氣調包裝機氣體置換結構優化與內部三維流場模擬

魚灝，瞿前進，康寧波

氣調包裝機氣體置換結構優化與內部三維流場模擬

魚灝，瞿前進，康寧波*

（寧夏大學 食品與葡萄酒學院，銀川 750021）

針對現有的氣體置換裝置存在工作過程中氣體置換精度不高、置換率低、內部流場復雜紊亂等問題，對DF-520型氣調包裝機氣體置換裝置結構進行了改進以及內部流場數值模擬。運用FLUENT軟件在進口壓力為20 kPa，混配O2體積分數為2%、CO2體積分數為28%、N2體積分數為70%的邊界條件下對新舊2種換氣裝置進行數值模擬和對比分析，進一步通過樣機試驗對比分析2種模型的氣體置換率和氣體置換精度。數值模擬結果表明，與舊構型相比，新構型置換腔內部氣體流速較平均、強流區面積小、漩渦區少、氣體流向一致性高、氣體置換速度快；樣機試驗結果表明，新舊構型氣體置換裝置平均氣體置換率分別為99.2%和95.6%，新構型目標氣體體積分數標準差、平均相對偏差以及變異系數更小。本研究表明，優化后的氣體置換裝置氣流分布更穩定，置換精度達到設計要求，工作效率更高，適用于氣調包裝機的包裝工作，能為后續研究提供思路。

氣體置換裝置；數值模擬；氣流場；試驗；氣調包裝機

氣調包裝技術（Modified Atmosphere Packaging, MAP）是一種將食品包裝內的空氣按合適比例置換為O2、CO2、N2等氣體，在包裝內形成理想氣體環境，降低果蔬呼吸強度，延緩果蔬衰老，從而延長食品貨架期的包裝技術。近年來，氣調包裝技術廣泛應用在食品保鮮與貯藏領域[1-5]。氣調包裝機是將該技術應用于實踐的直接工具，氣調包裝機的性能決定了氣調技術的應用高度[6-7]。

氣調包裝機主要由氣體置換裝置、氣體混配系統、包裝輸送機構等組成[8]。氣體置換裝置是整機的核心部件，其作用是將包裝內的空氣抽出，并充入混合后的保護氣體[9-11]。現有的氣體置換裝置主要分為真空充氣式和氣體沖洗式[12-13]。真空充氣式是先將包裝容器內部的空氣抽出，然后充入混合保護氣體，隨后進行熱封裁剪等流程，此種方法應用范圍廣，但工作效率略低；氣體沖洗式是用混合保護氣將包裝容器內的空氣驅除，然后封裝，該方法生產效率高，但置換精度一般。彭群英等[14]設計了一種新型氣體置換裝置，設計以真空罩與下模具組合成真空室，在包裝盒上下2個表面同時進行抽氣后同時送氣，工作性能良好，提高了工作效率。黃小林等[15]設計了新型袋式氣調包裝機，針對袋式氣調包裝機氣體置換率低的問題，使用氣管連接器實現了邊抽氣邊送氣。選用3組伺服系統，精準控制物料輸送速度、膜輸送速度和橫封器橫封速度。陳秀等[16]對枕形袋式氣調包裝機氣體置換過程三維流程進行了模擬，得出了優于傳統構型的新型氣體置換裝置。氣體置換裝置性能對整機的置換精度以及最后的產品質量都有決定性的影響。朱明杰等[17]設計了一種沖洗式方便食品自動氣調保鮮裝置，利用高壓進氣管道對食品罐進行氣體置換，此方法不適用于盒式包裝。周維兵等[18]研制了一款氣調保鮮包裝機，采用保鮮氣體驅逐空氣的方法實現氣調包裝，有效提高了生產效率，降低了保鮮氣體的損耗。

本研究選擇沖洗式氣調包裝機為研究對象，對其氣體置換裝置進行結構優化設計，建立現有構型和優化構型的三維模型。使用CFD軟件對其內部流場情況進行數值模擬，比較現有結構和新結構的相關性能，并進行樣機試驗，進一步驗證優化后氣體置換裝置的可使用性。

1 氣體置換裝置的結構優化

以DF-520型盒式氣調包裝機載體，該型號機氣體置換方式為氣體沖洗式。圖1a為現有的氣體置換裝置的構型。由圖1a可知，舊構型進氣口前端為一圓形接口，末端接觸包裝盒一側為縫隙狀，出氣口為3條齒狀通道。混配氣體從進氣口進入包裝內，將包裝內的空氣從出氣通道推擠出包裝盒。此種方法進氣縫隙和出氣通道處于包裝膜頂端左右兩側，且與包裝膜平行安裝，會造成混配氣體流速不均勻，盒上部空氣流速高，底部流速低，盒底部的空氣不能被充分置換。

