（制冷及低温工程专业论文）基于流体网络的差压预冷系统理论及实验研究.pdf

摘要 摘要 差压预冷是快速、 均匀、 节能的预冷工艺，是行业和学术界的研究重点。 针 对差压预冷系统的特性研究尚未出现较为成熟的理论分析方法， 本文将差压预冷 系统简化为空气的流体网络系统， 以此建立其数学模型， 为预冷工艺和设备的优 化设计与控制提供一种简单可行的工具，具有一定的学术意义和实用价值。 ( 扮 本文将预冷箱体简化为具有多个进、 出口 和一定阻力特性的通风管道， 指出差压预冷系统是由这些预冷箱体组成的箱群与静压箱、 差压风机以及外部空 气环境构成的的环形管网系统， 提出利用流体网络方法研究差压预冷系统的空气 流量分配问 题， 进而建立差压预冷系统的流体网络数学模型; 以球形果蔬的差压 预冷过程为对象， 建立具有呼吸热和表面蒸发的单个果蔬和单箱体果蔬的传热模 型， 并进行试验验证， 结果表明所建传热模型能良 好地反映果蔬的差压预冷过程。 ( 2 )在上述两方面工作的基础上， 建立基于流体网络的差压预冷数学模型， 以 求解预冷过程中各箱内的空气流量分配和果蔬的温度变化过程， 试验验证表 明， 该方法具有良 好的可行性和计算精度; 以 此模型为工具， 分析预冷工艺的设 计问题， 得出了一些指导工艺设计的有益的结论。 ( 3 ) 本文还对不同摆放形式的球形与圆柱形果蔬在不同开孔率预冷箱中对 空气的流动阻力系数s 进行了较为详细的试验研究， 得出了球形和圆柱形果蔬的 阻力系数通用关系式， 不仅丰富了圆柱形果蔬阻力特性数据， 同时为差压预冷系 统流体网络模型的应用创造了条件。 关键词: 差压预冷，流体网络，阻力系数，内 热源 摘要 abs tract p r e s s u r e - d i ff e r e n c e p r e - c o o l i n g s y s t e m , a q u i c k , u n i f o r m a n d e n e r g y - s a v i n g t e c h n o l o g y , i s v e ry i m p o rt a n t f o r i n d u s t ry a p p l i c a t i o n a n d a c a d e m i c r e s e a r c h i n r e f r i g e r a t i o n a r e a . s o p h i s t i c a t e d m e t h o d o f th e o r e t i c a l a n a l y s i s f o r p r e s s u r e - d i ff e r e n c e p r e - c o o l i n g s y s t e m i s u r g e n t l y n e e d e d . p r e s s u r e - d i f f e r e n c e p r e - c o o l i n g s y s t e m , w h i c h i s s i m p l i fi e d t o a n a i r fl u i d n e t w o r k s y s t e m i s b r o u g h t f o r t h a n d a c o r r e s p o n d i n g m a t h e m a t i c m o d e l i s e s t a b l i s h e d i n t h i s p a p e r . i n o r d e r t o p r o v i d i n g a s i m p l e w h e r e a s u s e f u l t o o l f o r p r e - c o o l i n g t e c h n o l o g y a n d e q u ip m e n t s o p t i m i z i n g d e s i g n , t h i s m e t h o d i s o f s o u n d a c a d e m i c m e a n in g a n d g r e a t p r a c t i c a l v a l u e . ( 1 ) i n t h i s p a p e r , p r e - c o o l i n g c a r t o n i s c o n s i d e r e d a s a n i n t e g r a t i o n o f m a n y i n l e t s a n d o u t l e t s a n d v e n t i l a t i n g t r u n k . t h i s s y s t e m i s c o m p o s e d o f p r e - c o o l i n g c a rt o n s , p r e s s u r e - d i ff e r e n c e f a n a n d a n n u l a r p i p e n e t w o r k s y s t e m ( w