沖擊式速凍設(shè)備上下送風(fēng)速度對蝦仁凍結(jié)過程的影響

謝 晶，舒志濤，楊大章，陳 聰

（1.上海冷鏈裝備性能與節(jié)能評價(jià)專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺，上海 201306；2.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；3.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306）

0 引 言

中國是速凍食品生產(chǎn)、消費(fèi)大國。如何提高速凍設(shè)備性能，加快食品凍結(jié)速度成為目前行業(yè)內(nèi)研究熱點(diǎn)之一[1-2]。沖擊式速凍技術(shù)是一種利用高速低溫射流沖擊凍品表面使其快速降溫的新型速凍技術(shù)，相比于傳統(tǒng)速凍技術(shù)，沖擊式速凍技術(shù)使凍品受到低溫沖擊射流的垂直沖擊，凍品表面氣流流速加快，對流換熱系數(shù)增大，凍結(jié)速度加快，是目前先進(jìn)的速凍技術(shù)之一[3-4]。Naderipour等[5]研究了不同角度的沖擊射流對水平放置的圓柱物體換熱效率的影響，結(jié)果表明當(dāng)射流垂直沖擊圓柱物體時(shí)，其表面局部努塞爾數(shù)達(dá)到最大值，并且這種狀態(tài)下的強(qiáng)制對流較射流水平?jīng)_擊而言，可以提高圓柱物體表面的平均努塞爾數(shù)10%～30%。葉純杰等[6]利用CFD數(shù)值模擬技術(shù)研究了射流垂直沖擊平板時(shí)，平板移動(dòng)速度對換熱過程的影響。研究發(fā)現(xiàn)隨著平板移動(dòng)速度的增大，平板表面的平均努塞爾數(shù)和湍流程度也不斷增大，但其表面的局部努塞爾數(shù)峰值則隨著速度的增大而減小。Huang等[7]研究了不同平板結(jié)構(gòu)（凹形、凸形和光滑）對沖擊射流與平板間的換熱情況的影響，研究發(fā)現(xiàn)由于凹形和凸性平板結(jié)構(gòu)增大了換熱面積，因此這兩塊平板上的最大溫度均低于光滑平板，換熱效果更好。但目前大部分研究都基于設(shè)備板帶表面的換熱情況，對于不同沖擊式速凍設(shè)備結(jié)構(gòu)和運(yùn)行條件對食品凍結(jié)過程影響的研究較少，并且對沖擊式速凍設(shè)備運(yùn)行效率影響最大的2個(gè)因素分別為：送風(fēng)溫度和送風(fēng)速度。設(shè)備中凍品的凍結(jié)效率隨送風(fēng)溫度的降低而不斷提高，但能耗也在不斷增加。而設(shè)備上下送風(fēng)速度的關(guān)系則影響了設(shè)備換熱區(qū)域流場的均勻性，從而決定了設(shè)備內(nèi)凍品的凍結(jié)效率[8]，但對上下兩側(cè)送風(fēng)速度關(guān)系的研究也相對較少。

本文研究的沖擊式速凍設(shè)備設(shè)有引風(fēng)槽[9]，將離心風(fēng)機(jī)吹入靜壓箱內(nèi)的冷空氣分為兩部分，分別通過上下兩側(cè)的孔板形成上下兩股沖擊射流沖擊凍品表面，在相同的能耗下，凍品與冷空氣接觸面積更大，換熱效率提高。但上下兩股沖擊射流相對沖擊會(huì)導(dǎo)致一定程度上的動(dòng)能損失，設(shè)備內(nèi)部換熱區(qū)域流場不均勻，降低換熱和設(shè)備運(yùn)行效率，因此本文利用數(shù)值模擬結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證的方法，研究了沖擊式速凍設(shè)備中兩側(cè)送風(fēng)速度對蝦仁凍結(jié)過程的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本文設(shè)計(jì)了一臺上下沖擊式食品速凍試驗(yàn)臺（圖1）。該試驗(yàn)臺主要部件及其型號、性能參數(shù)如表1所示[10-12]。試驗(yàn)臺由變頻器調(diào)節(jié)上下兩側(cè)離心風(fēng)機(jī)的運(yùn)行功率，兩側(cè)離心風(fēng)機(jī)將冷空氣吸入靜壓箱內(nèi)，冷空氣通過上下兩側(cè)孔板的圓形噴孔形成沖擊射流沖擊載物臺上的凍品[13-14]，載物臺選用網(wǎng)帶。利用該試驗(yàn)臺還原數(shù)值模擬過程，對處理好的蝦仁進(jìn)行速凍，利用安捷倫34970a溫度采集儀搭配T型熱電偶測溫線記錄蝦仁溫度。

