果箱堆碼間距對(duì)其碼垛區(qū)域內(nèi)氣流組織的影響

洪登科， 劉清江*， 呂德寶

(1.天津商業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 天津 300134； 2.天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300134)

隨著社會(huì)的發(fā)展以及人民物質(zhì)生活水平的不斷提高，對(duì)果蔬產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量的需求也不斷增加[1]。但是由于果蔬在采收后，仍然進(jìn)行著呼吸作用，造成糖類消耗并釋放熱量[2]，常常會(huì)因?yàn)閮?chǔ)存不當(dāng)?shù)脑蛟斐善淦焚|(zhì)和新鮮度等極大降低，有時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生腐敗現(xiàn)象，造成不必要的浪費(fèi)[3]。因此，對(duì)果蔬產(chǎn)品的冷藏保鮮技術(shù)變得愈發(fā)重要[4]。為了保證果蔬良好的品質(zhì)，需要將果蔬維持在適合的溫度、濕度以及良好的通風(fēng)環(huán)境下進(jìn)行貯藏[5]。冷庫(kù)作為貯藏果蔬產(chǎn)品的主要設(shè)備，在冷庫(kù)的儲(chǔ)藏量增加的同時(shí)，由于沒(méi)有對(duì)果蔬產(chǎn)品進(jìn)行合理的堆放，導(dǎo)致冷庫(kù)內(nèi)果蔬間的氣流場(chǎng)分布不均勻[6]，直接影響其內(nèi)部溫度場(chǎng)分布[7]，部分通風(fēng)條件不佳的冷藏果蔬由于呼吸熱的作用產(chǎn)生脫水、腐爛的現(xiàn)象[8]。因此，研究貨物的堆碼方式對(duì)氣流組織的影響在冷庫(kù)貯藏領(lǐng)域存在重要意義[9]。

中外學(xué)者在這方面都有做過(guò)相關(guān)研究。Zou等[10]模擬研究了貯存包裝袋貨物的冷庫(kù)，計(jì)算了包裝內(nèi)部貨物之間的氣流形式。Chourasiaa等[11-12]利用計(jì)算流體力學(xué)研究了袋裝馬鈴薯不同堆放形式和不同堆放尺寸下，馬鈴薯冷卻時(shí)間和冷庫(kù)流場(chǎng)的溫度分布情況，并得出了合理的堆疊尺寸和堆疊布置。彭夢(mèng)瓏等[13]通過(guò)模擬機(jī)冷車內(nèi)不同貨物的堆碼方式，得出1 m3為最佳的貨物堆碼單元。劉永娟[14]通過(guò)建立凍結(jié)間貨物擺放的三維CFD穩(wěn)態(tài)模型，得出在凍結(jié)間設(shè)置墊倉(cāng)板、分四堆放置能夠使貨物間流場(chǎng)分布均勻。周麗等[15]模擬研究了帶蓄冷板冷藏車在不同堆放方式下的溫度場(chǎng)，提出冷藏貨物堆放留有一定間隙能夠改善貨物的運(yùn)輸品質(zhì)。孫海亭[16]通過(guò)對(duì)箱裝蘋(píng)果在不同堆碼方式下的氣流組織模擬研究，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的高度大于貨物的高度且盡量接近庫(kù)頂時(shí)，產(chǎn)生較強(qiáng)的渦旋可以使貨物區(qū)氣流分布均勻。周丹等[17]對(duì)一定風(fēng)速范圍內(nèi)，下吹風(fēng)式立體冷庫(kù)內(nèi)部的氣流組織情況進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果表明，冷風(fēng)機(jī)出風(fēng)口與第一列貨堆水平距離為零且貨物在第一列堆滿時(shí)，可以獲得均勻的氣流組織。楊先亮等[18]模擬研究了谷物干燥塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變對(duì)其氣流組織的影響。曾晰[5]通過(guò)模擬研究發(fā)現(xiàn)火龍果8垛堆碼方式可以改善氣流組織。賈發(fā)銅等[6]對(duì)影響冷藏箱溫度場(chǎng)均勻性的諸多因素進(jìn)行了對(duì)比分析，其中指出了貨物間隙的重要影響。劉澤勤等[19-20]分別模擬了不同堆碼間距和堆碼方式對(duì)充氣保溫果蔬冷庫(kù)和圓柱圓錐形冷庫(kù)整個(gè)庫(kù)內(nèi)的溫濕度場(chǎng)影響，得出合理的堆碼間距可以改善果蔬冷藏庫(kù)內(nèi)的溫濕度分布。