h i c h i n c l u d e t h e e x t e r i o r a i r e n v i r o n m e n t ) . b y t h e fl u i d n e t w o r k m e t h o d , a fl u i d n e t w o r k m o d e l o f p r e s s u r e - d i ff e r e n c e p r e - c o o l in g c a n b e e s t a b l i s h e d . s i n g l e s p h e r i c fr u i t a n d v e g e t a b l e , w it h r e s p i r a t i o n h e a t a n d s u r f a c e e v a p o r a t i o n e f f e c t a n d s i n g l e c a r t o n m o d e l i s e s t a b l i s h e d . t h e h e a t t r a n s f e r m o d e l i s p r o v e d s u i t a b l e f o r p r e s s u re - d i ff e r e n c e p r e - c o o l i n g . ( 2 ) b a s e d o n t h e f o r e g o i n g e f f o rt , a m a t h e m a t i c m o d e l o f p r e s s u r e - d i f f e r e n c e p r e - c o o l i n g w as e s t a b l i s h e d b y fl u i d n e t w o r k t e c h n o l o g y . t h e a i r fl o w d i s t r i b u t i o n a n d t h e t e m p e r a t u re c h a n g e c h a r a c t e r i s t i c s a re o b t a i n e d . a s s h o w n i n e x p e r im e n t s , t h i s m e t h o d i s f e a s i b i l e a n d a c c u r a t e a n d m a n y in s t ru c t i v e c o n c l u s i o n s a b o u t p r e - c o o l i n g t e c h n o l o g y a r e o b t a i n e d . ( 3 ) t h e a i r fl o w c o e f f i c i e n t o f d r a g ( s ) h as b e e n m e as u r e d i n c a s e s o f s p h e r i c a n d c y l i n d e r s h a p e o f f r u i t a n d v e g e t a b l e w it h d i ff e r e n t a r r a n g e m e n t s . t h e g e n e r a l r e la t i o n a l e x p r e s s i o n o f d r a g c o e ff i c i e n t i s a l s o o b t a in e d . t h e d a t e s o f c o e f f i c i e n t o f d r a g c h a r a c t e r i s t i c o f c y l i n d e r s h a p e a r e p r o v i d e d i n t h i s p a p e r a n d d o g o o d f o r t h e u s e o f fl u i d n e t w o r k m o d e l in p r e s s u r e - d i f f e r e n c e p r e - c o o l i n g s y s t e m k e y w o r d s : p r e s s u r e - d i ff e r e n c e p r e - c o o l i n g f r e s i s t a n c e c o e f f i c i e n t i n t e rna l h e a t l u i d n e t wo r k s our ce 1 1 第一章绪论 第一章 绪论 1 . 1课题背景 水果和蔬菜在人类饮食结构中占有重要地位， 是人体所需维生素、 矿物质和 微量元素的重要来源。 然而，新鲜的果蔬又极易萎蔫、 甚至腐烂变质，因此，如 何有效地保存果蔬、维持其原有品质是全世界极为关注的课题。 