（制冷及低温工程专业论文）类圆柱形果蔬差压预冷实验研究及模拟仿真.pdf

摘要 摘要 本文以白萝卜为实验对象，对类圆柱形果蔬差压预冷过程进行实验研究。实验参考相 关文献，选定送风温度、风速、开孔率、孔隙率这四个参数作为研究预冷过程的主要因素， 并选定预冷速率和预冷均匀度作为考察预冷效果的评价指标。通过正交试验的分析，定量 给出各参数对类圆柱形果蔬差压预冷过程的影响水平，并据此进一步设计实验，用所获得 实验数据对系统进行神经网络建模。本文的研究工作包括： 1 ) 以白萝卜为实验对象，设计四因素三水平值的正交试验。实验选取送风温度、风速、 l 。、孑l 隙率作为影响因素，以预冷速率和预冷均匀度作为评价指标。实验结果表明， 各因素对周转箱内果蔬降温速率的影响程度由大到小依次为孔隙率、送风温度、开孔率、 风速；各因素对周转箱内果蔬温度分布均匀度的影响程度由大到小依次为送风温度、孔隙 率、风速、开孔率。 2 ) 根据正交试验的结果，设计了白萝卜差压预冷系统单因素变化实验，分析了预冷速 率和预冷均匀度在不同预冷条件下的变化规律，并为后面对系统进行神经网络建模建立了 训练样本。 3 ) 以实验数据作为样本，选用b p 神经网络对类圆柱形果蔬差压预冷系统进行建模与 仿真。建立了风速、孔隙率、开孔率、送风温度、初始温度、预冷时间这六个输入参数与 预冷过程平均温度和均匀度之间的非线性映射关系。 关键词：差压预冷；温度均匀度；降温速率；工艺 a b s t r a c l a b s t r a c t i no r d e rt os t u d yp r e - c o o l i n gp r o c e s so fc y l i n d r i c a lf r u i ta n dv e g e t a b l e ，t u m i pw a st a k e na s a ne x p e r i m e n t a ls u b j e c to f t h ed i f f e r e n t i a lp r e c o o l i n ge x p e r i m e n t s i nt h i sp a p e r - t h et e m p e r a t u r e ， w i n ds p e e d ，h o l er a t i o ，p o r o s i t ya r es t u d i e da st h em a i nf a c t o r so fa f f e c t i n gt h ed i f f e r e n t i a l p r e - c o o l i n g e f f e c to fc y l i n d r i c a lf r u i t sa n dv e g e t a b l e s p r e - c o o l i n gs p e e da n dp r e - c o o l i n g u n i f o r m i t ya r et a k e na st h ei m p o r t a n tc r i t e r i o nf o rt h es t u d yo f p r e - c o o l i n ge f f e c t i nt h i sp a p e r ，a n i n t e r d i s c i p l i n a r ya p p r o a c hi su s e dt od e s i g nt h ed i f f e r e n t i a lp r e - c o o l i n gs i m u l a t i o nm e t h o db a s e d nj i 蚋a r i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k - b a s e da p p r o a c h 1 ) t a k i n gt h ew h i t er a d i s ha se x p e r i m e n t a ls u b j e c t s ，t h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t so ff o u r f a c t o r sa n dt h r e el e v e l sa r em a d eb yc h a n g i n gt h et e m p e r a t u r e ，w i n ds p e e d ，h o l er a t i oa n d p o r o s i t y p r e - c o o l i n gs p e e da n dp r e - - c o o l i n gu n i f o r m i t ya r et a k e na st h ei m p o r t a n tc r i t e r i o nf o rt h e s t u d yo fp r e - c o o l i n ge f f e c t i t s h o w st h a tt h ei m p a c to fv