本文對現有氣體置換裝置進行了優化設計。在新構型（圖1b）左端頂部使用斜向上，整齊排列的圓孔替代縫隙作為進氣口，在裝置右端底部鉆取均勻排列的圓孔作為出氣口。混配氣體從充氣口斜向上進入置換腔體，在與包裝膜的作用下，氣體向盒內反射，有利于對盒底部空氣進行驅逐。進、出氣口置于不同水平面，避免了同一水平面下氣流更傾向于“直來直去”，減少了射入氣體的損耗量。

1.進氣縫（口）；2.出氣口；3.包裝盒；4.薄膜；5.裁剪裝置。

2 氣體置換裝置CFD數值模擬

通過Solidworks建立2種氣體置換裝置的三維模型，如圖2所示，由進氣口、置換腔體、出氣口組成。舊模型進氣口直徑為8 mm，進氣縫規格為80 mm× 2 mm×2.5 mm，出氣口為3塊大小為21 mm×5 mm× 7 mm齒狀出氣口；新模型進/出氣口直徑均為5 mm，進氣口傾斜角度為45°，兩模型置換腔體尺寸均為140 mm× 140 mm×45 mm。研究對象為模型內的氣體流動情況，忽略實際包裝過程中包裝膜的膨脹過程，假設包裝膜為壁面，膜與盒之間的間隙加在分析模型的縱向高度上，氣體流動空間視為一固定形狀。將建立好的模型導入FLUENT軟件中進行處理，采用四面體非結構網格對建立好的模型進行網格劃分，平均網格質量為0.8、網格尺寸為3 mm、網格偏度小于0.9。添加O2體積分數變化報告。

圖2 氣體置換裝置分析模型

2種構型均采用相同的邊界條件，根據設備實際工況，氣體置換方式為沖洗式，進出氣口邊界條件：進口壓力為20 kPa、出口壓力為環境壓力、邊界溫度為300 K。進口氣體設定為混配好的氣體（O2（2%）、CO2（28%）、N2（70%）），置換腔內初始氣體為空氣，忽略外界溫度影響，壁面絕熱。氣體置換裝置的模型做出幾個假設：假設腔內空氣為不可壓縮氣體；壁面溫度平均恒定；忽略氣體流動過程中的熱量輻射、傳導和耗散。在以上前提下，計算模型采用Realizable模型，求解方法為SIMPLE，殘差為0.001，最后增設O2時間-濃度變化報告。

計算完成后，對流場模型進行后處理。分別在和平面設定2個監控面，通過觀察各個監控面氣體流速矢量圖，直接對比新舊兩構型的氣體流動和分布狀況。將得到的O2時間-濃度變化報告繪制成折線圖，觀察對比兩構型氣體置換率和置換速度。

2.1 數值模擬結果分析

數值模擬得到的各截面氣流速度分布如圖3所示。由圖3可知，舊構型氣體置換裝置在截面上，混配氣體經接頭流動至“出氣縫”，在縫隙兩端的空間最狹小，氣流到此處時壓力變大，同時在壁面的反射作用下，氣流會形成2股向腔體內反方向的強射流，兩股強射流在腔體中部匯合成一主氣流向出氣口流動。截面上，中間部分存在一強流區，原因是2股強射流的碰撞時，碰撞處附近形成一個氣流匯集區，該區域內氣流流速高，碰撞后氣流會朝向底部低壓區方向散射，因此在該截面內形成一強流區。舊構型氣體置換裝置由于2股強射流的存在與碰撞，造成腔體內氣體流向更復雜，同向性較差，形成了更多不規律的回流漩渦區，不利于氣體置換。

圖4為新構型氣體置換裝置的氣流分布情況。在截面上，由于進氣口變為5組平均排列的圓孔，形成了多股流速較快的射流，使得該截面中部約三分之二的區域內，氣流流向穩定流速較平均，流向趨勢一致。在遠離進氣口的位置，由于流速降低和壁面反射，形成了部分小面積的漩渦區。截面上，經頂部薄膜的反射作用，主要氣流會向腔體底部進行流動，有利于對腔體底部原有氣體進行攪動和置換。部分氣體經出氣口下方壁面折射在底部形成回流，有利于對底部原有氣體進行向上干擾，有利于匯入主流進行置換。由于遠離進氣口和出氣口下壁面反射區，進氣口下方底部區域形成一處較明顯的漩渦區。該截面氣體流動方向相對趨于一致，強流區主要集中在進氣口以及腔體頂部區域，腔體內部氣體流速和流向更加平均，氣體置換效果更加穩定。