研究表明， 果蔬在采摘后虽然停止了促进其生长的光合作用， 但因本身仍是 活的机体， 呼吸作用仍在进行， 并成为新陈代谢的主导作用。 果蔬的成熟和采摘 多在炎热高温的夏秋季进行， 采摘后的果蔬贮存有大量的田间热， 这些田间热促 进呼吸作用， 消耗大量的 有机物质， 加剧了微生物的繁殖和营养成分的破坏， 导 致果蔬的衰老和死亡， 降低了 经济价值。因此， 在果蔬采摘后， 如何尽快消除田 间热和控制呼吸强度是保持果蔬新鲜的关键步骤， 而预冷则是实现这一步骤的重 要方式之一。 预冷的概念最早是由p o w e l l 和他的助手于1 9 0 4 年在美国农业部提出的。 预 冷是利用低温处理方法，将采后果蔬的品温迅速降到工艺要求温度的操作过程 i 1 。 预冷后的果蔬不仅品 质较高， 有利于防止贮运过程中 果蔬的质与量的 损失; 而且可有效降低冷藏车、 冷藏船、 冷藏库等的冷负荷， 实现冷藏贮运装置的节能 运行。因此， 美国、日 本、 澳大利亚等发达国家把预冷作为果蔬采摘后的必不可 少 的 首 道 工 序 2 1 1 . 1 . 1预冷方法 根据载冷介质不同， 预冷方法主要分为冰预冷、 水预冷、 真空预冷和空气预 冷四种主要方式， 其中空气预冷又可分为强制通风预冷和差压预冷。 冰预冷: 在现代成熟预冷技术诞生及广泛运用之前， 将冰放置在果蔬上以提 供冷源是普遍采用的预冷方法。 冰预冷虽然方法简单、 成本低廉， 只要有冰源就 可大量应用， 但冰预冷存在有诸多不利。首先，冰点温度较高，不适合于预冷温 度较低的货物，且预冷速度慢;其次，冰占 据大量体积，减少货物的装载容量; 此外， 冰融解后产生的水会污染果蔬， 成为其腐败的直接原因， 而且易使对低温 敏感的货物如黄瓜、 番茄等产生冻害。 因此， 冰预冷正逐渐淡出预冷方式的主流。 水预冷: 将货物直接浸泡在冷水中， 或用冷水对货物进行喷淋进行冷却的方 法称为水预冷。 由于水是一种比 空气热容更大的载热体， 水预冷可以获得较快的 冷却速度， 例如运用设计良 好的水喷淋预冷设备， 可以使草毒等小尺寸果蔬在三 十分钟内 得到冷却。 但水预冷不适用于一些沾水后易腐烂变质的果蔬;同时，为 防止累积于水冷却器中的循环水受到病原微生物的侵染， 通常需要在水中加入大 量防 腐剂， 从而 也可能 对果 蔬带来污染3 1 ， 因 此， 在追求 绿色食品 的2 1 世纪， 第一章绪论 第一章 绪论 1 . 1课题背景 水果和蔬菜在人类饮食结构中占有重要地位， 是人体所需维生素、 矿物质和 微量元素的重要来源。 然而，新鲜的果蔬又极易萎蔫、 甚至腐烂变质，因此，如 何有效地保存果蔬、维持其原有品质是全世界极为关注的课题。 研究表明， 果蔬在采摘后虽然停止了促进其生长的光合作用， 但因本身仍是 活的机体， 呼吸作用仍在进行， 并成为新陈代谢的主导作用。 果蔬的成熟和采摘 多在炎热高温的夏秋季进行， 采摘后的果蔬贮存有大量的田间热， 这些田间热促 进呼吸作用， 消耗大量的 有机物质， 加剧了微生物的繁殖和营养成分的破坏， 导 致果蔬的衰老和死亡， 降低了 经济价值。因此， 在果蔬采摘后， 如何尽快消除田 间热和控制呼吸强度是保持果蔬新鲜的关键步骤， 而预冷则是实现这一步骤的重 要方式之一。 预冷的概念最早是由p o w e l l 和他的助手于1 9 0 4 年在美国农业部提出的。 预 冷是利用低温处理方法，将采后果蔬的品温迅速降到工艺要求温度的操作过程 i 1 。 预冷后的果蔬不仅品 质较高， 有利于防止贮运过程中 果蔬的质与量的 损失; 而且可有效降低冷藏车、 冷藏船、 冷藏库等的冷负荷， 实现冷藏贮运装置的节能 运行。因此， 美国、日 本、 澳大利亚等发达国家把预冷作为果蔬采摘后的必不可 少 的 首 道 工 序 2 1 1 . 1 . 1预冷方法 根据载冷介质不同， 预冷方法主要分为冰预冷、 水预冷、 真空预冷和空气预 冷四种主要方式， 其中空气预冷又可分为强制通风预冷和差压预冷。 冰预冷: 在现代成熟预冷技术诞生及广泛运用之前， 将冰放置在果蔬上以提 供冷源是普遍采用的预冷方法。 冰预冷虽然方法简单、 成本低廉， 只要有冰源就 可大量应用， 但冰预冷存在有诸多不利。首先，冰点温度较高，不适合于预冷温 度较低的货物，且预冷速度慢;其次，冰占 据大量体积，减少货物的装载容量; 此外， 冰融解后产生的水会污染果蔬， 成为其腐败的直接原因， 而且易使对低温 敏感的货物如黄瓜、 番茄等产生冻害。 因此， 冰预冷正逐渐淡出预冷方式的主流。 水预冷: 将货物直接浸泡在冷水中， 或用冷水对货物进行喷淋进行冷却的方 法称为水预冷。 由于水是一种比 空气热容更大的载热体， 水预冷可以获得较快的 冷却速度， 例如运用设计良 好的水喷淋预冷设备， 可以使草毒等小尺寸果蔬在三 十分钟内 得到冷却。 但水预冷不适用于一些沾水后易腐烂变质的果蔬;同时，为 防止累积于水冷却器中的循环水受到病原微生物的侵染， 通常需要在水中加入大 量防 腐剂， 从而 也可能 对果 蔬带来污染3 1 ， 因 此， 在追求 绿色食品 的2 1 世纪， 第一章绪论 水预冷的缺陷引起人们的广泛关注。 真空预冷: 真空预冷是一种将果蔬放置在密闭容器中， 对其进行减压， 果蔬 本身水分蒸发，带走大量蒸发潜热而被冷却的预冷方法。