a r i o u sf a c t o r so nt h ec o o l i n gs p e e d d e s c e n d i n go r d e ra le ：p o r o s i t y , a i rt e m p e r a t u r e ，p o r o s i t y , w i n ds p e e d ；t h ei n f l u e n c eo fv a r i o u s f a c t o r so nt h eu n i f o r m i t yo fas e q u e n c eo a i rt e m p e r a t u r e ，p o r o s i t y , w i n ds p e e d ，o p e np o r o s i t y 2 ) i no r d e rt og e tt h ei m p a c to f t h e s ef a c t o r so nt h ep r e c o o l i n g ，t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo f t h e s i n g l ef a c t o ri sm a d er e s p e c t i v e t h ep r e c o o l i n gs p e e da n du n i f o r m i t yo fv a r i a t i o na r eo b t a i n e d i nd i f f e r e n tp r e - c o o l i n gc o n d i t i o n s 3 ) t h en e u r a ln e t w o r kw h i c hi sm o r ea c c u r a t e l yr e f l e c t e dt h ed i f f e r e n t i a lp r e - c o o l i n ge f f e c ti s c r e a t e d t h en o n l i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nw i n dv e l o c i t y , p o r o s i t y , p o m s i t gt e m p e r a t u r e ，i n i t i a l t e m p e r a t u r e p r e - c x ) o l i n gt i m eo fs i xi n p u tp a r a m e t e r sa n du n i f o r m i t ya sw e l l a sp r e - c o o l i n g p r o c e s sa v e r a g et e m p e r a t u r ei se s t a b l i s h e d k e yw o r d s ：p r e s s u r ep r e - e o o l i n g ；t e m p e r a t u r eu n i f o r m i t y ；c o o l i n gr a t e ；p r o c e s s i n g 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 果蔬预冷与冷链流通 第一章绪论 农产品具有生产区域不平衡、区域流动性大、运输时间长、运输量大等特点。农产品 在采摘后含有大量水分与田间热，如果直接在常温下运输、贮藏，很容易失去原有风味， 甚至变质。由于农产品的品质下降是不可逆过程，因此在进行运输贮藏前如果让果蔬长时 问不经处理暴露于常温环境，接下来的冷链各环节对产品品质只能起到勉强维持的作用。 预冷是指利用制冷设备迅速除去采收后新鲜水果蔬菜的田间热，使果蔬温度在较短时 间内降低到适宜温度的过程。农产品在采摘后进行预冷可以有效地抑制呼吸作用，减少本 身糖类和营养物质的代谢，从而最大限度保持农产品的风味和品质。 1 9 0 4 年，美国农业部首次引进了预冷的概念，并指出预冷是保证果蔬冷链流通品质的 重要环节。 果蔬的冷链流通是指通过利用制冷技术使果蔬在采摘、运输、加工、销售等各个环节 中保持适宜的低温状态，最大限度的减少果蔬的损耗并保持果蔬品质的流通活动过程。 冷链流通离不开“冷”，同时各环节环环紧扣，缺一不可，一旦某一环节操作不当，便 有可能造成整个体系的不可逆损失。 欧美国家目前已经基本具备了完善的冷链流通体系，水果、蔬菜等农产品在采摘、运 输、储存等物流环节的损耗率仅有2 左右。果蔬从农田到餐桌所经历的一般过程为采摘、 检验分选、预冷、加工、运输、销售等。进入冷链流通的蔬菜需要检验分选进而分级包装。 在果蔬的包装材料上，果蔬名称、农家姓名、地址、电话、净重、等级等基本信息均可以 查询到，为实现冷链的可追溯性提供了有效保证【1 1 。果蔬的常见预冷方式有空气预冷、真 空预冷、冷水预冷等。蔬菜经过前端加工后进入冷库，通过对产品的品质、经济性以及市 场供求关系等因素进行综合考虑，选择合理的贮藏时间。