兩種噴嘴結(jié)構(gòu)對沖擊式速凍機(jī)流場及換熱特征的影響

王金鋒 - 李文俊 - 謝 晶 g 楊大章 - 柳雨嫣U - 陸衛(wèi)華 - 楊曉燕 -

(1. 上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306；2. 農(nóng)業(yè)部冷庫及制冷設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心， 上海 201306；3. 上海冷鏈裝備性能與節(jié)能評價專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺，上海 201306；4. 食品科學(xué) 與工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(上海海洋大學(xué))，上海 201306；5. 上海水產(chǎn)品加工及貯藏工 程技術(shù)研究中心，上海 201306；6. 南通四方冷鏈裝備股份有限公司，江蘇 南通 226371)

為提高速凍食品的品質(zhì)及產(chǎn)量，高效速凍設(shè)備的研發(fā)一直以來深受行業(yè)內(nèi)關(guān)注。使用空氣作為冷卻介質(zhì)，是目前最常用的方法。通常，提高食品凍結(jié)速率的方法主要有降低送風(fēng)溫度、提高送風(fēng)速度，但當(dāng)溫度降低到一定程度時，繼續(xù)降低制冷劑蒸發(fā)溫度將使設(shè)備性能系數(shù)(COP)大幅降低。因此，當(dāng)蒸發(fā)溫度一定時，提高送風(fēng)速度，能有效地提高食品的凍結(jié)速率。

在同樣空氣循環(huán)量的前提下，通過優(yōu)化送風(fēng)結(jié)構(gòu)，使空氣在局部區(qū)域產(chǎn)生高速氣流，是目前提高送風(fēng)速度的常用方法，這在沖擊式速凍機(jī)中尤為重要，因?yàn)椴煌螤畹乃惋L(fēng)結(jié)構(gòu)及尺寸對凍品表面換熱以及凍結(jié)區(qū)域的氣流組織將產(chǎn)生較大影響。Katti等[1]研究了噴嘴(直徑為d)與目標(biāo)板面的距離為d，2d，3d時板面的努塞爾數(shù)(Nusselt number, Nu)分布情況，結(jié)果表明，順氣流方向Nu數(shù)在相鄰滯止點(diǎn)之間呈波狀分布，且波的衰減速率在噴嘴與板面間距為3d時達(dá)到最大，波的衰減是由橫流導(dǎo)致。Hebert等[2]研究了陣列噴嘴條件下，順氣流流動方向的壓力梯度分布，其結(jié)果表明，順氣流方向的壓力梯度改變了流體的流動狀態(tài)，是影響換熱系數(shù)的重要原因。Bernhard等[3-4]研究了橫流效應(yīng)從強(qiáng)到弱，及噴嘴與板面的距離對目標(biāo)板面換熱性能的影響，結(jié)果表明噴嘴與目標(biāo)板面距離越短，橫流效應(yīng)越弱時，板面的換熱系數(shù)越大；同時考慮了目標(biāo)板面的粗糙度對換熱性能的影響，結(jié)果表明粗糙板面的表面Nu數(shù)比光滑表面Nu數(shù)明顯增大。Lee等[5-8]系統(tǒng)研究了寬度B為1 mm，橫縱比y/B為50的條縫噴嘴在噴嘴與板面間距H=0.75～12.5 mm，雷諾數(shù)Re=120～200，沖擊板面滯止點(diǎn)的Nu數(shù)分布，結(jié)果表明，Re數(shù)越大換熱系數(shù)越大，當(dāng)H=2 mm時，沖擊板面Nu數(shù)達(dá)到最大值，此時橫流對板面?zhèn)鳠嵊绊戄^小。Choo等[9]研究了不同尺寸的條縫噴嘴在雷諾數(shù)Re范圍為150～5 000對沖擊板面換熱性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)Re<2 500時，微尺寸條縫噴嘴(條縫寬度<200 μm)與較大尺寸條縫噴嘴相比換熱性能差異不大，當(dāng)Re>2 500時，局部Nu數(shù)峰值往下游方向偏移，并且噴嘴與目標(biāo)板面的距離是影響換熱系數(shù)的關(guān)鍵。