与其他预冷方式相比， 真空预冷速度最快。 但真空预冷设备的操作复杂、 投资大、 成本高、 干耗大， 且 对于大块产品而言难以 冷却到芯部13 ，这也是目 前影响 其普遍使用的 最大障碍。 空气预冷:空气预冷是利用冷空气的强制对流来实现果蔬冷却的预冷方法， 根据气流是否有组织地流过而分为强制通风预冷和差压预冷两种形式。 强制通风预冷是较早采用的一种冷却方式，它是将果蔬放置在高温冷藏库 内， 利用通风机将冷空气强制流过果蔬表面的冷却方法。 该方法简单易行， 费用 低，但果蔬的干耗大、冷却速度慢 ( 预冷周期一般为 1 2 2 4小时)且温度分布 不均匀，容易出现冻害。 差压预冷: 差压预冷是空气预冷的一种新形式， 其原理如图1 - 1 所示， 它是 利用差压风机的抽吸作用， 在包装容器的两侧形成一定的压力差， 使冷空气经包 装容器上的通风孔强制通过包装容器内 部， 与果蔬表面直接进行换热， 从而使物 品快速、均匀地冷却到工艺要求的温度范围的预冷方法。 目 前， 差压预冷通常采用中心抽吸式、 侧面抽吸式和隧道式三种形式， 差压 预冷缩小了生产所需空间， 库容利用更加合理， 其冷却速度更加迅速 ( 预冷时间 可降为3 - - -4 小时) ， 且冷却均匀， 适用于各种果蔬， 减少了水分蒸发造成的产品 表面凝缩，提高了产品质量。虽然其初投资比强制通风预冷高，码垛堆积费时， 但其突出优点， 使差压预冷在日 本、 欧美等发达国家仍然得到迅速普及和广泛应 用，因此，其相关技术课题也成为了行业和学术界的研究重点。 二 一厂 一 一 / 一 1 一 冷风机， 2 一差压风机， 3 一静压箱， 4 一包装箱， 5 一预冷库 图1 - 1 差压预冷原理图 1 . 1 .z研究差压预冷的意义 第一章绪论 水预冷的缺陷引起人们的广泛关注。 真空预冷: 真空预冷是一种将果蔬放置在密闭容器中， 对其进行减压， 果蔬 本身水分蒸发，带走大量蒸发潜热而被冷却的预冷方法。与其他预冷方式相比， 真空预冷速度最快。 但真空预冷设备的操作复杂、 投资大、 成本高、 干耗大， 且 对于大块产品而言难以 冷却到芯部13 ，这也是目 前影响 其普遍使用的 最大障碍。 空气预冷:空气预冷是利用冷空气的强制对流来实现果蔬冷却的预冷方法， 根据气流是否有组织地流过而分为强制通风预冷和差压预冷两种形式。 强制通风预冷是较早采用的一种冷却方式，它是将果蔬放置在高温冷藏库 内， 利用通风机将冷空气强制流过果蔬表面的冷却方法。 该方法简单易行， 费用 低，但果蔬的干耗大、冷却速度慢 ( 预冷周期一般为 1 2 2 4小时)且温度分布 不均匀，容易出现冻害。 差压预冷: 差压预冷是空气预冷的一种新形式， 其原理如图1 - 1 所示， 它是 利用差压风机的抽吸作用， 在包装容器的两侧形成一定的压力差， 使冷空气经包 装容器上的通风孔强制通过包装容器内 部， 与果蔬表面直接进行换热， 从而使物 品快速、均匀地冷却到工艺要求的温度范围的预冷方法。 目 前， 差压预冷通常采用中心抽吸式、 侧面抽吸式和隧道式三种形式， 差压 预冷缩小了生产所需空间， 库容利用更加合理， 其冷却速度更加迅速 ( 预冷时间 可降为3 - - -4 小时) ， 且冷却均匀， 适用于各种果蔬， 减少了水分蒸发造成的产品 表面凝缩，提高了产品质量。虽然其初投资比强制通风预冷高，码垛堆积费时， 但其突出优点， 使差压预冷在日 本、 欧美等发达国家仍然得到迅速普及和广泛应 用，因此，其相关技术课题也成为了行业和学术界的研究重点。 二 一厂 一 一 / 一 1 一 冷风机， 2 一差压风机， 3 一静压箱， 4 一包装箱， 5 一预冷库 图1 - 1 差压预冷原理图 1 . 1 .z研究差压预冷的意义 第一章绪论 我国自 从实施 “ 菜篮子工程”以来，产销发生了巨大变化:( 1 )果蔬的产销 己由从前的供量偏紧转向常年总量有余的总体平衡; ( 2 ) 随着大中城市居民生活 水平的提高， 对果蔬的要求越来越高， 不仅要求一年四季品种齐全， 更注重其新 鲜、营养、清洁、 环保等品质指标;( 3 ) 果蔬流通领域由原来的国营菜市场为主 的单一渠道发展到多渠道的流通网络。 然而， 长期以 来， 果蔬采后的冷藏链一直 没有健全， 大部分果蔬在采后未经任何处理， 就直接进入流通领域， 虽产量不断 提高，但在流通过程中，约1 / 3 在消费前遭腐败变质，对国家和人民造成巨大的 经济损失。 实践表明， 造成这种损失的主要原因是冷藏链不健全， 特别是采后的 预冷环节没有得到相应的重视。 由于差压预冷装置仅是在普通冷库基础内增加一个静压箱和差压风机而构 成， 结构相对简单并且易于应用，国内很多农产品基地进行了初步应用， 行业也 对多 种 果蔬的 差 压预冷提出了 相关 技术 规程 4 1 。 随 着人民 消费 水平的 提高和 对 预 冷认识的加深， 国内对预冷装置需求量逐步增大， 但现有差压预冷装置基本上是 在实验的基础上设计开发的， 普遍存在能耗大、 冷却速度慢、 干耗大、 预冷温度 不均匀等缺点。 在现有设备基础上， 如何提高预冷装置生产效率， 针对不同货物 进行差压预冷设计， 达到节约能源， 降低预冷生产成本的目的， 是实际生产中极 为关注的问题。 