产品出库后，由冷藏运输工具运 输到达批发站冷库、自选商场冷柜、消费者冰箱等地到达消费者餐桌【2 】。 第一章绪论 田间热可以引起农作物品质的迅速下降，尤其是在夏季气温较高的季节。因此，尽快 除去这些热量十分必要。农产品品质的下降过程通常是不可逆的，产品的采收与预冷之间 分秒必争，及时有效的预冷环节是高效优质的低温物流过程的基本保障。预冷的关键在于 一个”快”字。因此预冷最好在产地采摘、清理、包装之后直接进行。产地预冷能有效地减 少农产品的损失，延长农产品的货架寿命，从而提高农产品的经济效益。 预冷速率和预冷过程的冷却均匀性对于保持果蔬的品质至关重要，不同种类的果蔬的 最佳预冷温度和预冷过程均匀性的要求也有所不同。如果处理不当，果蔬的品质会迅速恶 化。 由于农作物本身的特点，其经济价值不仅与品质有关，还与市场供求关系的变化以及 举：! 、r ；更换有很大关联。预冷环节可以有效地延长产品的货架寿命，使产品更灵活地适应 市场波动，最大限度的提高其经济价值。例如将8 、9 月份大量成熟的大桃货架期延至3 个 月，其经济价值几乎成倍增长【3 1 。 1 1 2 预冷工艺介绍 预冷是冷链流通中保持果蔬的品质和新鲜度以及延长货架期的重要环节。如果缺失了 预冷环节或者在此环节操作不当，果蔬的质量可能会低于理想质量，造成经济损失，并且 让消费者对产品失去信心，降低品牌信誉度。 由于不同果蔬的生理特点、经济价值、生命周期等有所不同，对于预冷的具体要求有 所不同。 4 1 1 ) 果蔬预冷速率的要求与被预冷果蔬的数量成正比。对于大批量的果蔬，其预冷速率 极其重要。 2 ) 对于不同种类的产品，最佳预冷温度也不同。比如草莓和花椰菜需要接近冰点的温 度，然而在相同温度下西红柿会受到破坏。 3 ) 不同预冷方式的项目建设和运营费用不同，所选预冷技术还要取决于产品的售价和 商家的利润。 随着预冷技术的发展，预冷的方法大体分为：差压预冷、真空预冷、冷水预冷等。 2 第一章绪论 1 】2 】差压预冷 差压预冷是指在果蔬包装箱两侧形成压差，使箱内果蔬迅速与冷空气对流换热，果蔬 表面与冷空气充分接触降温，快速去除果蔬的田间热，减弱果蔬的呼吸作用和新陈代谢， 延缓果蔬衰老速度，从而提高流通过程果蔬的品质和经济价值1 5 j 。 差压预冷设备主要包括风机、静压箱、制冷系统、加湿系统、风速和温度控制系统、 围护结构等【6 】。差压预冷装置可以由冷库改装，也可以由果蔬的具体预冷要求搭建。差压 预冷设备具有制造成本低廉、预冷时间适中、预冷均匀度较好、容易推广的特点。 1 1 2 2 真空预冷 真空预冷是指将果蔬放在密闭的容器内，降低容器里面的气压使果蔬的水分迅速蒸发 的过程，而蒸发会带走大量的蒸发热，这样就可以达到冷却果蔬的目的。真空预冷依靠果 蔬自身水分蒸发使得温度降低，而不需要外界传热介质参与。 真空预冷的特点： 1 ) 降温速率快，预冷时间短，一般不到半个小时就可以完成冷却任务。 2 ) 冷却较均匀，真空冷却主要是依靠产品表面以及内部的水分蒸发降温，因此对于大 批量产品使用真空冷却时产品的表面温度与核心温度之差要比风冷和水冷小得多。 3 ) 真空预冷的产品在冷却时处于真空环境下，加工过程干净卫生。 4 ) 可以使产品产生“薄层干燥效应 ，可以抑制产品表面小损伤的进一步发展，甚至 有时可以使果蔬表面的小损伤愈合，大大减少了因为机械损伤造成微生物感染的机会。另 外，真空预冷技术还可以去除阴雨天气采收的果蔬表面的水分。 5 ) 能耗低。由于真空预冷是靠果蔬体内水分“闪发”而快速冷却的方法，预冷时间短， 并且外界渗入的热量较少，因此设备运转能耗与费用大大降低。 6 ) 真空预冷中果蔬内部水分损失较大。 7 ) 设备初投资成本高。 真空预冷方法适用于表面积较大的果蔬。其对于叶菜类蔬菜的预冷有显著效果，可以 在短时间内迅速除去蔬菜田间热。此外，真空预冷广泛应用于鲜切花、食用菌、米饭、蒸 制品、熟食品和水果等。真空预冷过程主要是依靠水分蒸发使温度降低，可能造成产品失 气 第一章绪论 水较多，可以通过加湿系统减少产品水分蒸发引起的失重。对于表面积较小的果蔬采用真 空加水预冷方法效果较好，比如增加喷淋装置等。真空加水预冷是对真空预冷比较困难的 果菜( 如番茄) 、根菜( 如萝卜) ，在真空室内向果蔬喷水，通过水分的蒸发间接进行冷却 的办法。 1 1 2 3 冷水预冷 冷水预冷是指将果蔬浸入冷水中，或者将冷水喷淋到果蔬表面以达到预冷目的的过程。 这是一种快速、有效的预冷方法。对于比如桃子、哈密瓜、苹果等果蔬冷水预冷可以方便 有效地除去果蔬的热量。冷水预冷不同于空气预冷，它几乎不会使果蔬失水。相反，如果 仪ji 。 i ! i jl 是轻微枯萎，冷水预冷有可能会在一定程度改善提高农产品品质。 冷水预冷的特点： 1 ) 使用水冷的产品应该保证被水或消毒剂浸泡后不会受到损坏。 2 ) 冷水预冷设备简单，操作方便，冷却速率快( 约为空气预冷的1 5 倍) ，无干耗，成 本低，适用于大批量的对农产品进行预冷。缺点是产品易受冷却水中细菌的污染，冷水预 冷的环境湿润容易促进微生物的繁殖，并会造成水溶性营养成分的流失。 3 ) 冷水预冷最大的安全隐患就是冷却水污染问题。