圖1 上下沖擊式速凍試驗(yàn)臺Fig.1 Up and down impingement quick-freezing test bench

表1 試驗(yàn)臺主要部件Table 1 Main components of test bench

1.2 試驗(yàn)步驟

調(diào)整上下沖擊式食品速凍試驗(yàn)臺兩側(cè)孔板與網(wǎng)帶之間的距離為70 mm[15]，通過變頻器調(diào)節(jié)兩側(cè)離心風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率來改變兩側(cè)送風(fēng)速度，利用TESTO-425型德圖熱線風(fēng)速儀分別測量上下兩側(cè)孔板中心位置的噴孔出風(fēng)速度，與數(shù)值模擬時(shí)的邊界條件一致，熱線風(fēng)速儀的具體參數(shù)如表1所示。將調(diào)整后的試驗(yàn)臺放入設(shè)定溫度為243.15 K的大型冷庫中，運(yùn)行試驗(yàn)臺，待冷庫溫度降至243.15 K并穩(wěn)定后開始凍結(jié)試驗(yàn)。

開啟安捷倫34970a溫度采集儀，將T型熱電偶測溫線從蝦仁頭部中心位置插入1～1.5 cm至蝦仁最厚部位，測定蝦仁初始溫度后，快速將蝦仁放置于試驗(yàn)臺的網(wǎng)帶中心位置，蝦仁開始凍結(jié)。待蝦仁中心溫度降至255.15 K以下時(shí)，蝦仁完成凍結(jié)，保存溫度采集儀中的數(shù)據(jù)，重復(fù)上述試驗(yàn)操作，對3組平行試驗(yàn)各時(shí)刻蝦仁中心溫度取平均值后與數(shù)值模擬得到的溫度結(jié)果進(jìn)行對比，以驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性。

2 數(shù)值模擬

2.1 物理模型

明蝦肉質(zhì)肥厚，營養(yǎng)豐富，是公認(rèn)的世界三大名蝦之一，但由于其易腐敗變質(zhì)，因此速凍技術(shù)常應(yīng)用于明蝦的生產(chǎn)和貯藏[16]。本文以明蝦蝦仁為研究對象，從生鮮市場上選購10只大小相近的新鮮明蝦，對明蝦去頭、去殼和去蝦線處理后如圖2a所示。分別測量10只蝦仁各個(gè)部位的結(jié)構(gòu)參數(shù)，取平均值后利用CAD繪圖軟件對明蝦蝦仁進(jìn)行建模，蝦仁模型及結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2b和表2所示。

圖2 明蝦蝦仁實(shí)物圖和模型結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Physical diagram and model structure diagram of shrimp with prawns

表2 明蝦蝦仁結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Structural parameters of shrimp