另一方面， 对于预冷设备的开发设计， 如预冷箱体的大小、 通风口的位置与 形状， 以及通风机风量与压头的选配， 与果蔬的形状、 尺寸与品种有着直接的关 系， 而这些关系目 前还没有得到明确的认识， 而目 前解决这些问 题的方法主要依 赖于实验研究结果，又势必需要大量人力、 物力和财力的支持。 因此， 有必要探索新的研究方法， 建立包括上述因素的通用数学模型， 分析 各因素对差压预冷装置性能的影响规律， 为优化冷却工艺、 优化箱体结构和优化 配置预冷设备提供理论依据， 指导生产实践， 不仅具有一定的学术价值， 而且对 推动我国冷藏链事业的可持续发展有着重要的社会效益和经济效益。 1 . 2文献综述 在差压预冷过程中， 影响冷却速度、 冷却均匀性的因素很多， 包括被冷却物 的热物性、 冷空气的温度、 流速以 及包装箱的 尺寸、 形状、 箱壁的厚度、 开孔位 置、 开孔大小、 开孔形状等等。 差压预冷关键在于包装箱内的气流组织， 只有优 化气流组织，产品才能降温迅速，冷却均匀。 在风机作用下预冷箱两侧产生多大的压力降p ，决定着冷空气能否顺利流 过预冷箱， 并且影响着果蔬的预冷时间。 影响压力降p的因素包括入口 冷空气 的流速、 包装箱开孔的大小和形状以 及内部果蔬的堆码方式。 包装箱开孔有圆形、 椭圆形、矩形以 及两端为圆弧的矩形等多种 ( 如图 1 - 2所示) ;箱内果蔬的排列 第一章绪论 我国自 从实施 “ 菜篮子工程”以来，产销发生了巨大变化:( 1 )果蔬的产销 己由从前的供量偏紧转向常年总量有余的总体平衡; ( 2 ) 随着大中城市居民生活 水平的提高， 对果蔬的要求越来越高， 不仅要求一年四季品种齐全， 更注重其新 鲜、营养、清洁、 环保等品质指标;( 3 ) 果蔬流通领域由原来的国营菜市场为主 的单一渠道发展到多渠道的流通网络。 然而， 长期以 来， 果蔬采后的冷藏链一直 没有健全， 大部分果蔬在采后未经任何处理， 就直接进入流通领域， 虽产量不断 提高，但在流通过程中，约1 / 3 在消费前遭腐败变质，对国家和人民造成巨大的 经济损失。 实践表明， 造成这种损失的主要原因是冷藏链不健全， 特别是采后的 预冷环节没有得到相应的重视。 由于差压预冷装置仅是在普通冷库基础内增加一个静压箱和差压风机而构 成， 结构相对简单并且易于应用，国内很多农产品基地进行了初步应用， 行业也 对多 种 果蔬的 差 压预冷提出了 相关 技术 规程 4 1 。 随 着人民 消费 水平的 提高和 对 预 冷认识的加深， 国内对预冷装置需求量逐步增大， 但现有差压预冷装置基本上是 在实验的基础上设计开发的， 普遍存在能耗大、 冷却速度慢、 干耗大、 预冷温度 不均匀等缺点。 在现有设备基础上， 如何提高预冷装置生产效率， 针对不同货物 进行差压预冷设计， 达到节约能源， 降低预冷生产成本的目的， 是实际生产中极 为关注的问题。 另一方面， 对于预冷设备的开发设计， 如预冷箱体的大小、 通风口的位置与 形状， 以及通风机风量与压头的选配， 与果蔬的形状、 尺寸与品种有着直接的关 系， 而这些关系目 前还没有得到明确的认识， 而目 前解决这些问 题的方法主要依 赖于实验研究结果，又势必需要大量人力、 物力和财力的支持。 因此， 有必要探索新的研究方法， 建立包括上述因素的通用数学模型， 分析 各因素对差压预冷装置性能的影响规律， 为优化冷却工艺、 优化箱体结构和优化 配置预冷设备提供理论依据， 指导生产实践， 不仅具有一定的学术价值， 而且对 推动我国冷藏链事业的可持续发展有着重要的社会效益和经济效益。 1 . 2文献综述 在差压预冷过程中， 影响冷却速度、 冷却均匀性的因素很多， 包括被冷却物 的热物性、 冷空气的温度、 流速以 及包装箱的 尺寸、 形状、 箱壁的厚度、 开孔位 置、 开孔大小、 开孔形状等等。 差压预冷关键在于包装箱内的气流组织， 只有优 化气流组织，产品才能降温迅速，冷却均匀。 在风机作用下预冷箱两侧产生多大的压力降p ，决定着冷空气能否顺利流 过预冷箱， 并且影响着果蔬的预冷时间。 影响压力降p的因素包括入口 冷空气 的流速、 包装箱开孔的大小和形状以 及内部果蔬的堆码方式。 包装箱开孔有圆形、 椭圆形、矩形以 及两端为圆弧的矩形等多种 ( 如图 1 - 2所示) ;箱内果蔬的排列 第一章绪论 方式也有多种， 如:直排式、间隔式、平方间隔式和随机式，参见1 - 3 所示。上 述因素对压力降p 都会产生影响，因此，op是一个多自 变量函数。由于影响 因素的复杂性， 国内 外普遍采用理论与实验相结合的研究方法， 在多种影响因素 中， 固定其中 几种， 改变其他因素进行实验和理论研究，以 求得差压预冷过程中 一些定性的规律，从而指导生产实践。 翻形孔 辐圈形孔 口 两 姗为 日饭的 矩形孔 图 1 - 2 口口 矩形孔 四种不同形式的包装箱开孔 2 层 0000 3 00 000000 000000 ， 晨 0000000 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0c3c3cctcc? 间 间限排列 仍) 平方间用排) a . 