循环冷却水在产品预冷后有害物质 不断积累，可能会污染产品。 4 ) 冷水预冷的一大优点是可以减少产品水分流失，及时补充产品水分。并且产品使用 空气预冷可能需要几个小时除去的田间热，使用水冷仅要半个小时左右。但是这种迅速的 冷水预冷需要大量的预冷水，相比空气预冷能源利用率较低。 5 ) 一般冷水预冷在水源洁净且充足的地区使用，不适于在缺水地区使用。 1 1 2 4 预冷方式的选择 预冷方法有很多种，在进行选择时，需要考虑果蔬的具体特点、成本、品质要求等因 素7 1 。预冷方法对于农产品的经济效益有重要影响。选择合适的预冷方式一般从以下方面 考虑1 8 1 。 ( 1 ) 根据不通果蔬的特性选择合适的预冷方式空气预冷对于大多数果蔬均适用，如 4 第一章绪论 大叶菜类、根茎类以及结球类果蔬等。针对高品质的叶菜类预冷可以考虑选用真空预冷方 法。对于水源洁净充足的地区，根茎类的果蔬可考虑使用冷水预冷。 ( 2 ) 根据农产品的经济效益选择合适的预冷方式对于品质要求较高和经济价值高的 果蔬可以采用成本高的预冷方式与设备。在面对多种预冷方式进行选择时，要根据市场需 求而定，高成本的设备往往预冷效果会更好些。 1 1 3 预冷对果蔬采后生理变化的影响 伴随着采摘、流通、加工等过程，果蔬内部的成分发生变化，导致果蔬色、香、味及 营养价值的变化。果蔬内部成分主要有水、糖、淀粉、维生素、色素等。果蔬在采摘后主 笠；e k 蔬内部的糖类等养分供呼吸作用消耗网。旺盛的呼吸作用会促进果蔬的新陈代谢， 加速果蔬内部营养物质的流失，同时加速果蔬的衰老和腐坏。 1 1 3 1 预冷对果蔬呼吸热的影响 呼吸热是果蔬进行呼吸作用分解体内有机物时，为了维持生命活动释放出的热量。果 蔬温度与呼吸热成正比，果蔬温度越低呼吸热越低，果蔬养分消耗越少。果蔬从田间采摘 后进行产地预冷可以迅速降低果蔬温度并减弱果蔬自身的呼吸热，延长保质期。 表1 1 部分果蔬在不同温度下的呼吸热【8 】 种类 甘蓝 莴苣 菠菜 甜玉米 胡萝b 草莓 1 1 - 1 5 1 4 - 3 9 4 4 - 5 1 6 9 - 1 1 9 2 2 - 4 7 2 8 - 4 1 1 8 - 2 8 3 0 - 4 6 8 0 - 1 3 3 9 9 1 9 2 2 9 - 6 1 3 8 - 7 7 3 至鑫 融 鸺 均 鹛 。 舶 咱 1 之 叫 盼 拇 溯 啪 m l 6 兰i 的 娩 m 捣 0 m m b 瑚 州 哪 螂 似 一 符 降 册 薹罨 睁 姒 第一章绪论 1 1 3 2 预冷对果蔬呼吸速率的影响 易腐产品的呼吸速率与果蔬新陈代谢速度成正比，因此降低产品呼吸速率对于保持产 品品质是十分重要的。由于呼吸速率受温度的影响较大，因此在贮藏前对产品进行预冷除 去田间热可以有效地降低产品的呼吸速率，减少品质的损失。研究中比较玫瑰采摘后温度 为o 。c 和2 0 。c 的呼吸速率，结果表明后者是前者的2 5 倍【l o 】。1 9 7 4 年，外国学者研究发现 鞫豳t9 5 的环境下呼吸速率为正常温度的一半，而低的呼吸速率可以大大提高葡萄在冷 链中的品质。 1 1 3 3 预冷对果蔬新陈代谢的影响 农产品品质下降与其新陈代谢过程息息相关。在农产品0 一- 3 5 。c 生理温度范围内，果蔬 品质下降速度随着温度的升高迅速加快。农产品温度平均上升l o ，农产品新陈代谢速度 增加2 倍。 1 2 差压预冷技术国内外研究现状 随着预冷技术的迅速发展，差压预冷工艺还存在一些亟待解决问题，如冷却速率较慢、 冷却均匀性较差、失水率较高等。因此，目前的差压预冷研究主要集中在提高预冷速率， 优化气流组织，降低系统的能耗。 预冷时间和冷却均匀性作为预冷效果的主要指标，其影响因素包括温度、风速、孔隙 率、开孔率、果蔬在箱内的摆放方式以及果蔬的热物性等。 1 2 1 预冷温度和风速对预冷效果影响的研究 陈天及、郭亚丽【1 2 】等人针对番茄差压预冷过程，研究了送风温度、风速、摆放方式以 及包装箱开孔大小对预冷速率的影响，分析了番茄差压预冷过程的规律，为番茄差压预冷 6 第一章绪论 的应用提供了理论依据。 刘凤珍、王强i 1 3 针对草莓差压预冷过程中包装箱的四种开孔形状( 椭圆、矩形、两端 为圆弧的矩形、圆形) ，研究在不同风速下草莓的预冷速率和压降。实验分析得到，在风速 较低的工况中，草莓的冷却时间随风速的增加变化较大。通过回归分析，首次定义了形状 因子s ，为草莓差压预冷中包装箱的开孔方式提供了依据。 黄健、刘峻【1 4 i 等人针对胡萝卜、黄瓜等圆柱形果蔬，研究差压预冷过程中圆柱形果蔬 的阻力特性。通过不同空气流量下的压降拟合出流动阻力系数s 的计算公式，为圆柱形果 蔬差压预冷优化气流组织提供了可靠依据。 刘斌、申江等人通过对差压预冷过程中预冷风速的分析，建立了预冷温度与风速和 强，翔j 能托戈系的模型。实验分析表明，在苹果差压预冷过程中，进行变风速预冷节能效果 较好。 王型1 6 1 等人针对葡萄差压预冷过程，运用渗透介质的流动分析了包装箱内的压力和流 体速度的分布，并且使用有限差分法对箱内流体速度分布和压力进行求解。研究表明，在 直径为2 0 m m 的巨峰葡萄差压预冷设计中，当开孔直径2 8 m m 、箱两侧差压为12 0 p a 时， 冷却效果较好。