本次模擬只考慮沖擊式速凍設(shè)備核心——上下兩側(cè)送風(fēng)風(fēng)速對蝦仁凍結(jié)過程的影響，不考慮速凍機(jī)內(nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn)情況，故只對放入單個(gè)明蝦蝦仁的沖擊式速凍設(shè)備換熱區(qū)域進(jìn)行建模，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況對模型結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖3。根據(jù)換熱區(qū)域流體的流動(dòng)情況將模型上下表面分別定義為上下兩側(cè)的送風(fēng)口，大小為100 mm×100 mm；模型四周表面定義為出風(fēng)口，大小為140 mm×100 mm。此外，蝦仁置于上下兩側(cè)送風(fēng)口正中間的金屬網(wǎng)帶上，由于網(wǎng)帶呈多孔結(jié)構(gòu)，構(gòu)成網(wǎng)帶的金屬絲僅占網(wǎng)帶面積的7.8%，對上下兩股沖擊射流在換熱區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)情況影響不大，在后續(xù)的試驗(yàn)中也得到驗(yàn)證，因此在建模時(shí)對其進(jìn)行忽略。

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.3 Model of experiment

2.2 數(shù)學(xué)模型

對模型換熱情況進(jìn)行分析，首先由高速低溫的沖擊射流與蝦仁表面進(jìn)行強(qiáng)制對流換熱。假設(shè)流體為不可壓縮的牛頓型流體、流體物性為常數(shù)且無內(nèi)熱源、黏性耗散產(chǎn)生的耗散熱忽略不計(jì)[17]，則該換熱過程符合第三類邊界條件[18]：

式中n為蝦仁表面外法線方向；h為蝦仁表面對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；Tshrimp為蝦仁表面溫度，K；Tcold為送風(fēng)溫度，K；λ為蝦仁導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)，T為蝦仁各點(diǎn)溫度，K。

其次隨著蝦仁表面溫度的降低，蝦仁內(nèi)部熱量以導(dǎo)熱的形式傳遞至蝦仁表面。假設(shè)蝦仁內(nèi)部質(zhì)地均勻、各向同性、內(nèi)部傳熱情況僅考慮導(dǎo)熱。由于蝦仁完成凍結(jié)時(shí)的溫度遠(yuǎn)低于蝦仁冰點(diǎn)溫度，凍結(jié)過程中伴有相變，相變前后的熱物性變化不可忽略，則蝦仁內(nèi)部換熱過程符合三維非穩(wěn)態(tài)、無內(nèi)熱源、變物性的導(dǎo)熱數(shù)學(xué)模型，在笛卡爾坐標(biāo)系中建立該過程導(dǎo)熱微分方程如下[18]：

式中ρ為蝦仁密度，kg/m3；Cp為蝦仁比熱容，J/(kg·K)；τ為凍結(jié)時(shí)間，s；x,y,z為笛卡爾坐標(biāo)系中的3個(gè)坐標(biāo)軸方向。

2.3 邊界條件及物性參數(shù)

利用Gambit軟件對模型中流體和蝦仁的接觸面做耦合處理，再對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格時(shí)選用Tet/Hybrid網(wǎng)格類型[19-20]，蝦仁處網(wǎng)格大小為1 mm，網(wǎng)格數(shù)量為167 506個(gè)，流體處網(wǎng)格大小為2.5 mm，網(wǎng)格數(shù)量為715 182個(gè)。利用Ansys Fluent 15.0軟件對劃分好網(wǎng)格的模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，根據(jù)南通四方冷鏈股份有限公司沖擊式速凍設(shè)備的性能測試報(bào)告和生產(chǎn)實(shí)際需要對該模型模擬過程的邊界條件進(jìn)行設(shè)置[21]。上下兩側(cè)送風(fēng)口設(shè)置為Velocity-inlet，送風(fēng)溫度為243.15 K，送風(fēng)速度則根據(jù)3種不同類型的試驗(yàn)組分別進(jìn)行設(shè)置，其中包括：上下兩側(cè)送風(fēng)風(fēng)速同為10、15和20 m/s；上側(cè)送風(fēng)風(fēng)速始終保持15 m/s不變，下側(cè)送風(fēng)風(fēng)速從0～15 m/s逐漸增加；下側(cè)送風(fēng)風(fēng)速始終保持15 m/s不變，上側(cè)送風(fēng)風(fēng)速從0～15 m/s逐漸增加。模型四周出風(fēng)口設(shè)置為Outflow，出風(fēng)溫度和出風(fēng)速度由軟件自行計(jì)算得出。蝦仁表面為Coupled耦合面，由軟件根據(jù)設(shè)置的物性參數(shù)自動(dòng)進(jìn)行耦合計(jì)算，蝦仁初始溫度為288.15 K。蝦仁凍結(jié)過程存在相變且相變前后物性差異不可忽略[22]，唐婉等[23]通過公式計(jì)算得到蝦仁凍結(jié)前后的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等物性參數(shù)，如表3所示，本文利用該數(shù)據(jù)對模擬中蝦仁物性進(jìn)行設(shè)置。

