孔板送風(fēng)——冷藏保鮮中的新型送風(fēng)方式

趙 磊 范 凱

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011；2.海軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表局 上海200135）

引 言

船舶冷庫溫度的波動及庫內(nèi)送風(fēng)方式對冷庫內(nèi)食品的保存期影響較大。溫度的波動會刺激果蔬增強(qiáng)呼吸作用，加速其自身的成熟，縮短果蔬的保鮮周期［1］。目前設(shè)計(jì)冷庫的溫度波動范圍為±2℃［2］，如果設(shè)計(jì)溫度點(diǎn)在2℃時(shí)，那庫內(nèi)溫度范圍就在0℃～ 4℃之間，其間有4℃溫差，在此環(huán)境下果蔬呼吸作用會加劇，加速自身的成熟進(jìn)程，不易長期保存。冷庫送風(fēng)方式大多采用為冷風(fēng)機(jī)側(cè)送風(fēng)方式。由于每個(gè)冷庫內(nèi)冷風(fēng)機(jī)設(shè)置數(shù)量有限，會造成庫內(nèi)氣流組織不均勻，庫內(nèi)不同位置溫度相差過大，并且冷風(fēng)機(jī)送風(fēng)口處風(fēng)速過高。當(dāng)大量蔬果采摘后堆放在冷庫內(nèi)，局部缺少通風(fēng)散熱裝置時(shí)，由于呼吸熱無法散出，從而導(dǎo)致蔬果自身溫度升高，進(jìn)而又刺激了呼吸、產(chǎn)生更多的呼吸熱，加速產(chǎn)品腐敗變質(zhì)。此外，空氣流動會帶走積聚在果品蔬菜表面附近的水分，加大果品蔬菜內(nèi)外相對濕度的差異，使果品蔬菜水分散失加快，造成果蔬的萎蔫，風(fēng)速愈大，水分散失也愈快［3］。

如果能控制好冷庫內(nèi)溫度波動范圍，并盡量降低庫溫設(shè)定點(diǎn)但又不得低于果蔬冰點(diǎn)溫度，最大限度抑制果蔬呼吸作用，同時(shí)優(yōu)化庫內(nèi)氣流組織，減少庫內(nèi)氣流場死角，控制庫內(nèi)氣流速度，使庫內(nèi)果蔬充分冷卻的同時(shí)還能減少果蔬的水分流失，就能大幅度提高庫內(nèi)果蔬保鮮周期。

新的研究和理論分析表明［4］，孔板送風(fēng)所形成的上送風(fēng)下回風(fēng)的送風(fēng)方式，最易實(shí)現(xiàn)冷庫內(nèi)近似活塞流，而活塞流具有極佳的送風(fēng)均勻性，同時(shí)上送風(fēng)、下回風(fēng)最大限度地克服了庫內(nèi)貨架對送風(fēng)氣流的阻擋作用，可徹底消除送風(fēng)死角，實(shí)現(xiàn)庫內(nèi)溫度均勻及溫度波動最小化。為了驗(yàn)證此種孔板送風(fēng)方法的實(shí)際效果，得出冷庫內(nèi)實(shí)際溫度波動范圍，以及對主要經(jīng)常食用的果蔬類食品的保鮮效果，我們開展了庫內(nèi)溫度場和速度場的模擬計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證工作。

1 孔板送風(fēng)形式溫度場和速度場的模擬計(jì)算

為了驗(yàn)證此種孔板送風(fēng)方法的實(shí)際效果，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件，我們首先開展試驗(yàn)庫內(nèi)流場和溫度場的模擬計(jì)算工作，為冷庫送風(fēng)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。

試驗(yàn)冷庫內(nèi)部尺寸為17 850 mm（長）×8 500 mm（寬）×3 000 mm（高），采用天花板夾層格柵送風(fēng)方式，格柵與冷庫頂板間為200 mm的夾層靜壓箱。冷庫內(nèi)設(shè)有8個(gè)冷風(fēng)機(jī)組，每個(gè)冷風(fēng)機(jī)組包含送風(fēng)口和回風(fēng)口，冷庫內(nèi)氣流組織的形式采用新型送風(fēng)方式上送風(fēng)、下回風(fēng)，即由冷風(fēng)機(jī)組送風(fēng)進(jìn)入頂部夾層內(nèi)部，再由夾層靜壓箱下部布置的格柵送風(fēng)口向下送風(fēng)；回風(fēng)口在距冷庫底部高度為500 mm處。夾層靜壓箱和格柵用于實(shí)現(xiàn)送風(fēng)的均勻性，同時(shí)格柵上鋪設(shè)過濾均流層，用于進(jìn)一步調(diào)整出風(fēng)的均勻性。為實(shí)現(xiàn)仿真計(jì)算與現(xiàn)實(shí)情況相符合，綜合考慮夾層內(nèi)部區(qū)域，包括天花板夾層格柵對流體阻力的問題，可模擬夾層格柵的不同送風(fēng)速度。將冷風(fēng)機(jī)組的送風(fēng)口作為流體入口，在此基礎(chǔ)上研究這一工況下冷庫內(nèi)部的流場和溫度分布。冷庫物理模型如圖1所示。

