nèi)部的熱傳遞速率較慢，這說明無限制地增加風(fēng)速并不能有效地加快預(yù)冷速度。

圖5 不同風(fēng)速下結(jié)球生菜溫度云圖Fig.5 Temperature distribution of iceberg lettuce for different air velocity

2.3 能耗

圖6 給出了不同風(fēng)速下預(yù)冷過程壓差系統(tǒng)的能耗，風(fēng)速1 m/s 時(shí)，壓差風(fēng)機(jī)能耗為2.31×106J，風(fēng)速2 m/s時(shí)，能耗增加了2.6%；風(fēng)速3 m/s 時(shí)，能耗增加了12.2%，風(fēng)速為4 m/s 時(shí)，能耗增加了18.1%。隨著風(fēng)速的增加，壓差風(fēng)機(jī)能耗逐漸增加，且增幅逐漸變大。結(jié)合上文對不同風(fēng)速下結(jié)球生菜預(yù)冷時(shí)間和預(yù)冷均勻性的分析，考慮節(jié)能因素，建議預(yù)冷筐裝結(jié)球生菜時(shí)采用送風(fēng)速度為2 m/s 較適宜。

圖6 壓差風(fēng)機(jī)能耗Fig.6 The energy consumption of forced air fan

3 結(jié)論

本文采用CFD 數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法研究了不同送風(fēng)速度下結(jié)球生菜的壓差預(yù)冷過程，通過分析模擬結(jié)果分析，得出如下結(jié)論：（1）送風(fēng)速度的大小對于結(jié)球生菜的預(yù)冷時(shí)間有一定的影響。預(yù)冷時(shí)間隨著風(fēng)速的增加逐漸減小，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定數(shù)值后，預(yù)冷時(shí)間減少的幅度逐漸縮小。（2）送風(fēng)速度的大小對于壓差風(fēng)機(jī)的能耗影響較大。隨著送風(fēng)風(fēng)速的增加，壓差風(fēng)機(jī)能耗不斷增加，且增加幅度不斷增大，結(jié)合預(yù)冷時(shí)間等其他預(yù)冷指標(biāo)，考慮節(jié)能因素，建議定風(fēng)速對塑料筐裝結(jié)球生菜預(yù)冷時(shí)，采用2 m/s 左右的送風(fēng)速度較佳。