表3 蝦仁熱物性參數(shù)Table 3 Thermophysical parameters of shrimp

開啟“Energy”能量方程，選用k-ε湍流模型和“Solidification&Melting”相變換熱模型，采用Transient流場瞬態(tài)分析功能對模型進(jìn)行求解[24-26]，設(shè)置時(shí)間步長為1 s，最大迭代次數(shù)為1 000次。

3 結(jié)果與分析

3.1 數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性

以上下兩側(cè)送風(fēng)速度均為15 m/s為例，圖4是試驗(yàn)得到的各時(shí)刻蝦仁中心溫度平均值和數(shù)值模擬得到的各時(shí)刻蝦仁中心溫度。將蝦仁中心溫度達(dá)到255.15 K以下時(shí)視為凍結(jié)結(jié)束，蝦仁凍結(jié)時(shí)長的試驗(yàn)平均值為765 s，模擬值為816 s，相對誤差約為6.67%，可以證明本次數(shù)值模擬使用的模擬方法和構(gòu)建的模型準(zhǔn)確[27]。

圖4 蝦仁中心溫度試驗(yàn)值與模擬值對比圖Fig.4 Comparison of experimental and simulated values of central temperature of shrimps

3.2 上下兩側(cè)送風(fēng)速度相同時(shí)不同風(fēng)速對蝦仁凍結(jié)過程的影響

圖5 是沖擊式速凍設(shè)備上下兩側(cè)送風(fēng)速度均為10、15和20 m/s 3種情況下數(shù)值模擬結(jié)果。當(dāng)沖擊式速凍設(shè)備中上下兩側(cè)送風(fēng)速度一致時(shí)，隨著送風(fēng)速度的加快，蝦仁凍結(jié)時(shí)長減小且減小幅度也在不斷縮減。這是因?yàn)樗惋L(fēng)速度的加快導(dǎo)致與蝦仁表面接觸的流場流速加快，蝦仁表面對流換熱系數(shù)增大，與流場的換熱量也隨之增大，蝦仁凍結(jié)時(shí)長減小。

圖5 各試驗(yàn)組蝦仁凍結(jié)過程曲線圖Fig.5 Diagram of freezing process of shrimp in each experimental group

3.3 不同下側(cè)送風(fēng)速度對蝦仁凍結(jié)過程的影響

根據(jù)上述模擬結(jié)果，考慮到實(shí)際生產(chǎn)情況和能耗問題，確定上側(cè)送風(fēng)速度為15 m/s并始終保持不變，下側(cè)送風(fēng)速度為0～15 m/s，每個(gè)速度依次進(jìn)行模擬，對模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行整合后得到上側(cè)送風(fēng)速度保持15 m/s不變時(shí)，不同下側(cè)送風(fēng)速度與蝦仁凍結(jié)時(shí)長關(guān)系，如圖6所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著下側(cè)送風(fēng)速度的不斷增大，蝦仁凍結(jié)時(shí)長先減小后增大，直至下側(cè)送風(fēng)速度達(dá)到8 m/s后，蝦仁凍結(jié)時(shí)長才開始再次逐漸減小。其中，當(dāng)下側(cè)送風(fēng)速度為2 m/s時(shí)，蝦仁凍結(jié)速度最快，凍結(jié)時(shí)長達(dá)到最小值617 s；當(dāng)下側(cè)送風(fēng)速度為8 m/s時(shí)，蝦仁凍結(jié)速度最慢，凍結(jié)時(shí)長達(dá)到最大值909 s。