图1 - 3 果蔬堆码方式 ( 例) 下面将对差压预冷及其相关技术的 研究成果进行分析， 以明确目 前国内 外研 究现状，进而提出本课题的研究内容。 1 .2 . 1关于果蔬预冷工艺的 研究 差压预冷作为一种常用的预冷方式己经应用了多年， 但始终没有形成一套对 不同果蔬的差压预冷的技术工艺要求， 可以说这是由于果蔬外形尺寸的不均匀性 和堆码方式的多变性， 以 及预冷后操作对预冷温度要求的不同 性所致。 采收的果 蔬个体差异很大， 相同预冷条件下小个体果蔬中心温度容易达到预冷温度， 而大 个体果蔬达到预冷温度的速度则相对较慢; 规则堆码的果蔬容易快速达到温度要 求， 而随机式排列的果蔬预冷时间较长; 有些预冷后的果蔬立即进入市场或冷库， 其预冷温度较高， 而需要进行长途运输的果蔬则要求预冷到更低的低温度， 以保 第一章绪论 方式也有多种， 如:直排式、间隔式、平方间隔式和随机式，参见1 - 3 所示。上 述因素对压力降p 都会产生影响，因此，op是一个多自 变量函数。由于影响 因素的复杂性， 国内 外普遍采用理论与实验相结合的研究方法， 在多种影响因素 中， 固定其中 几种， 改变其他因素进行实验和理论研究，以 求得差压预冷过程中 一些定性的规律，从而指导生产实践。 翻形孔 辐圈形孔 口 两 姗为 日饭的 矩形孔 图 1 - 2 口口 矩形孔 四种不同形式的包装箱开孔 2 层 0000 3 00 000000 000000 ， 晨 0000000 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0c3c3cctcc? 间 间限排列 仍) 平方间用排) a . 图1 - 3 果蔬堆码方式 ( 例) 下面将对差压预冷及其相关技术的 研究成果进行分析， 以明确目 前国内 外研 究现状，进而提出本课题的研究内容。 1 .2 . 1关于果蔬预冷工艺的 研究 差压预冷作为一种常用的预冷方式己经应用了多年， 但始终没有形成一套对 不同果蔬的差压预冷的技术工艺要求， 可以说这是由于果蔬外形尺寸的不均匀性 和堆码方式的多变性， 以 及预冷后操作对预冷温度要求的不同 性所致。 采收的果 蔬个体差异很大， 相同预冷条件下小个体果蔬中心温度容易达到预冷温度， 而大 个体果蔬达到预冷温度的速度则相对较慢; 规则堆码的果蔬容易快速达到温度要 求， 而随机式排列的果蔬预冷时间较长; 有些预冷后的果蔬立即进入市场或冷库， 其预冷温度较高， 而需要进行长途运输的果蔬则要求预冷到更低的低温度， 以保 第一章绪论 证果蔬长时间新鲜。 文献 4 介绍了多种果蔬的采收、 分级、包装，以 及进行差压预冷的 操作技 术规程。 为适应预冷之后的长期储存和运输， 采收的果蔬要求果实充分膨大， 并 在果面有光泽的嫩果期采收。 果蔬根据大小进行分级， 最低要求是形态正常、 色 泽良 好、 表面光滑。 进行差压预冷的果蔬宜放置在纸箱内， 在预冷过程中应按相 同品种、 相同等级、相同大小规格整齐摆放于箱内。 果蔬的冷却时间受果蔬自 身 物理性质和对预冷温度要求的不同 具有很大差别，文献 4 总结了 多种常见果蔬 所需的预冷时间，如:堆码一排的茄子、结球白菜、番茄等果蔬的预冷时间为5 小时，两排堆码时为6 小时; 而黄瓜、菜豆、青椒、油菜等则需要3 -4 小时。 文献 5 对草墓采摘后预冷的开始时间 对草毒质量的影响进行了 研究。 将采 摘后的草毒在3 0 环境下分别存放0 , 6 . 8 天后，分有p v c和无p v c包装两 种情况， 在相同条件下进行预冷试验研究， 考察重量、 颜色、 坚硬度、 糖份、 p h 值等的 变化，结果表明:预冷越早且有p v c包装的草墓贮藏效果越好， 预冷的 推迟导致储存期的大大缩短。 对其它多种果蔬进行的预冷延迟实验也都得出了 相 同 的 结 论 16 。 不同果蔬的物理性质具有很大差异， 导致预冷需要达到的温度有所不同。 预 冷温度的设定原则是在保证果蔬不被冻结的前提下尽可能低， 即略高于果蔬的冻 结点 温度。受预冷时间和冷风设备条件的 制约， 预冷通常可将果蔬品 温降到3 - 5 0c 17 1 。 对于特殊要求的果蔬， 则需要预冷到更低的温度以 保持新鲜， 例如草毒 需要达到的预冷温度为2 c . 1 .2 .2关于预冷箱开孔位置与开口形状的研究 文献 8 进行了 较为精确的实验研究， 首次提出 将箱内 果蔬简化为“ 多孔介 质” ， 并结合多孔介质理论归纳出 压力损失经验公式即著名的d a r c h 公 式， 这一 公式已成为差压预冷研究的经典公式。1 9 5 3年 s h e d d对空气流过谷堆时的压降 与流动进行研究， 得出了当时引人注目的简化空气流过多孔介质的非线性流动模 拟半经验公式。 在此后的多年里， 压降公式被不断得到修正与更新。 文献 9 运 用 e r g u n方程对散装和箱装桔子进行了 差压预冷过程中差压与空 气流动关系的 研究， 针对不同大小、不同堆积方式 ( 平方格式、 错排格式、 直排格式、随机格 式) 的桔子在一定空气流速下进行压降测试， 根据测试结果给出了不同排列方式 下的阻力经验公式， 将压力降p 归结为果蔬直径d ， 冷空气流速v ， 冷风通过的 距离l 和产品堆码的孔隙率c 共同作用的结果。 