總結對比2種構型氣流分布可得，舊構型裝置產生的回流漩渦更多，氣流在腔體內流動更凌亂復雜，對氣體置換效率有更大影響，較大面積的強流區出現可能會引起實際包裝時薄膜與包裝盒受壓過高而導致泄氣、破損以及膨脹變形。新構型裝置產生的回流區域面積較小，數量較少，氣體流動方向相對趨于一致，流速更加平穩。因此，優化后的新構型氣體置換裝置的置換效果較優。

進一步分析兩構型的氣體置換速度（圖5）可知，混合氣體充入后（僅含有2%的O2），2種構型腔體內的空氣中O2體積分數逐漸減小至目標占比。由圖5可知，新構型的置換速度大于舊構型的置換速度，舊構型氣體置換裝置在1.2 s時達到目標濃度趨于平穩，而新構型需要0.8 s。由此可知，2種構型達到相同的目標濃度時，舊構型對混配氣體的需求量可能也會更大，成本更高。

圖3 舊構型內部氣體流動情況示意圖

圖4 新構型內部氣體流動情況

圖5 兩構型內O2體積分數的變化

2.2 置入果蔬模型的模擬

在2種構型置換裝置內中加入果蔬模型。根據本課題組先前研究氣調包裝對鮮切馬鈴薯的情況，假設裝置內果蔬為直徑50～70 mm、厚度5 mm的鮮切馬鈴薯，共5片，如圖6所示。采用與前一節相同的條件進行仿真模擬。

圖6 果蔬模擬模型

圖7為2種果蔬模型截面的氣流流動情況。加入馬鈴薯模型后，對氣流流動的影響是顯著的，盒內出現更多小型漩渦，氣流均勻性變差，紊亂性增強。使用式（1）對2種模型氣體置換率進行計算：

式中：C為不同時間目標體積分數，%；C'為空氣中目標體積分數，%；C為目標氣體體積分數，%。

氣體置換率（圖8）表明2種果蔬模型都能夠實現預設的置換濃度，但由于果蔬的存在，盒內空間形成更多小面積間隙，使得氣流阻力增大，不利于流動，需要消耗更多的充氣時間來趨于穩定。整個過程內新的果蔬模型的氣體置換率始終高于舊的果蔬模型的。說明新的構型耗費氣體量低，可以更快地完成氣體置換。

圖7 果蔬模型氣體流動情況

圖8 果蔬模型氣體置換率

3 樣機試驗

3.1 儀器與設備

主要儀器與設備：DF-520型氣調包裝機（圖9a），浙江鼎飛機械有限公司；聚丙烯食品氣調包裝盒（140 mm×140 mm×45 mm），浙江利強包裝科技有限公司；WITT便攜式氣體分析儀（圖9b）（可檢測O2和CO2），德國威特氣體技術有限責任公司。

圖9 樣機試驗

3.2 試驗方法與結果分析

3.2.1 氣體置換率試驗

分別將新舊2種構型氣體置換裝置安裝于氣調包裝機上，進行氣體置換率試驗，該類型氣調包裝機進氣端壓力為20 kPa、進氣管徑為12 mm，2種構型氣體置換裝置均在此上述條件下進行對比試驗。空氣中CO2體積分數約為0.031%，O2體積分數約為21%，N2體積分數約為78%，忽略稀有氣體和其他雜質的情況下，空氣中CO2體積分數足夠低，因此選擇CO2為指標，檢測氣體置換率。充氣時間設定為2 s、包裝時間為2 s，充入包裝盒內的氣體體積比設定為(CO2)∶(O2)∶(N2)=100∶0∶0。在新舊結構氣體置換裝置的條件下，分別打包50個包裝盒，隨后從中各隨機抽取10盒測量CO2的體積分數。測試結果如圖10所示。

隨機抽取的包裝盒測試結果表明，現有舊結構氣體置換裝置的置換率集中在94.8%～96.1%，平均氣體置換率為95.6%；新構型氣體置換裝置的置換率為98.7%～99.7%，平均氣體置換率為99.2%。結果表明，優化后的氣體置換裝置的置換率更高且效果更穩定。