圖1 新型送風(fēng)方式的冷庫物理模型

該冷庫由壁面1～4、地板、8個(gè)送風(fēng)口、8個(gè)回風(fēng)口和頂部天花板以及穿孔送風(fēng)板組成，冷風(fēng)機(jī)組靠近墻壁2和墻壁4放置，冷風(fēng)機(jī)組向上面的頂部夾層內(nèi)送入冷空氣，再由天花板夾層格柵將冷空氣送入每排冷藏架內(nèi)冷卻蔬菜，最終從底部回風(fēng)口回風(fēng)。傳統(tǒng)送風(fēng)方式的冷庫物理模型中冷藏架間隔兩端分別布置三個(gè)掛式冷風(fēng)機(jī)組給冷庫送風(fēng)，送風(fēng)口向冷藏架間隔內(nèi)送入冷卻空氣，回風(fēng)從布置在靠近墻壁的回風(fēng)口回去。如圖1所示，x軸的方向?yàn)槔洳丶芘帕蟹较?，z軸的方向?yàn)槔洳丶艿母叨确较颉?/p>

1.1 冷庫溫度分布比較

在制冷工況下，孔板送風(fēng)不同平面溫度的比較參見下頁圖2 -圖5（溫度值范圍為272 K～280 K）。

分析圖2 -圖5溫度分布可知，上送下回送風(fēng)方式絕大部分區(qū)域溫度為273 K，最高溫度為280 K。在上送下回送風(fēng)方式下，冷庫內(nèi)部整體區(qū)域溫差較小且分布相對均勻，因此冷庫內(nèi)部冷藏區(qū)不會產(chǎn)生局部高溫，但近墻壁區(qū)域溫度偏高。

圖2 x=1 m、x=10 m、x=17 m處的平面溫度

圖3 y=2.1 m、y=4.25 m處的平面溫度

圖4 z=0.3 m、z=2 m、z=3 m處的平面溫度

圖5 冷庫儲藏架每排儲藏架的表面溫度

1.2 冷庫內(nèi)氣流速度分布比較

下頁圖6 -圖8為冷庫內(nèi)氣流速度比較圖?？梢?，頂板送風(fēng)方式下，冷庫內(nèi)部風(fēng)速較小且分布均勻，頂板送風(fēng)口風(fēng)速較小，沒有射流。而頂板送風(fēng)方式下的中間位置氣流速較大，這是由于夾層內(nèi)部有梁，流體進(jìn)入夾層并撞擊梁，從而導(dǎo)致中間位置的氣流速度較快。

分析仿真模擬的溫度分布，在考慮冷庫四壁熱傳導(dǎo)條件和蔬果自身發(fā)熱量的情況下，冷庫內(nèi)絕大部分區(qū)域溫度波動不超過±0.8℃，可將冷庫溫度控制精度在±1℃以內(nèi)。分析仿真模擬的速度場，在考慮了夾層格柵送風(fēng)量不均勻的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值模擬表明，冷庫內(nèi)絕大部分區(qū)域氣流速大小不超過0.1 m/s，只是在靠近回風(fēng)口處氣流速超過0.1 m/s，且不存在傳統(tǒng)冷庫可能存在的局部送風(fēng)死角的問題。

圖6 x=1 m、x=10 m、x=15 m處的平面速度

圖7 y=2.1 m、y=4.25 m處的平面速度

圖8 z=0.3 m、z=2 m、z=3 m處的平面速度

由上述冷庫溫度場和速度場的數(shù)值模擬結(jié)果可知，采用天花板格柵送風(fēng)，底部回風(fēng)的方式能夠基本滿足冷庫對溫度均勻性和速度均勻性的要求。

2 孔板送風(fēng)實(shí)體冷庫試驗(yàn)