總結(jié)前人的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在沖擊式速凍機(jī)中影響沖擊板面的換熱性能主要有以下幾個因素：① 噴嘴形狀與尺寸；② 送風(fēng)速度；③ 噴嘴與沖擊板面間距；④ 橫流效應(yīng)強(qiáng)弱；⑤ 沖擊表面粗糙度。本研究團(tuán)隊(duì)在優(yōu)化設(shè)計沖擊式速凍機(jī)設(shè)計中提出了對冷空氣出風(fēng)噴嘴的創(chuàng)新，本試驗(yàn)以提出的V型條縫噴嘴和平直條縫孔板為研究對象，對比兩種噴嘴結(jié)構(gòu)在速凍機(jī)運(yùn)行過程中鋼帶表面的換熱強(qiáng)度和換熱均勻性，目的是在研制新型沖擊式速凍機(jī)時為提高凍結(jié)效率而選取更安全高效的噴嘴。

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型

圖1為沖擊式速凍機(jī)內(nèi)部流場循環(huán)模型，其基本原理是，通過離心風(fēng)機(jī)的抽吸作用，將冷空氣鼓入速凍機(jī)靜壓腔，空氣在靜壓腔內(nèi)蓄積靜壓能，一部分通過鋼帶上方噴嘴進(jìn)行壓力釋放，產(chǎn)生高速流體吹到鋼帶上方的凍結(jié)區(qū)域，另一部分空氣通過引風(fēng)風(fēng)槽，經(jīng)鋼帶下方噴嘴實(shí)現(xiàn)壓力釋放，并沖擊到鋼帶下表面，依次通過對流和導(dǎo)熱兩種換熱方式向凍品傳輸冷量；最終吸收熱量的空氣在風(fēng)機(jī)循環(huán)壓差的作用下向鋼帶兩側(cè)出風(fēng)口排出，并進(jìn)入蒸發(fā)器降溫，如此往復(fù)最終使凍品中心溫度達(dá)到規(guī)定的-18 ℃。

1. 圍護(hù)結(jié)構(gòu) 2. 壓力入口 3. 蒸發(fā)器 4. 上條縫噴嘴 5. 壓力出口 6. 離心風(fēng)機(jī) 7. 靜壓腔 8. 鋼帶 9. 導(dǎo)風(fēng)槽 10. 下條縫噴嘴

圖1 速凍機(jī)內(nèi)部流場循環(huán)物理模型

Figure 1 Physical model of internal flow field in a freezer

如圖2所示，本試驗(yàn)以兩種不同形式的條縫噴嘴結(jié)構(gòu)為研究對象，比較兩種噴嘴在速凍機(jī)運(yùn)行過程中的性能參數(shù)。為降低數(shù)值計算強(qiáng)度，處理時計算模型取整體模型的1/40，相鄰區(qū)域作對稱邊界處理。

V型條縫噴嘴與平直條縫孔板的條縫寬度S，條縫長XL，鋼帶寬YW，鋼帶與條縫出口間距H，噴嘴結(jié)構(gòu)見圖3；噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。通過定義無量綱參數(shù)Hs(Hs=H/S)對噴嘴與鋼帶間距進(jìn)行描述。

1. 冷卻空氣 2. 橫流方向 3. 對稱邊界 4. 鋼帶 5. 鋼帶移動方向

圖2 條縫噴嘴結(jié)構(gòu)

Figure 2 Slot nozzle structure

圖3 V型條縫噴嘴結(jié)構(gòu)Figure 3 V type slot nozzle structure表1 噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Nozzle structure parameters

噴嘴類型D/mmK/mmXL/mmYW/mmS/mmV/mmθ/(°)V型條縫噴嘴733075060056630平直條縫孔板7327506005--

1.2 數(shù)值模型的條件設(shè)置及計算模型選取

采用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，以V型條縫噴嘴為例，平直條縫孔板計算模型設(shè)置與其相同。

模擬對象的流動介質(zhì)為空氣，模擬過程中，假設(shè)：

(1) 空氣為不可壓縮、密度均勻的黏性流體。

(2) 靜壓腔壁面及條縫噴嘴壁面視為無滑移壁面，即貼壁處氣體流速U=0。

(3) 靜壓腔與噴嘴壁面絕熱，即熱流密度q=0 W/m2。

數(shù)值模擬過程中采用連續(xù)性方程、動量方程和能量方程聯(lián)合求解[10]，由于采用Pressure inlet作為入口邊界條件，設(shè)置更加符合實(shí)際且計算的準(zhǔn)確性更高，采用Pressure outlet為出口邊界條件計算收斂速度更快，因此選擇的計算模型為：

(1) 采用Pressure inlet作為入口邊界條件，Pressure outlet為出口邊界條件，且Pin=250 Pa，溫度Tin=228 K,Pout=0 Pa,Tout=233 K。