圖6 不同下側(cè)送風(fēng)速度與蝦仁凍結(jié)時(shí)長的關(guān)系Fig.6 Relationship between different downside air supply velocity and the freezing time of shrimp

利用Ansys Fluent 15.0軟件對不同下側(cè)送風(fēng)速度的試驗(yàn)組模擬結(jié)果進(jìn)行處理，得到各試驗(yàn)組流場模型橫截面上風(fēng)速矢量圖，如圖7所示。從圖中可以看出，由于上側(cè)送風(fēng)速度保持不變，各試驗(yàn)組蝦仁上表面風(fēng)速以及模型上半部分流場情況大致相同。當(dāng)下側(cè)送風(fēng)速度為0時(shí)，如圖7 a所示，上側(cè)沖擊射流沖擊蝦仁上表面后繼續(xù)沿著沖擊方向向下流動(dòng)，幾乎不經(jīng)過蝦仁下表面，與蝦仁下表面接觸的流場流速很小，導(dǎo)致了對流換熱強(qiáng)度較小，蝦仁凍結(jié)時(shí)長較大。當(dāng)下側(cè)送風(fēng)速度為1～2 m/s時(shí)，如圖7 b、c所示，由于下側(cè)有較小的風(fēng)速存在，與動(dòng)能較大的上沖擊射流相對沖擊后在蝦仁下表面形成了渦流，從圖中可以看出，這些渦流的形成促進(jìn)了蝦仁下表面流場的流動(dòng)，增加了蝦仁下表面流場速度，換熱強(qiáng)度提高，因此蝦仁凍結(jié)時(shí)長減小，并且這種情況在下側(cè)送風(fēng)速度為2 m/s時(shí)最為明顯，蝦仁凍結(jié)時(shí)長最短。隨著下側(cè)送風(fēng)速度不斷增加，如圖7 d和e所示，下沖擊射流動(dòng)能不斷提高，與上沖擊射流相互沖擊時(shí)不再形成可以加快流場流速的渦流，并且上下兩側(cè)沖擊射流動(dòng)能相互抵消的效果也逐漸明顯，部分射流在氣壓的作用下直接吹出模型出口，在蝦仁斜下側(cè)形成了射流“真空區(qū)”，如圖7 d和e中紅線框所示，該區(qū)域與蝦仁表面直接接觸且區(qū)域內(nèi)流場風(fēng)速很低，很大程度上影響了蝦仁的凍結(jié)效率，蝦仁凍結(jié)時(shí)長不斷增大，在下側(cè)送風(fēng)速度為8 m/s時(shí)蝦仁凍結(jié)時(shí)長達(dá)到最大。當(dāng)下側(cè)送風(fēng)速度超過8 m/s時(shí)，由于下沖擊射流動(dòng)能的進(jìn)一步增大，上下沖擊射流對沖形成的射流“真空區(qū)”區(qū)域不斷減小，區(qū)域內(nèi)流場流速也不斷增大，因此蝦仁凍結(jié)效率提高，蝦仁凍結(jié)時(shí)長再次減小。

圖7 不同下側(cè)送風(fēng)速度各試驗(yàn)組橫截面風(fēng)速矢量圖Fig.7 Air velocity vector diagram on cross section of each experimental group of different downside air supply velocity