文献汇 1 0 对相同开孔面积下四 种不同开孔形状的包装箱 ( 圆形、 椭圆、 矩形 和两端为圆弧的矩形) ，在四种不同风速下的草墓冷却速度及压力降进行了实验 研 究 ， 定 义 了 开 孔 形 状 因 子 4 ， 以 分 析 风 速 对 冷 却 速 度 的 影 响 ， 指 出 压 力 降 p 是由 冷风速度v， 冷风通过距离l ， 产品堆码的 孔隙率 ， 冷空气的动力 粘滞系数 第一章绪论 证果蔬长时间新鲜。 文献 4 介绍了多种果蔬的采收、 分级、包装，以 及进行差压预冷的 操作技 术规程。 为适应预冷之后的长期储存和运输， 采收的果蔬要求果实充分膨大， 并 在果面有光泽的嫩果期采收。 果蔬根据大小进行分级， 最低要求是形态正常、 色 泽良 好、 表面光滑。 进行差压预冷的果蔬宜放置在纸箱内， 在预冷过程中应按相 同品种、 相同等级、相同大小规格整齐摆放于箱内。 果蔬的冷却时间受果蔬自 身 物理性质和对预冷温度要求的不同 具有很大差别，文献 4 总结了 多种常见果蔬 所需的预冷时间，如:堆码一排的茄子、结球白菜、番茄等果蔬的预冷时间为5 小时，两排堆码时为6 小时; 而黄瓜、菜豆、青椒、油菜等则需要3 -4 小时。 文献 5 对草墓采摘后预冷的开始时间 对草毒质量的影响进行了 研究。 将采 摘后的草毒在3 0 环境下分别存放0 , 6 . 8 天后，分有p v c和无p v c包装两 种情况， 在相同条件下进行预冷试验研究， 考察重量、 颜色、 坚硬度、 糖份、 p h 值等的 变化，结果表明:预冷越早且有p v c包装的草墓贮藏效果越好， 预冷的 推迟导致储存期的大大缩短。 对其它多种果蔬进行的预冷延迟实验也都得出了 相 同 的 结 论 16 。 不同果蔬的物理性质具有很大差异， 导致预冷需要达到的温度有所不同。 预 冷温度的设定原则是在保证果蔬不被冻结的前提下尽可能低， 即略高于果蔬的冻 结点 温度。受预冷时间和冷风设备条件的 制约， 预冷通常可将果蔬品 温降到3 - 5 0c 17 1 。 对于特殊要求的果蔬， 则需要预冷到更低的温度以 保持新鲜， 例如草毒 需要达到的预冷温度为2 c . 1 .2 .2关于预冷箱开孔位置与开口形状的研究 文献 8 进行了 较为精确的实验研究， 首次提出 将箱内 果蔬简化为“ 多孔介 质” ， 并结合多孔介质理论归纳出 压力损失经验公式即著名的d a r c h 公 式， 这一 公式已成为差压预冷研究的经典公式。1 9 5 3年 s h e d d对空气流过谷堆时的压降 与流动进行研究， 得出了当时引人注目的简化空气流过多孔介质的非线性流动模 拟半经验公式。 在此后的多年里， 压降公式被不断得到修正与更新。 文献 9 运 用 e r g u n方程对散装和箱装桔子进行了 差压预冷过程中差压与空 气流动关系的 研究， 针对不同大小、不同堆积方式 ( 平方格式、 错排格式、 直排格式、随机格 式) 的桔子在一定空气流速下进行压降测试， 根据测试结果给出了不同排列方式 下的阻力经验公式， 将压力降p 归结为果蔬直径d ， 冷空气流速v ， 冷风通过的 距离l 和产品堆码的孔隙率c 共同作用的结果。 文献汇 1 0 对相同开孔面积下四 种不同开孔形状的包装箱 ( 圆形、 椭圆、 矩形 和两端为圆弧的矩形) ，在四种不同风速下的草墓冷却速度及压力降进行了实验 研 究 ， 定 义 了 开 孔 形 状 因 子 4 ， 以 分 析 风 速 对 冷 却 速 度 的 影 响 ， 指 出 压 力 降 p 是由 冷风速度v， 冷风通过距离l ， 产品堆码的 孔隙率 ， 冷空气的动力 粘滞系数 第一章绪论 。 ， 冷 空 气 密 度p ， 冷 却 产 品 的 平 均 直 径d以 及 开 孔 形 状 因 子 4 共 同 决 定 的 。 实验得出了在相同开孔面积情况下圆形开孔的效果预冷最好的结论， 为包装箱开 孔选型提供了依据。 文献 1 1 介绍了番茄预冷实验， 对送风速度、 送风温度、番茄的堆码 方式以 及开孔大小四 个因素对预冷箱内 各点温度变化快慢的影响进行研究， 实验得出了 在常规差压预冷方式下， 较小孔径可以 获得较高预冷送风速度的结论， 并指出预 冷箱内 番茄中心温度的 变化规律: 接近空气入口的番茄温度最低， 箱体中间偏出 口处温度最高。 文献 1 2 在固定堆码方式和送风温度条件下， 对5 种不同 开孔面积和5 种不 同差压的葡萄箱进行预冷试验研究。 实验测试的温度曲 线表明: 开孔面积主要影 响冷风在葡萄箱内的 横向 扩散性， 差压主要影响冷风在葡萄箱内的纵向 扩散性。 因此，开孔面积越大，差压越大，冷却越快，冷却越均匀。 文献 1 3 对5 k g 葡 萄 在固 定开 孔 方式、 冷风 温度为4 条 件下， 试 验研究 送 风速度 ( 1 - 2 m / s ) 对预冷速度的 影响。 研究表明， 风速从1 m / s 升高至2 m / s 时 ， 葡萄的半冷却时间减少2 1 . 8 %, 7 / 8 冷却时间减少2 3 .6 ，说明冷风速度对预冷 时间影响很大，提高速度可以减少预冷时间，提高预冷速度。 对于体积较大的根茎类蔬菜， 现有文献则偏重其阻力特性的 研究。 