(2) 計算模型與速凍機(jī)整體毗鄰部分做鏡像邊界設(shè)置，即Symmetry1、Symmetry2，見圖4。

1. 壓力入口 2. 對稱邊界1 3. 對稱邊界2 4. 壓力出口圖4 數(shù)值模型及邊界條件設(shè)置Figure 4 Numerical model and boundary condition setting

(3) 模型中采用k-ε湍流模型、SIMPLE算法及二階迎風(fēng)格式[11]進(jìn)行計算。

2 結(jié)果與討論

2.1 Hs對噴嘴出流流速及橫流的影響

圖5(a、b)分別展示了，隨著噴嘴與凍結(jié)平板距離的變化，V型條縫噴嘴與平直條縫孔板在噴嘴出口處的速度極差分布與壓力極差分布。結(jié)果表明，Hs越小，沿橫流方向速度變化越顯著,特別是當(dāng)Hs=2時，V型條縫噴嘴在靠近回風(fēng)口側(cè)噴嘴出口流速與速凍機(jī)輸送帶寬度中心噴嘴出口流速的極差值為6 m/s，而平直條縫孔板的極差值達(dá)到16 m/s，表明沿速凍機(jī)輸送帶寬度方向V型條縫噴嘴出口氣流射流均勻性更高。隨著Hs增大，2種噴嘴類型沿橫流方向速度梯度逐漸降低，其中平直條縫孔板降低速率最快，當(dāng)Hs=14時，兩種類型噴嘴結(jié)構(gòu)的出口流速變化范圍趨于一致，其差值僅為1.05 m/s。通過上述分析表明，當(dāng)Hs<14時，V型條縫噴嘴氣流射流均勻性明顯高于平直條縫孔板，更利于鋼帶表面的凍品保持均勻一致的對流換熱系數(shù)。

圖5 噴嘴出口極差分布Figure 5 The distribution of range nozzle outlet

通過對上述現(xiàn)象進(jìn)行分析，其原因在于，當(dāng)Hs較小時，平直條縫孔板噴嘴出口壓力變化較大，沿橫流方向噴嘴出口壓力變化范圍為0～240 Pa，即在速凍機(jī)輸送帶寬度方向中心，靜壓腔與噴嘴出口之間的壓差僅為10 Pa，導(dǎo)致流體流動動力較弱，此時噴嘴出口流速較低；而在靠近回風(fēng)口處，靜壓腔與噴嘴出口的壓差為250 Pa，氣流流動動力較強(qiáng)，噴嘴出口流速較高。因此造成沿橫流方向往輸送帶邊沿方向移動噴嘴出口流速逐漸增加，并在靠近邊沿處達(dá)到最大，越往輸送帶中心噴嘴出口流速越小，在速凍機(jī)寬度方向中心達(dá)到最低，因此噴嘴出口流速均勻性較差。然而對于V型條縫噴嘴,其壓力變化范圍為0～110 Pa，明顯小于平直條縫孔板，因此其噴嘴出口流速均勻性明顯強(qiáng)于平直條縫孔板。另一方面影響橫流方向壓力梯度的主要因素是空氣流動方向的沿程阻力，而橫流流通通道截面積是影響沿程阻力的重要因素，因此當(dāng)Hs增加時，流通截面積增大，橫流方向沿程阻力減小，導(dǎo)致壓差減小，見圖5(b)。然而，對于V型條縫噴嘴與平直條縫孔板，兩者的壓降梯度存在差異性，見圖6。當(dāng)Hs較小時，平直條縫孔板在x/S(沿速凍機(jī)寬度方向噴嘴出口與回風(fēng)口間的距離x與噴嘴寬度S之比)的范圍為0～20，存在較大的壓降梯度，隨著Hs增加，壓降梯度逐漸降低；而對于V型條縫噴嘴，壓降梯度較為平緩；原因在于，當(dāng)Hs較小時，c[見式(1)]較大，此時平直條縫孔板的延程阻力降更明顯，而隨著Hs增加，c值逐漸減小，面積A對V型條縫噴嘴的影響逐漸減弱；因此，當(dāng)Hs=14時，V型條縫噴嘴與平直條縫孔板的壓降梯度基本趨于一致。通過上述分析表明，V型條縫噴嘴在速凍機(jī)寬度方向具有較低且平穩(wěn)的壓降梯度，這也是保證V型條縫噴嘴氣流射流均勻性明顯高于平直條縫孔板的原因。