3.4 不同上側(cè)送風(fēng)速度對蝦仁凍結(jié)過程的影響

在模型和方法不變的基礎(chǔ)上，圖8所示的是下側(cè)送風(fēng)速度為15 m/s不變時(shí)，上側(cè)送風(fēng)速度為0～15 m/s依次變化時(shí)，蝦仁凍結(jié)時(shí)間的計(jì)算結(jié)果。從圖中可以看出，當(dāng)上側(cè)送風(fēng)速度為1 m/s時(shí)，蝦仁凍結(jié)時(shí)長達(dá)到最小值776 s；當(dāng)送風(fēng)速度大于1 m/s時(shí)，隨著上側(cè)送風(fēng)速度的增加，蝦仁凍結(jié)時(shí)長先增加后減小，當(dāng)上側(cè)送風(fēng)速度為5 m/s時(shí)，蝦仁凍結(jié)時(shí)長達(dá)到最大值920 s。

圖8 不同上側(cè)送風(fēng)速度與蝦仁凍結(jié)時(shí)長的關(guān)系Fig.8 Relationship between differentupside air supply velocity and freezing time of shrimp

圖9是各試驗(yàn)組橫截面風(fēng)速矢量圖，同上一試驗(yàn)組結(jié)果類似，當(dāng)上側(cè)送風(fēng)速度為0時(shí)（圖9 a），蝦仁上表面流場流速很低，因此蝦仁凍結(jié)時(shí)長較大。當(dāng)上側(cè)送風(fēng)速度為1～2 m/s時(shí)，上下沖擊射流相互沖擊會(huì)在蝦仁上表面形成渦流。該渦流的形成會(huì)加快模型上半部分流場流速，提高蝦仁上表面對流換熱強(qiáng)度，當(dāng)上側(cè)送風(fēng)速度為1 m/s時(shí)，這種情況最為明顯（圖9 b），蝦仁凍結(jié)時(shí)長也最短。隨著上側(cè)送風(fēng)速度不斷增加，渦流消失，上下沖擊射流相對沖擊造成動(dòng)能相互抵消，大部分射流向模型出風(fēng)口流動(dòng)，在蝦仁斜上側(cè)形成射流“真空區(qū)”，如圖9 c和d紅線框所示，該區(qū)域內(nèi)流場流速很小，導(dǎo)致蝦仁表面換熱效率降低，蝦仁凍結(jié)時(shí)長增大。當(dāng)上側(cè)送風(fēng)速度為5 m/s時(shí)，射流“真空區(qū)”區(qū)域負(fù)面影響最大，蝦仁凍結(jié)時(shí)長最大。當(dāng)上側(cè)送風(fēng)速度超過5 m/s時(shí)，上沖擊射流動(dòng)能增大，與下沖擊射流對沖形成的射流“真空區(qū)”減小，蝦仁表面流速增大，蝦仁凍結(jié)時(shí)長減小。當(dāng)上側(cè)送風(fēng)速度達(dá)到12 m/s以上時(shí)，射流“真空區(qū)”則開始在蝦仁下表面形成，這說明當(dāng)上側(cè)風(fēng)速達(dá)到12 m/s以上時(shí)，上沖擊射流到達(dá)蝦仁表面的動(dòng)能大于下沖擊射流，也說明了沖擊式速凍設(shè)備中上側(cè)風(fēng)速對凍品的影響大于下側(cè)風(fēng)速對凍品的影響，與文獻(xiàn)[28]結(jié)論一致。