为葡萄的差压预冷过程中各参数的设定提供了理论依据。 刘晓东( 1 7 j 等人针对草莓垂直送风差压预冷方式进行试验研究，并且对垂直送风预冷进 行数值模拟。研究表明，垂直送风差压预冷具有预冷速率快、预冷均匀的特点，并且数值 模拟计算与实验结果吻合，为草莓垂直通风差压预冷提供了理论依据。 g a kw a y e 等人1 8 1 针对草莓差压预冷过程中预冷速率和预冷均匀度的影响因素进行试 验研究，并通过有限元法对草莓的差压预冷过程进行模拟。得出了r e 数以及压降( a p ) 和 预冷时间之间的关系。 m a n e a l e t l 9 1 等人针对根茎类蔬菜差压预冷，研究了土豆、胡萝卜、洋葱等蔬菜预冷 过程中的气流阻力特性，得出了气流速度与压差的对应关系，并且分析了气流阻力受风速 以及蔬菜所带泥土的影响。 1 2 2 包装箱工艺对预冷效果影响的研究 吕恩利2 0 1 等人针对番茄差压预冷过程中风速、包装箱长度和开孔率对包装箱两侧的压 差以及差压预冷装置能耗的影响进行实验研究。结果表明：包装箱开孔率越大，包装箱两 7 第一章绪论 侧压差越大；预冷设备的能耗和风速成线性关系；对不同长度包装箱的开孔率进行优化得 出适宜的取值范围。 王强、王伟锋2 1 1 等人针对果蔬差压预冷效果提出基于方差分析的均匀度作为预冷均匀 性的指标。分析了在黄金梨差压预冷中包装箱开孔形状和面积、排列方式、风速对包装箱 内预冷均匀性的影响。结果表明：黄金梨在包装箱上开圆孔且直径4 5 m m 左右时，预冷均 匀性较好。 杨州、赵春娥1 2 2 】等人针对龙眼差压预冷，研究不同包装箱开孔率及开孔形状对压力损 失的影响，研究表明包装箱矩形开孔比圆形开孔压力损失大，并且开孔率大于1 5 5 能耗 和压力损失均较低。 了强、刘凤珍【2 3 】等人针对葡萄差压预冷，研究不同开孔面积对葡萄预冷效果的影响， 研究表明，在葡萄差压预冷过程中包装箱开孔面积对预冷速率和预冷均匀性有重要影响。 王艳红【2 4 1 等人针对不同开孔方式差压预冷进行试验研究。研究表明，外部遮挡材料对 预冷速率影响很小：并且包装箱侧面为非均匀孔时的降温速率比均匀孔时快，对改善差压 预冷工艺效果提出了建议。 h u a n g 等人0 2 5 】比较分析果蔬在包装箱内不同摆放方式与包装箱两侧压力降的关系，进 而拟合出压力降和风速的关系： 卸：k 幸u ”r ( 1 1 ) 其中： 卸一压差，m m h 2 0 ； u 一风速，m s ： 三一包装箱高度，m ； k 、m 、1 1 为常数( 由实验测定) 。 1 2 3 果蔬预冷过程中传热模型的研究 刘斌、郭亚丽f 2 叼等人导出差压预冷过程的热平衡方程，从改善降温速率和压力降的角 度，分析番茄仔差压预冷过程中的最佳风速 郭亚丽、徐士鸣1 2 刀针对番茄差压预冷过程，运用多孔介质理论搭建了番茄差压预冷过 8 第一章绪论 程预冷箱内部流体流动的数学模型，并且利用有限元方法求解得到箱内流场分布，为进一 步温度分布的研究提供了可靠依据。 杨昭【2 8 1 等人针对巨峰葡萄差压预冷过程，运用集总参数法建立模型估算了葡萄的预冷 时间，并且通过实验对模型计算进行验证。研究表明，当冷库风速大于1 1 m s 时，可以使 用集总参数法估算葡萄的预冷时间，为优化葡萄差压预冷提供了可靠地利用依据。 刘峻【2 9 1 等人针对差压预冷系统建立了流体网格数学模型，对模型中的流体流动特性进 行了分析，而且通过实验验证了模型的精度和可用性。 何晖【3 0 1 等人建立了苹果差压预冷过程中包装箱的传热模型，通过计算和实验分析得出 所搭建的传热模型具有可行性，为优化苹果差压预冷提供了可靠地理论依据。 y , h r a e 手册【3 u 中针对预冷过程果蔬温度变化介绍了一种简便的算法。通过这种方法， 已知初始温度、送风温度、果蔬热物性以及对流换热系数可以求出预冷过程果蔬温度变化。 e m o n d 等人瞰使用中空填水的聚乙烯球代替相应大小的草莓，研究草莓预冷速率和预 冷均匀度的影响因素。聚乙烯球替代过程中，其热扩散率和草莓相似，增加了实验的可重 复性，并且实验结果具备参考价值。 b a k k e r - a r k e m a 等人3 3 】通过分析樱桃在差压预冷过程中的热量交换，得出樱桃与冷空气 在差压预冷过程中的传热传质模型，通过数值计算的方法得出樱桃核周围流场的温度和樱 桃内部分布温度。 c h a u 等人【3 4 1 针对单体球形果蔬建立了差压预冷过程中的传热传质模型，模型的建立过 程中考虑了果蔬的辐射热、呼吸热和蒸发冷却效应。并用有限差分法求解果蔬单体内部在 差压预冷过程中的温度场分布。 1 3 选题意义 果蔬的差压预冷效果的判断指标主要有预冷速率和预冷均匀度。如今，对于果蔬预冷 速率的分析研究有很多，但是对于预冷均匀度的研究较少。研究表明预冷均匀度较差的果 蔬会在流通过程中相互传热，造成果蔬的温度波动，降低果蔬品质，甚至可能造成二次腐 烂。因此，果蔬预冷均匀度和预冷速率的研究对于提高流通过程果蔬品质同样具有重要意 义。 类圆柱形果蔬如萝卜、黄瓜、茄子、冬瓜等营养价值丰富，是常见的果蔬，其产销量 第一章绪论 巨大。