(1)

式中：

c——兩種噴嘴的橫流流通截面積之比；

A——V型條縫孔板本身的凹槽結(jié)構(gòu)與噴嘴出口所處位置平面之間的區(qū)域面積，m2；

fH——V型條縫噴嘴出口所處平面與鋼帶表面之間的區(qū)域面積(平直條縫孔板橫流流通截面積)，m2。

圖6 橫流方向壓力梯度分布Figure 6 Cross-flow pressure gradient distribution

當(dāng)速凍機(jī)運(yùn)行時鋼帶表面的凍品將受到氣流組織力的作用，當(dāng)橫流風(fēng)速達(dá)到一定值時，凍品將會被吹離凍結(jié)區(qū)域，這對速凍設(shè)備安全運(yùn)行是不利的，為確定不同凍品的安全凍結(jié)風(fēng)速就需要對盛放在鋼帶上的凍品進(jìn)行吹飛試驗(yàn)。為此，本研究以蝦仁為試驗(yàn)對象，測試工具選擇SYSTEM MODEL 1560多點(diǎn)風(fēng)速儀以及0965-00/01風(fēng)速探頭，測試結(jié)果見表2。為進(jìn)一步研究凍品在鋼帶表面的狀態(tài)，仍以蝦仁為研究對象，由于凍結(jié)過程中蝦仁的一般擺放高度約為10 mm，因此分析時取鋼帶上表面10 mm進(jìn)行研究，見圖7；根據(jù)測試結(jié)果，對于平直條縫孔板，蝦仁移動風(fēng)速延伸到x/S為40～75(x為橫坐標(biāo))處，當(dāng)Hs=14時，蝦仁有最大的安全凍結(jié)范圍，但在x/S為0～40的區(qū)域，蝦仁將被吹離凍結(jié)區(qū)域，這對速凍機(jī)安全有效的生產(chǎn)是極為不利的。然而，對于V型條縫噴嘴，當(dāng)Hs=10時，鋼帶表面蝦仁處于安全凍結(jié)范圍，能夠?qū)崿F(xiàn)速凍機(jī)安全有效運(yùn)行。

2.2 鋼帶表面換熱特性

2.2.1 鋼帶表面平均Nu數(shù) 圖8反映了V型條縫噴嘴與平直條縫孔板在Hs分別為2，8，14時鋼帶表面的平均Nu數(shù)分布，箭頭方向表示條縫出口方向。如圖8所示，噴嘴與鋼帶間距對鋼帶表面換熱性能有較大影響，值得注意的是，V型條縫噴嘴與平直條縫孔板在鋼帶表面的滯止點(diǎn)處，努塞爾數(shù)存在峰值，并且在滯止點(diǎn)附近，努塞爾數(shù)逐漸降低，在相鄰兩滯止點(diǎn)附近達(dá)到最低值，同時Nu數(shù)沿條縫排列方向呈波狀分布。隨著Hs增加，氣流射流到鋼帶表面的能力逐漸減弱，導(dǎo)致Nu數(shù)降低，且峰值發(fā)生偏離，偏移幅度和Hs值呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢。原因在于隨著Hs增加，氣流拓展到鋼帶表面的能力逐漸減弱，因此在滯止點(diǎn)附近流體抗干擾能力降低，最終導(dǎo)致努塞爾數(shù)峰值發(fā)生偏移。當(dāng)Hs=2時，V型條縫噴嘴與平直條縫孔板之間的換熱性能表現(xiàn)出較大的差異性，此時，V型條縫噴嘴的換熱系數(shù)是平直條縫孔板的2倍；隨著Hs增加，兩者之間的差異性逐漸降低，但V型條縫噴嘴的換熱性能依然高于平直條縫孔板。

表2 蝦仁移動速度與橫向流速關(guān)系

圖7 鋼帶表面上方10 mm處橫流風(fēng)速分布Figure 7 Cross-flow velocity distribution at 10 mm above the surface of steel strip

圖8 鋼帶表面平均努塞爾數(shù)分布Figure 8 The average Nusselt number distribution of steel strip surface