結(jié)合上述兩組試驗(yàn)結(jié)果的分析，可以發(fā)現(xiàn)：在沖擊式速凍設(shè)備中，當(dāng)上下兩側(cè)送風(fēng)速度大小相差懸殊時(shí)，兩股沖擊射流相對沖擊會(huì)在弱側(cè)處形成促進(jìn)蝦仁表面流場流動(dòng)的渦流，提高換熱效率，減小蝦仁凍結(jié)時(shí)長。當(dāng)弱側(cè)送風(fēng)速度大小是強(qiáng)側(cè)的1/3～1/2時(shí)，此時(shí)兩股沖擊射流相對沖擊會(huì)在蝦仁表面形成流速較低的射流“真空區(qū)”，不利于蝦仁的換熱。當(dāng)上下兩側(cè)送風(fēng)速度接近時(shí)，射流“真空區(qū)”不斷減小，流場流速增大，此時(shí)蝦仁的換熱效率再一次提高，蝦仁凍結(jié)時(shí)長減小。在沖擊式速凍設(shè)備中，上沖擊射流對凍品凍結(jié)過程的影響大于下沖擊射流對凍品凍結(jié)過程的影響，在沖擊式速凍設(shè)備中占主導(dǎo)地位。

圖9 不同上側(cè)送風(fēng)速度各試驗(yàn)組橫截面風(fēng)速矢量圖Fig.9 Air velocity vector diagram on cross section of each experimental group of different upside air supply velocity

4 結(jié) 論

本文利用數(shù)值模擬結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證的方法研究了沖擊式速凍設(shè)備兩側(cè)送風(fēng)速度保持一致且同時(shí)改變，上側(cè)送風(fēng)速度為15 m/s、下側(cè)為0～15 m/s，以及下側(cè)送風(fēng)速度為15 m/s、上側(cè)為0～15 m/s 3個(gè)試驗(yàn)組對單個(gè)蝦仁凍結(jié)過程的影響，通過對模型流場進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1）當(dāng)沖擊式速凍設(shè)備兩側(cè)送風(fēng)速度保持一致時(shí)，隨著風(fēng)速的增大，蝦仁凍結(jié)時(shí)長減小且減小幅度也在不斷減??；

2）在沖擊式速凍設(shè)備中，上下兩側(cè)送風(fēng)速度大小相差懸殊時(shí)，兩股沖擊射流相對沖擊會(huì)在弱側(cè)處形成促進(jìn)蝦仁表面流場流動(dòng)的渦流，提高換熱效率，減小蝦仁凍結(jié)時(shí)長；

3）在沖擊式速凍設(shè)備中，上下兩側(cè)送風(fēng)速度大小相差不大時(shí)，兩股沖擊射流相對沖擊會(huì)在蝦仁表面形成流速較低的射流“真空區(qū)”，降低蝦仁換熱效率。當(dāng)?shù)退賯?cè)風(fēng)速超過8 m/s后，兩側(cè)送風(fēng)速度差值越小，射流“真空區(qū)”對蝦仁凍結(jié)過程的消極影響越?。?/p>

4）考慮實(shí)際生產(chǎn)情況和能耗問題，當(dāng)上側(cè)送風(fēng)速度為15 m/s，下側(cè)送風(fēng)速度為2 m/s時(shí)，設(shè)備換熱區(qū)內(nèi)流場情況最優(yōu)，對流換熱強(qiáng)度最大，蝦仁凍結(jié)時(shí)長最短，最短凍結(jié)時(shí)長為617 s；

綜上所述，對蝦仁進(jìn)行上下沖擊式速凍時(shí)采用合理的兩側(cè)風(fēng)速比例至關(guān)重要。合適的上下送風(fēng)速度可以提高蝦仁的凍結(jié)效率，縮短蝦仁凍結(jié)時(shí)長，很大程度上提高沖擊式速凍設(shè)備的運(yùn)行效率，降低設(shè)備能耗。但本文研究對象僅針對單個(gè)蝦仁，在此研究基礎(chǔ)上對多個(gè)蝦仁在該設(shè)備換熱區(qū)域凍結(jié)時(shí)長的預(yù)測還需進(jìn)一步研究。當(dāng)網(wǎng)帶上存在多個(gè)蝦仁時(shí)，網(wǎng)帶和蝦仁對上下兩股沖擊射流的阻滯作用以及多個(gè)蝦仁對換熱區(qū)域氣流流場的影響是未來研究的關(guān)鍵。