因此对于类圆柱形果蔬预冷过程的研究十分重要。以往差压预冷过程的研究多数是 针对球形果蔬，类圆柱形果蔬的研究较少。果蔬形状不同对于差压预冷工艺条件的要求也 不同。 由于类圆柱形果蔬轴向长度较长，在预冷过程中，箱内温度分布的均匀程度对类圆柱 形果蔬的影响较大。如果温度分布均匀性差，会导致同一个预冷单体不同部位的较大温度 差异。果蔬单体各部位的温度差异和不同单体之间的温度差异共同作用，可能导致果蔬的 腐坏或冻伤，严重降低果蔬的品质。然而，在以往的研究中，对类圆柱形果蔬预冷均匀性 的研究较少。 本文利用人工神经网络的方法对类圆柱形果蔬预冷过程进行模拟。这种模拟方法不需 一尊7 ；复j ? 的传热传质公式，通过实验样本数据对模型进行训练，得到输入条件与预冷效 果输出之间的非线性关系，从而比较精确地模拟类圆柱形果蔬的差压预冷过程。 1 4 课题研究内容 以白萝卜为对象，开展了类圆柱形果蔬差压预冷工艺的研究。本课题的研究工作主要 包括以下几个方面。 1 ) 以白萝卜为实验对象，设计四因素三水平值的正交试验。选取送风温度、风速、开 孔率、孔隙率作为变量，选取白萝卜的预冷速率和冷却均匀度作为评价指标。由正交试验 得出各因素对白萝卜差压预冷效果的影响程度。 2 ) 根据正交试验的结果，设计了白萝卜差压预冷的单因素变化实验，分析了预冷速率 和预冷均匀度在不同预冷条件下的变化规律。 3 ) 通过实验得到的样本数据对所选取的人工神经网络进行训练及优化。本文选取送风 温度、风速、开孔率、箱内孔隙率、时间、果蔬初始温度作为输入变量，选取差压预冷效 果作为输出条件，通过神经网络模型得到输入条件和输出条件之间的非线性映射关系，进 而对白萝卜差压预冷过程进行较精确地模拟。 1 0 第二章类圆柱形果蔬差压预冷理论分析 第二章类圆柱形果蔬差压预冷理论分析 2 1 果蔬热物性性质 果蔬的热物理性质是果蔬预冷技术研究中的重要参数。不同种类果蔬的比热容、焓、 热导率、热扩散率等热物理性质不同，预冷温度的要求、果蔬的预冷时间以及设备能耗也 不同。 2 1 1 比热容 对于含水量较高的蔬菜水果，则果蔬的含水量对比热容的数值有决定性影响。果蔬预 冷时的比热容近似估算公式如下所示： c ，= 1 6 7 2 + 2 5 0 8 c o ( 2 1 ) 其中：c p 一比热容，k j k g k ； 1 0 一果蔬内水的质量分数。 对于内部组分己知的果蔬，c h o i 等人根据果蔬内部组分的质量分数拟合出果蔬的比热容 估算公式如下所示： 勺2 善q ( 2 - 2 ) 其中：以一果蔬内部第i 种组分的质量分数； c 耐一果蔬内部第i 种组分的比热容，材堙。k 。 2 1 2 热导率 果蔬热导率的测量相对比热容复杂，热导率与果蔬的含水量、材料、组分以及均匀度 等有关。s w e e t 经过试验拟合出热导率和果蔬内部含水量的经验公式如下： a = 0 14 8 + 0 4 9 3 缈 ( 2 3 ) 第二章类圆柱形果蔬差压预冷理论分析 其中：a 一热导率；w i ( m k ) 缈果蔬内含水量。 2 1 3 热扩散率 果蔬的热扩散率是和密度、热导率、比热容相关的一个参数，其关系可表示为： a 口= p cp ( 2 - 4 ) 其中：o r 一热扩散率m 2 s ； 果蔬的热扩散率与果蔬的含水量密切相关，因此可以用下述经验计算式估算果蔬的热 扩散量： ( 1 ) d i c k e r s o n 计算式： 口= 0 0 8 8 x 1 0 “+ ( 吼一0 0 8 8 1 0 “) 饥 ( 2 5 ) 其中：吼一果蔬内水分的热扩散率朋2 s ： q 一果蔬内部水分的质量分数。 ( 2 ) m a r t e n 计算式： 口= 0 0 5 7 3 6 3 国+ o 0 0 0 2 8 ( t + 2 7 3 ) x 1 0 。6 ( 2 6 ) 2 2 类圆柱形果蔬预冷过程传热方式 2 2 1 果蔬预冷过程传热的基本方式 预冷是果蔬冷藏前短时间降温的过程。果蔬预冷过程中的热量传递主要有两种形式： 果蔬内部的导热和果蔬与冷空气间的对流换热。 ( 1 ) 导热 导热过程遵循傅里叶定律。果蔬预冷过程中，果蔬表面温度下降速率最快，果蔬内部 热量由中心传递至表皮，果蔬表皮和中心由于温度差形成温度梯度。根据傅里叶定律得出 预冷过程中果蔬内部的导热方程3 5 】： l 第二章类圆柱形果蔬差压预冷理论分析 9 ：一五彳_ = o t 一 出 其中：q 一通过截面a 的热流量w ； 兄果蔬的热导率，( 坍k ) ： ( 2 7 ) 彳一垂直于导热方向的截面积，m 2 ； 娶温度梯度，k i m 。 0 x ( 2 ) 对流 冷空气与果蔬表皮的热量传递主要以对流换热的形式进行。差压预冷过程中的对流换热 泵糟7 秽：，：i 气的流态、物性以及果蔬换热表面的状况有关。当冷空气的流速小于l m s 时， 对流换热系数通常为1 7 w ( m 2 k ) 2 3w ( m 2 k ) ；当冷空气的流速大于l n g s 时，对流 换热系数通常为2 9 3 4 w l ( m 2 k ) 。可使用牛顿冷却定律方程来表示： q = h a a t ( 2 - 8 ) 其中：9 一对流换热量，w ； j i ，对流换热系数，w ( m 2 k ) ； 彳换热面表面积，m 2 ； a t 一冷空气与果蔬表面温差，k 。 