2.2.2 鋼帶表面局部Nu數(shù)分布 圖9、10分別為平直條縫孔板與V型條縫噴嘴沿橫流方向的局部Nu數(shù)分布圖，橫流方向如圖中箭頭所示，其中y/S與x/S范圍分別為0～60，0～150；如圖9(a)所示，當(dāng)Hs=2時，努塞爾數(shù)峰值主要集中在回風(fēng)口附近，與橫流上游區(qū)域Nu數(shù)分布存在較大差異性；這是由于Hs=2時，橫流流通截面積較低，往橫流上游方向，距離回風(fēng)口越遠(yuǎn)，氣流的沿程阻力越大，導(dǎo)致上游方向噴嘴出口氣流流動阻力增加，上游噴嘴出口流速降低，氣流拓展到鋼帶表面的能力減弱，因此，在橫流上游鋼帶表面的平均努塞爾數(shù)較低。隨著Hs增加，靠近回風(fēng)口處Nu數(shù)逐漸降低，見圖9(b)、(c)；但不同的是，在橫流上游，鋼帶表面Nu數(shù)增加，在橫流方向鋼帶表面換熱性能差異性逐漸降低，當(dāng)Hs=14時，沿橫流方向鋼帶表面Nu數(shù)基本趨于一致。這是因?yàn)?，隨著Hs增加，一方面流體拓展到鋼帶表面的能力減弱，因此靠近回風(fēng)口處鋼帶表面Nu數(shù)降低；另一方面，Hs增加使橫流流通截面積增大，橫流上游氣流到達(dá)回風(fēng)口的延程阻力降低，靜壓腔與噴嘴出口壓差增大，流體傳輸動力增強(qiáng)，噴嘴出口流速增加，最終使橫流上游鋼帶表面Nu數(shù)增加，與下游鋼帶表面換熱差異性降低。

對于V型條縫噴嘴，當(dāng)Hs=2時，沿橫流方向Nu數(shù)變化幅度與平直條縫孔板相比更為平緩，見圖10(a)。這是由于，Hs=2時V型條縫噴嘴的橫流流通截面積是平直條縫孔板橫流流通截面積的9倍，即[A+f(H)]/f(H)=9，因此與平直條縫孔板相比，V型條縫噴嘴橫流上游氣流壓阻較小，噴嘴出口流速較大，鋼帶表面換熱系數(shù)更高。隨著Hs增加，沿橫流方向鋼帶表面換熱差異性進(jìn)一步減小，此時，噴嘴與鋼帶間距是影響鋼帶表面換熱性能的最主要因素，但和平直條縫孔板相比，V型條縫噴嘴表現(xiàn)出較好的換熱特性以及沿速凍機(jī)寬度方向較好的換熱均勻性。

圖9 不同Hs鋼帶表面努塞爾數(shù)分布(平直條縫孔板)Figure 9 Distribution of Nusselt number on the surface of different Hs steel strips(Flat slit plate)

對于傳統(tǒng)的圓形噴嘴，橫流效應(yīng)是影響其下游方向沖擊板面換熱的重要原因[12]；但對于條縫噴嘴，橫流效應(yīng)并沒有對沖擊表面換熱造成重要影響，其原因在于，條縫噴嘴是連續(xù)性的，因此不存在上游噴嘴射流的氣流對下游噴嘴流出的氣流流動方向產(chǎn)生重要影響，所以，橫流效應(yīng)對條縫噴嘴的換熱影響較弱，但較強(qiáng)的橫流效應(yīng)將導(dǎo)致凍品被吹飛的現(xiàn)象，這對食品凍結(jié)過程是不利的。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)以V型條縫噴嘴與平直條縫孔板為研究對象，探索了2種噴嘴形式在相同送風(fēng)條件下，改變噴嘴與鋼帶表面間距H對速凍機(jī)內(nèi)部凍結(jié)區(qū)域流場與壓力場的影響，以及鋼帶表面的換熱特征。得到以下結(jié)論：

(1) 與平直條縫孔板相比V型條縫噴嘴沿橫流方向流體流動阻力更小，當(dāng)Hs較小時橫流方向壓力極差明顯小于平直條縫孔板，因此V型條縫噴嘴出口流速均勻性高于平直條縫孔板。

(2) 平直條縫孔板橫流方向氣流流速較大，不利于凍品安全有效的生產(chǎn)。

(3) 平直條縫孔板沿橫流方向，鋼帶表面Nu數(shù)存在較大差異性，其平均Nu數(shù)較低；而V型條縫噴嘴表現(xiàn)出差異性較小，其平均Nu數(shù)高于平直條縫孔板；因此，使用V型條縫噴嘴在鋼帶表面的換熱均勻性更強(qiáng)，且換熱均勻性強(qiáng)于平直條縫孔板。

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