經(jīng)過前期的數(shù)值模擬計(jì)算后，搭建試驗(yàn)冷庫，該庫體實(shí)際凈面積為150 m2、凈高2.9 m。冷庫庫體采用聚氨酯保溫庫板，厚度為150 mm。庫底板采用承壓型庫板，側(cè)板和頂板采用雙層彩鋼板，房頂部布置200 mm厚的送風(fēng)夾層，采用孔板送風(fēng)方式。庫內(nèi)冷風(fēng)機(jī)、貨架等設(shè)備的布置均同數(shù)值模擬模型一致。

冷風(fēng)機(jī)坐地安裝在庫房兩側(cè)，其上接送風(fēng)管路，通過天花板格柵向庫房送風(fēng)，回風(fēng)則采用冷風(fēng)機(jī)下部回風(fēng)（見圖9）。

圖9 冷庫送回風(fēng)示意圖

制冷工況時(shí)，冷風(fēng)機(jī)全部投入運(yùn)行；維持工況時(shí)，半數(shù)冷風(fēng)機(jī)運(yùn)行。試驗(yàn)室設(shè)置數(shù)據(jù)采集裝置，可監(jiān)控冷藏系統(tǒng)的運(yùn)行情況，并記錄數(shù)據(jù)。試驗(yàn)系統(tǒng)的照片見圖10-圖12。

圖10 試驗(yàn)庫外形照片

圖11 壓縮冷凝機(jī)組照片

圖12 送風(fēng)孔板及加濕管照片

冷藏系統(tǒng)的溫度設(shè)定范圍為0℃～5℃，庫房的濕度控制在80%～90%，試驗(yàn)考核時(shí)間為45天，試驗(yàn)數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集儀自動記錄，整個(gè)庫房的溫度控制精度見圖13。

圖13 庫房溫度控制精度

可見，整個(gè)庫房的溫度精度控制在±0.5℃以內(nèi)，庫內(nèi)溫度場非常均勻。此外，利用風(fēng)速儀實(shí)測，發(fā)現(xiàn)冷庫內(nèi)大部分區(qū)域氣流速度都在0.1 m/s以內(nèi)。

3 保鮮試驗(yàn)

結(jié)合冷庫內(nèi)氣流場及溫度場試驗(yàn)，我們進(jìn)行了經(jīng)常食用的果蔬品種保鮮試驗(yàn)。試驗(yàn)蔬菜品種多達(dá)16種，水果品種3種。首次入庫時(shí)對每箱蔬菜進(jìn)行編號并稱重，裝箱前葉菜挑除黃葉和爛葉，瓜果類蔬菜挑除腐爛果實(shí)，不進(jìn)行其他處理。庫房溫度控制在0℃±0.5℃，相對濕度控制在80%～90%。

入庫20天后，發(fā)現(xiàn)米莧、茼蒿、菠菜、空心菜和雞毛菜表面濕潤，部分葉片有腐爛現(xiàn)象，將抽樣箱中的腐爛菜葉挑除，進(jìn)行稱重記錄后繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。其他葉菜，如青菜、芹菜、杭白菜、油麥菜等色澤鮮綠，葉片無腐爛黃化。

入庫26天時(shí)，發(fā)現(xiàn)米莧、茼蒿、菠菜、空心菜和雞毛菜腐爛比例有所提高，上述幾種菜品全部出庫停止試驗(yàn)，其他菜品幾乎無明顯變化，試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行。

入庫34天時(shí)，生菜個(gè)別葉片頂部出現(xiàn)縮水現(xiàn)象，但整體顏色鮮綠，其他幾箱生菜均情況良好。青菜、芹菜、杭白菜、油麥菜、芥藍(lán)、花菜情況普遍較好。青椒色澤鮮艷、無凍傷斑點(diǎn)，西紅柿、蘋果、梨和桃子狀態(tài)良好。

保鮮試驗(yàn)的第45天，作為試驗(yàn)結(jié)束點(diǎn)，我們對各種果蔬進(jìn)行檢查并統(tǒng)計(jì)可食用率。出庫時(shí)的蔬菜情況匯總見表1。

表1 45天出庫果蔬情況匯總

在保鮮試驗(yàn)期間，我們委托上海海洋大學(xué)進(jìn)行果蔬營養(yǎng)成份跟蹤測試，主要測試項(xiàng)目有維生素C含量、葉綠素含量（葉菜類）、粗纖維（葉菜類）、含水量等的變化。跟蹤測試每隔5～7天進(jìn)行一次送樣，送樣果蔬采用20 mm厚的泡沫箱存放，底部放置厚度約為70 mm的冰袋以營造低溫環(huán)境，并用硬質(zhì)吸水紙進(jìn)行隔離，防止水分影響測試結(jié)果（見圖14）。