2 2 2 类圆柱形果蔬预冷过程传热计算 2 2 2 1 类圆柱形果蔬预冷过程内部的温度分布 假设类圆柱形果蔬内部非稳态导热过程只与径向坐标和时间有关，即萝h 受度l 与萝 b 半径之间的关系是l r ，则导热微分方程则为【3 5 】： a 2 t 1o t 1o t 。一 a 2 ，ro r ao t ( 2 9 ) 采用过余温度0 = 丁一咒，则果蔬内部温度分布导热微分方程为： 第二章类圆柱形果蔬差压预冷理论分析 a 2 01a o1a o 一8 2 r + 了一o r2 一a o t 边界条件为： r = o 时，臼是有界值； f 眦加+ 五警= 。 t = o 时，9 = o o ( 2 1 0 ) 使用分离变量法求解上述方程，得到采用过余温度表示的果蔬内部温度分布的解： 其中： j o ( f l , r ) 一第一类零阶贝塞尔函数。 j o ( 屈，) 上述公式可用第一项的职位温度分布的近似值： 旦：2 p 帑“：垒亟堂2 皖( 2 + b i 2 ) 厶( ) 2 2 2 2 类圆柱形果蔬预冷时间估算 ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 果蔬的预冷时间采用类圆柱形果蔬的平均温度计算，果蔬的平均温度方程可表示为3 5 】： 于= 去r 2 胛( ，伽， 根据贝塞尔函数的性质麒以( 以) = b 讥( h ) 由此得出果蔬预冷过程平均温度的计算式： 旦兰生一 ! 丝 p 一( ；舳 t o 一疋一z 2 ( 2 + 曰f 2 ) 经整理得到由果蔬平均温度计算得到的预冷时间： ，- o 筋6 5 譬郴+ 半他特心而4 b i ， 1 4 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 第三章白萝h 差压预冷各影响因素实验研究 第三章白萝l 、差压预冷各影响因素实验研究 本章将对差压预冷的送风温度、风速、开孔率、孔隙率四种因素对于预冷效果的影响 进行讨论，采用正交试验方法进行试验研究，得出这些影响因素对差压预冷影响程度的关 系。 3 1 正交试验方法简介 正交试验是利用正交试验表对实验进行整体设计，通过最少的实验次数较好的代表全 衄试验，通过对实验结果进行综合比较和统计分析，找到较好的生产条件，以达到优化生 产工艺的效果。正交试验表可以实现多因素变化时的均匀抽样，表中选择出具有代表性的 水平组合，目的是以较少的实验次数使得实验结果可以较好地全面地反映所研究事物的规 律。 正交试验表可用l 。( t 。) 表示，其中l 是正交试验表的符号，n 为试验次数，t 为正交 试验各因素水平值，c 为试验因素个数。例如l 9 ( 3 4 ) 表示一个四因素，每个因素分别有 三水平的正交试验，一共需做九组试验。如果按照常规实验方法，则需要做8 l 组实验。因 此正交试验有效地减少了不必要的试验次数。 3 2 实验方案设计 3 2 1 差压预冷正交试验中因素、指标、水平值的选取 3 2 1 1 实验因素选取 ( 1 ) 送风温度 差压预冷效果受送风温度的影响很大。差压预冷过程中送风温度越低，冷却时间越短， 降温速率越大。研究表明，在番茄的差压预冷过程中，当送风温度下降2 时，其预冷时 间约缩短3 0 ；当送风温度降低5 c 时，预冷时间约缩短4 8 ；并且，一定的时间内，送 风温度低的番茄的预冷终温较低【3 6 】。 15 第三章自萝卜差压预冷各影响因素实验研究 ( 2 ) 风速 随着风速增大，果蔬预冷速率也将增大，但是当风速增大到一定程度时果蔬预冷速率 的变化受风速的影响程度变小。同时，对于容易失水的果蔬的预冷过程，风速不宜过大。 考虑到以上原因以及能耗，在果蔬预冷过程中存在最佳风速。 ( 3 ) 开孔率 果蔬包装箱的开孔率对果蔬预冷均匀度和的预冷速率影响很大，并且对包装箱内压降 的变化有较大影响。当包装箱开孔形状为圆形孔对预冷包装箱内压降影响最小，预冷效果 最好。对于圆形果蔬的预冷，随着开孔率的增大预冷速率增大，当开孔率增大到一定程度 后，预冷降温速率逐渐趋于平缓1 3 7 。 4j 瓦隙率 预冷箱内按照一定摆放方式放置的果蔬可以视为一种多孔介质。包装箱内果蔬的孔隙 率是指包装箱体积与果蔬总体积之差占包装箱体积的比率。孔隙率对果蔬预冷速率和预冷 均匀度的影响都很大。 孔隙率的计算公式为： 其中：驴一孔隙率： k 一箱内白萝卜总体积； 匕一包装箱体积； m 一包装箱内白萝卜的重量； p 一白萝b 的密度。 ( 3 一】) ( 3 - 2 ) 孔隙率不同形成箱内果蔬之间的气流通道不同。对于圆形果蔬，在包装箱入口处由于 孔隙较小，入口处风速较大：随着包装箱内部孔隙增大，箱内风速越来越小，直到冷空气 出口附近风速才逐渐增加。包装箱内孔隙率的变化会使包装箱内的流场发生变化，使包装 箱四个角处的回流区域和内部各处的风速大小发生变化，进而影响预冷速率和均匀性。 1 6 k 一以 ：， 一， 竺p l i = 妙 k 第三章白萝h 差压预冷各影响因素实验研究 在相同的孔隙率下，类圆柱形果蔬的排列方式对差压预冷效果也有一定的影响。