3.2.2 氣體混合精度試驗

大部分果蔬對混配比例的要求：CO2體積分數分布在0%～30%，O2體積分數集中于5%～30%，同時由于氣體分析儀只能檢測O2，因此固定N2的體積分數為70%，設定了5組不同濃度梯度的目標比例值，設定情況見表1。在每組氣調比例下，裝有新舊結構氣體置換裝置的氣調包裝機分別包裝50個包裝盒，包裝完畢后，每組分別隨機抽取10盒，采用氣體分析儀對盒內氣體組分進行測量。用統計學方法求出CO2和O2的體積分數變異系數V（式（1）），可以反映數據測量值的離散程度，從而評價2種氣體置換裝置的氣體混合精度和穩定性。

圖10 氣體置換率試驗結果

表1 不同組別氣體混配體積分數設定值

Tab.1 Setting value of mixed gas concentration ratios of different groups

從表2、3可以看出，使用優化后的新構型氣體置換裝置得到CO2和O2的氣體體積分數標準差較舊構型的小，表明優化后的新構型氣體置換裝置得到的混配氣體離散程度低，混配效果更均勻穩定。與此同時，CO2和O2的氣體體積分數平均相對偏差低，表明新構型氣體置換裝置氣體置換結果更精密，更接近于目標氣體混配濃度比例設定值。

表2 新構型氣體置換裝置結果統計

Tab.2 Statistics results of new configuration gas replacement device

表3 傳統構型氣體置換裝置結果統計

Tab.3 Statistics results of traditional configuration gas replacement device

4 結語

本文對氣調包裝機氣體置換裝置結構進行了優化設計，使用FLUENT軟件對2種構型進行了數值模擬。模擬結果表明，將進氣口改變為平均分布的5個圓孔能夠有效減少強射流的出現，置換腔內部回流區減小，流速更平均。處于不同平面的進氣口與出氣口可以提高置換效率，減少射入氣體的損耗量。

在實際工況下對2種不同構型的裝置進行了對比試驗。氣體置換率試驗表明，在充氣時間為2 s時，優化后的新型氣體置換裝置的平均氣體置換率大于舊構型氣體置換裝置的平均氣體置換率。氣調精度試驗表明，在5組不同混配比例條件下，新構型氣體置換裝置目標氣體體積分數的標準差小、平均相對偏差小，優化后的新構型裝置能夠更加穩定地完成氣體置換。

通過數值模擬和樣機試驗結果可知，優化后的新型氣體置換裝置使用效果更加穩定、氣流場更加均勻、氣體置換效率更高。改善后的新型裝置可以更好地滿足實際工況下的使用需求。

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Structural Optimization and Internal 3D Flow Field Simulation of Gas Displacement in MAP Machine

YU Hao, QU Qian-jin, KANG Ning-bo*

(School of Food & Wine, Ningxia University, Yinchuan 750021, China)

The work aims to improve the structure of the gas replacement device in DF-520 MAP machine and conduct internal flow field simulation to solve the problems of low accuracy and replacement rate and disordered internal flow field in operation of existing gas replacement device. The FLUENT software was used to make numerical simulation and comparative analysis for old and new gas replacement devices with boundary conditions of 20 kPa inlet pressure and gas mixture ratio of 2% O2, 28% CO2and 70% N2. Subsequently, the accuracy and replacement rate of two models were compared via prototyping test. Numerical simulation results indicated that compared with old configuration, the replacement chamber of new configuration had relatively even gas flow rate, smaller strong current and vortex area, high-consistency gas flow direction and rapid gas replacement speed. Prototype test results showed that the average gas replacement rates of new and old configurations were 99.2% and 95.6%, respectively. Meanwhile, for new configuration, the standard deviation, average relative deviation and coefficient of target gas concentration ration were smaller than those of the old configuration. The optimized gas replacement device has more stable gas flow distribution and higher efficiency, with replacement accuracy meeting the design requirements and it is suitable for packaging processing and can provide a theoretical reference for further research.

gas replacement device; numerical simulation;airflow field; experiment; modified atmosphere packaging machine

TB486

A

1001-3563(2023)17-0174-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.17.021

2022-12-16

寧夏自然科學基金項目（2022AAC03022）；寧夏回族自治區重點研發（引才專項）項目（2020BEB04025）

責任編輯：曾鈺嬋