圖14 送樣箱內(nèi)部分果蔬

在47天的試驗(yàn)周期內(nèi)，挑選了具有代表性的幾種蔬果，分別在試驗(yàn)開始后的第1天、第14天、第25天、第30天、第40天和第45天，進(jìn)行了6次營養(yǎng)成分測試。

通過測試的結(jié)果分析，果蔬在0℃的溫度下，隨著貯藏時(shí)間的延長，不同種類蔬菜的維生素C變化基本上呈現(xiàn)下降趨勢，但下降幅度的快慢有所不同。芹菜、生菜、蘋果和桃子維生素C的初始含量相對其他種類的蔬菜較低，青菜的VC初始含量最高。在整個(gè)貯藏期間，芹菜、蘋果、生菜和桃子的維生素C基本維持在一個(gè)較低水平，隨著貯藏時(shí)間的延長，維生素C降幅不大，差異性不顯著。青菜、花菜、辣椒、蘿卜的維生素C含量均呈下降趨勢。

測試葉綠素含量后發(fā)現(xiàn)：青菜在貯藏過程中葉綠素含量波動比較明顯，最終呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢；［5］生菜在貯藏過程中葉綠素含量的變化程度不是很大；芹菜的葉綠素含量在貯藏過程中平穩(wěn)下降，并在所測的葉菜中下降的幅度較大。在被測冷藏葉菜中，芹菜葉綠素較易損失。

測試粗纖維含量后發(fā)現(xiàn)，芹菜儲藏過程中粗纖維含量相對減少。在儲藏后期，呼吸作用導(dǎo)致芹菜纖維素分解以供代謝消耗，儲藏45天期間，粗纖維減少40%左右，但仍可被接受。

果蔬中的水分測試結(jié)果顯示，不同種類果蔬自由水含量相差較大。其中，桃子和蘋果的自由水含量明顯呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且相對自由水含量小于蔬菜類；蘿卜和卷心菜表現(xiàn)出略微增大的趨勢；其他蔬菜基本不變。

營養(yǎng)成份的跟蹤測試顯示：當(dāng)儲存到第45天時(shí)，青菜、生菜等葉菜的外觀狀態(tài)良好，仍可食用，僅菠菜在第三次測試（即第25天）因腐爛而無法食用；球莖類蔬菜（如花菜）以及蘿卜、桃子和蘋果等其他果蔬均仍可食用。

上述果蔬品種在普通冷藏庫內(nèi)保鮮儲藏時(shí)間一般都在7～15天（蘋果除外）。通過本次果蔬保鮮試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，采用孔板送風(fēng)形式的冷藏庫，庫溫控制在0℃±0.5℃，大部分蔬果都可保鮮貯藏至45天以上，大幅度提高了果蔬的食用周期。

4 結(jié) 論

冷庫采用孔板送風(fēng)方式不僅能有效減小傳統(tǒng)冷庫內(nèi)的溫度波動范圍，同時(shí)能降低冷庫內(nèi)氣流速度，從而減少了果蔬的干耗，延長果蔬的保鮮周期。此外，采用孔板送風(fēng)方式，果蔬的營養(yǎng)指標(biāo)也好于常規(guī)冷藏庫內(nèi)的果蔬。此種送風(fēng)方式可實(shí)現(xiàn)以較少的投入達(dá)到較好的保鮮效果，因此，在今后的船舶果蔬冷庫的設(shè)計(jì)應(yīng)用中有較好的推廣前景。

［1］陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007：1257.

［2］艦船通用規(guī)范5組輔助系統(tǒng) ［S］. 73.

［3］張化面.MAP氣調(diào)保鮮技術(shù)在現(xiàn)代船舶上的應(yīng)用分析［J］.船舶，2013（6）：61-64.

［4］郭亞利，劉斌，沈勝強(qiáng).微型冷庫內(nèi)送風(fēng)方式與果蔬預(yù)冷的研究［J］.熱科學(xué)技術(shù)，2005（2）：28-32.

［5］謝晶，張利平，蘇輝.上海青蔬菜的品質(zhì)變化動力學(xué)模型及貨架期預(yù)測［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013（15）：271-3278.