文献【 1 4 研究了根茎类蔬菜对气流的阻力特性， 给出了 气流速度在0 .0 4 m / s - - 0 .3 m / s 范围 时， 使气流穿过小堆的土豆、 红甜菜、 洋葱、胡萝 卜 所需的差压，同时也分析了 物堆深度、气流速度及蔬菜带有泥土或脏物时对气流阻力的影响。 1 .2 .3关于箱体内果蔬传热传质模型的研究 文献 1 5 将差压预冷箱内 按一定方式排放堆码的 番茄简化为多 孔介质， 运用 多孔介质理论建立了番茄差压预冷箱内空气流动的数学模型， 并采用有限元方法 对其阻夕 7 性进行求解， 理论计算与实验结果较为吻合， 说明运用多孔介质理论 研究差压预冷过程具有可行性;在此基础上，文章对包装箱内产品的降 温速度、 冷却均匀性提出了优化方案。 然而， 文献在计算中， 箱内 产品采用了固定排列模 式 ( 实际情况下为随机堆放) ，未考虑箱内各部位 ( 单元) 孔隙率的差异，也没 有考虑冷却过程中的质量交换问题以 及箱内风温与番茄温度的祸合问题， 致使模 型计算结果具有一定的误差。即 使该研究并不完善， 但“ 多孔介质” 的 假设却为 后来差压预冷箱内空气流动的研究提出了良 好的物理模型和理论基础。 文献【 1 6 . 1 7 利用“ 多孔介质” 模型分析空气流过三维葡萄包装箱时的 压 力和流速分布，利用有限差分法设计计算机程序，对压力和流量分布进行求解， 在此基础上，建立差压预冷过程的传热模型，用理论方法求解相应的温度响应。 由于葡萄粒较小， 忽略其内部热阻， 数值传热计算中将葡萄粒近似看作球体， 用 集总参数法求解温度响应。 实验中还得出了两列、 三列堆码工况下葡萄温降和冷 风压降结果:当差压一定时， 随着堆码列数的增加， 各列箱中葡萄的冷却速度明 第一章绪论 。 ， 冷 空 气 密 度p ， 冷 却 产 品 的 平 均 直 径d以 及 开 孔 形 状 因 子 4 共 同 决 定 的 。 实验得出了在相同开孔面积情况下圆形开孔的效果预冷最好的结论， 为包装箱开 孔选型提供了依据。 文献 1 1 介绍了番茄预冷实验， 对送风速度、 送风温度、番茄的堆码 方式以 及开孔大小四 个因素对预冷箱内 各点温度变化快慢的影响进行研究， 实验得出了 在常规差压预冷方式下， 较小孔径可以 获得较高预冷送风速度的结论， 并指出预 冷箱内 番茄中心温度的 变化规律: 接近空气入口的番茄温度最低， 箱体中间偏出 口处温度最高。 文献 1 2 在固定堆码方式和送风温度条件下， 对5 种不同 开孔面积和5 种不 同差压的葡萄箱进行预冷试验研究。 实验测试的温度曲 线表明: 开孔面积主要影 响冷风在葡萄箱内的 横向 扩散性， 差压主要影响冷风在葡萄箱内的纵向 扩散性。 因此，开孔面积越大，差压越大，冷却越快，冷却越均匀。 文献 1 3 对5 k g 葡 萄 在固 定开 孔 方式、 冷风 温度为4 条 件下， 试 验研究 送 风速度 ( 1 - 2 m / s ) 对预冷速度的 影响。 研究表明， 风速从1 m / s 升高至2 m / s 时 ， 葡萄的半冷却时间减少2 1 . 8 %, 7 / 8 冷却时间减少2 3 .6 ，说明冷风速度对预冷 时间影响很大，提高速度可以减少预冷时间，提高预冷速度。 对于体积较大的根茎类蔬菜， 现有文献则偏重其阻力特性的 研究。 文献【 1 4 研究了根茎类蔬菜对气流的阻力特性， 给出了 气流速度在0 .0 4 m / s - - 0 .3 m / s 范围 时， 使气流穿过小堆的土豆、 红甜菜、 洋葱、胡萝 卜 所需的差压，同时也分析了 物堆深度、气流速度及蔬菜带有泥土或脏物时对气流阻力的影响。 1 .2 .3关于箱体内果蔬传热传质模型的研究 文献 1 5 将差压预冷箱内 按一定方式排放堆码的 番茄简化为多 孔介质， 运用 多孔介质理论建立了番茄差压预冷箱内空气流动的数学模型， 并采用有限元方法 对其阻夕 7 性进行求解， 理论计算与实验结果较为吻合， 说明运用多孔介质理论 研究差压预冷过程具有可行性;在此基础上，文章对包装箱内产品的降 温速度、 冷却均匀性提出了优化方案。 然而， 文献在计算中， 箱内 产品采用了固定排列模 式 ( 实际情况下为随机堆放) ，未考虑箱内各部位 ( 单元) 孔隙率的差异，也没 有考虑冷却过程中的质量交换问题以 及箱内风温与番茄温度的祸合问题， 致使模 型计算结果具有一定的误差。即 使该研究并不完善， 但“ 多孔介质” 的 假设却为 后来差压预冷箱内空气流动的研究提出了良 好的物理模型和理论基础。 文献【 1 6 . 1 7 利用“ 多孔介质” 模型分析空气流过三维葡萄包装箱时的 压 力和流速分布，利用有限差分法设计计算机程序，对压力和流量分布进行求解， 在此基础上，建立差压预冷过程的传热模型，用理论方法求解相应的温度响应。 由于葡萄粒较小， 忽略其内部热阻， 数值传热计算中将葡萄粒近似看作球体， 用 集总参数法求解温度响应。 实验中还得出了两列、 三列堆码工况下葡萄温降和冷 风压降结果:当差压一定时， 随着堆码列数的增加， 各列箱中葡萄的冷却速度明 第一章绪论 显降低; 而在维持原有列、 原有冷却速度的前提下，增加堆码列数， 差压将成倍 增加， 因此包装箱的堆码列数不宜超过三列。 由于理论模型没有准确描述离壁面