一般 分为顺排和横排。果蔬轴向与冷空气流动方向一致时叫做顺排；轴向与冷空气方向垂直时 叫做横排。包装箱内果蔬顺排时的阻力相对横排时阻力较小，预冷效果较好。 3 2 1 2 实验指标选取 果蔬进行差压预冷的主要目的是使果蔬快速、均匀地降温，以保证果蔬在流通中的品 质，减少损失。 被冷却物的降温时间是影响差压预冷效果的重要因素。在农作物采摘后，迅速地除去 田间热，减少农作物新陈代谢和呼吸作用的自身损耗，从而最大限度的起到保鲜保质的作 _ ，；，乃顶羚之后的冷链流通提供好的开端。 预冷过程中，果蔬预冷一般是先快速降温，降至与送风温度接近时降温速率越来越缓 慢。另外，在送风温度不同的条件下，直接使用果蔬从初温降至终温的时间不能有效地比 较预冷效果。因此，为了较准确地反映预冷过程中的降温时间，可以使用7 8 预冷时间作 为预冷效果的判据之一。7 8 预冷时间是预冷过程中预冷对象温度与送风温度的差值为预冷 对象初始温度与送风温度差值的1 8 时所对应的预冷时间。在7 8 预冷时间之中降温比较明 显，7 8 预冷时间之后果蔬降温趋势趋于平缓。为了便于果蔬在初始温度不同时预冷效果的 比较，正交试验采用7 8 预冷时间内的平均预冷速率作为预冷效果的判据之一。7 8 预冷时 间时对应果蔬预冷温度和平均预冷速率的公式如下： c 一乙 1 i = 一 巧。一乙8 其中：一预冷对象温度( ) 一送风温度( ) 乙。一预冷对象初始温度( ) v ：t p o - t p f 其中：f 一7 8 预冷时间( h ) 1 ，一7 愿预冷时间内平均降温速率( 1 1 ) 1 7 ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) 第三章白萝p 差压预冷各影响因素实验研究 同时，包装箱内被冷却物的温度均匀度也是影响差压预冷效果的重要因素。箱内温度 均匀度受到送风温度、风速、开孔率以及孔隙率的影响，并且随之变化。箱内果蔬温度随 冷空气流动方向有很大变化，箱内冷空气入口处温度最低，包装箱四角以及中间稍偏出口 处温度较高。果蔬预冷不均匀会造成预冷后的冷链流通过程中果蔬之间互相传热，可能造 成部分果蔬的温度回升，增大了流通温度波动，容易造成果蔬的腐坏变质。果蔬预冷过程 中温度不均匀还有可能导致同一批果蔬中的一部分在预冷过程仍未达到适宜预冷温度时， 另一部分已经出现局部冻伤现象。 预冷过程包装箱内部温度的均匀度可以由各测点测得的温度通过计算得到。均匀度可 以使用标准方差表示。标准方差在数理统计方法中可以很好地表示数据离散程度。因此， t 。| 。 j ”篁可由以下公式计算： 1 ( r 2 = f 一1o 仁i 菩 ( 3 5 ) ( 3 - 6 ) 式中：盯一整体萝卜均匀度； ，一白萝b 个数； t ，一第i 个白萝卜的温度，； t 一箱内白萝卜的总平均温度，； 由公式( 3 3 ) ( 3 - 4 ) 得到的冷却均匀度仃可以有效地表示包装箱内果蔬预冷过程的 温度不均匀情况，冷却均匀度盯的数值越小表示包装箱内果蔬温度分布越均匀。 基于差压预冷过程的特点，正交试验的实验指标选择预冷过程中7 8 预冷时间以及最大 均匀度来表示白萝b 差压预冷实验效果。 3 2 1 3 实验水平值选取 本实验的实验对象为白萝卜，白萝卜的冷藏温度一般在o c 较为适宜。一般预冷温度高 于冷藏温度，因此选择3 c 、5 c 、7 作为实验送风温度。预冷过程中如果风速过大，易 使白萝卜失水过多；而预冷过程过小，萝卜的冷却速率又会太慢，本实验选取适中的风速， 1 8 第三章白萝卜差压预冷各影响因素实验研究 即0 2 6 m s 、0 3 l m s 、o 3 3 m s 。本实验中箱内孔隙率的变化，主要是通过白萝卜个体大小 的不同进行调节，选取的实验对象的孔隙率分别为o 6 1 、o 5 8 、o 5 7 。 在正交试验中包装箱的开孔方式取三个水平，三种开孔方式都是在果蔬包装箱的迎风 面及对立面打孑l 。实验用包装箱的尺寸为0 2 5 m 0 2 8 m 0 4 1m ( 高宽长) 。由于包装 箱的迎风面积和箱子本身的强度的限制，本实验的面积开孔率选择0 0 8 、0 1 0 、o 1 1 。 包装箱开孔率为0 0 8 时，包装箱两侧面开孔三排三列，第一排和第二排的孔径为 m 2 5 m m ，第三排的孔径为q 3 5 m m 。两侧开孔总面积为0 0 0 5 8 3 2m 2 。开孔方式如图3 1 所 不。 图3 1 包装箱开孔率为0 0 8 时的开孔方式 包装箱开孔率为0 1 0 时，包装箱两侧面开孔三排三列，第一排和第二排的孔径为 m 3 0 m m ，第三排的孔径为m 3 5 m m 。两侧开孔总面积为0 0 0 7 7 1 2m 2 。开孔方式如图3 2 所 示。 1 9 第三章自萝i - 差压预冷各影响因素实验研究 图3 2 包装箱开孔率为0 1 0 时的开孔方式 包装箱开孔率为0 1 1 时，包装箱两侧面开孔三排三列，第一排和第二排的孔径为 0 3 2 m m ，第三排的孔径为q ) 3 5 m m 。两侧开孔总面积为0 0 0 8 6 5 9m 2 。开孔方式如图3 3 所 刁o 图3 3