已有研究大都著重于對(duì)貨物各自不同堆碼形式，基于此，現(xiàn)將研究重點(diǎn)放在果箱局部間隙間的氣流場(chǎng)分布。通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法，以裝箱好的蘋(píng)果為例，通過(guò)不斷改變蘋(píng)果箱之間的水平堆碼距離分別進(jìn)行研究，對(duì)不同水平間距下果箱之間的氣流溫度場(chǎng)以及果箱內(nèi)蘋(píng)果的預(yù)冷效果進(jìn)行分析，最終得出果箱較為合理的堆碼間距。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)在一個(gè)外形尺寸為2.8 m×1.8 m×2 m，庫(kù)門尺寸為0.8 m×0.11 m×2 m，壁厚為11 cm，以聚氨酯泡沫塑料作為中間隔熱材料的小型冷庫(kù)中進(jìn)行。其中，冷風(fēng)機(jī)是兩臺(tái)對(duì)稱放置的亞通牌吊頂式冷風(fēng)機(jī)，單臺(tái)蒸發(fā)面積為7.5 m2，風(fēng)機(jī)回風(fēng)口距墻46 cm，風(fēng)機(jī)側(cè)面距墻28 cm，兩風(fēng)機(jī)水平距離為18 cm；壓縮機(jī)為額定功率2 200 W，型號(hào)C-L228F的活塞式壓縮機(jī)。實(shí)驗(yàn)中溫度數(shù)據(jù)的采集由GP10溫度采集儀和T型熱電偶協(xié)同完成。庫(kù)溫的控制則通過(guò)控制柜直接采用MCGS(monitor and control generated system)進(jìn)行雙位控制。如圖1所示為果箱在冷庫(kù)中的堆碼方式示意圖，其中果箱的尺寸為38 cm×20 cm×30 cm。

圖1 果箱在冷庫(kù)的堆碼方式示意圖Fig.1 The schematic diagram of stacking method of fruit boxes in cold storage

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將4箱蘋(píng)果按如圖1所示方式堆碼于冷庫(kù)中。初始庫(kù)溫測(cè)得為18.5 ℃，冷卻溫度設(shè)定為-1 ℃。依次將中間層果箱與果箱之間的水平間距調(diào)整為0、1、2、3、4、5、6 cm分別進(jìn)行預(yù)冷實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，主要測(cè)量和采集蘋(píng)果表面溫度和果箱之間間隙進(jìn)、出口截面以及中間截面的溫度。圖2為熱電偶的布置測(cè)點(diǎn)(為了使測(cè)點(diǎn)更直觀地展示出來(lái)，作圖時(shí)果箱間距有意擴(kuò)大)。其中，圖2(a)為熱電偶在果箱間溫度場(chǎng)布置測(cè)點(diǎn)，圖2(b)為熱電偶在蘋(píng)果表面的布置測(cè)點(diǎn)，圖2(b)中的編號(hào)表示處在該位置上蘋(píng)果的編號(hào)，對(duì)蘋(píng)果進(jìn)行編號(hào)方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理與分析。

圖2 熱電偶布置測(cè)點(diǎn)Fig.2 The layout of the thermocouple

2 結(jié)果與分析

2.1 果箱間氣流溫度場(chǎng)分析

2.1.1 堆碼間距對(duì)果箱間氣流溫度場(chǎng)的影響

在預(yù)冷時(shí)間分別到達(dá)6、12 min兩個(gè)時(shí)刻時(shí)，果箱間進(jìn)、出口截面以及中間截面中點(diǎn)溫度隨果箱水平間距的變化情況如圖3所示。

圖3 不同時(shí)刻下氣流場(chǎng)不同測(cè)點(diǎn)處溫度變化情況Fig.3 The temperature change at different measuring points in the airflow field at different times

由圖3可知，在預(yù)冷過(guò)程中，同一時(shí)刻，果箱間進(jìn)、出口以及中間截面中點(diǎn)3個(gè)不同位置上的實(shí)測(cè)點(diǎn)溫度均隨果箱間水平間距的增大呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，且在一定時(shí)間內(nèi)保持基本一致的下降趨勢(shì)。當(dāng)果箱間距從0 cm增大到1 cm過(guò)程中，各截面中點(diǎn)溫度的變化率在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中最大，下降趨勢(shì)最明顯。果箱間距從1 cm增大到4 cm過(guò)程中，中間截面和出口截面中點(diǎn)的溫度繼續(xù)緩慢下降，進(jìn)口截面中點(diǎn)的溫度由于增大果箱水平間距后，受到果箱間溫度場(chǎng)的影響，溫度表現(xiàn)出輕微的上升且接近中間截面和出口截面中點(diǎn)溫度的趨勢(shì)。在果箱間距增大到4 cm后，繼續(xù)增加果箱間距，各測(cè)點(diǎn)的溫度隨著間距的增大不再下降，且基本維持不變。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：果箱間距從0 cm增大到1 cm時(shí)，果箱間水平間距從無(wú)到有，果箱間氣流場(chǎng)的換熱得到了很大的改善，此時(shí)各截面中點(diǎn)溫度下降明顯，當(dāng)果箱間距繼續(xù)增大，果箱之間氣流場(chǎng)換熱效果繼續(xù)改善，但換熱強(qiáng)度減小。增大到4 cm之后，果箱間的氣流場(chǎng)換熱效果已經(jīng)不受水平間距的影響。

2.1.2 果箱間氣流溫度場(chǎng)隨冷卻時(shí)間的變化

選取中間截面中點(diǎn)和出口截面中點(diǎn)作為氣流場(chǎng)溫度變化代表性的測(cè)點(diǎn)。在果箱幾種不同間距下的同一空間測(cè)點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化情況如下圖4所示。

圖4 不同間距下不同位置氣流場(chǎng)截面中點(diǎn)溫度變化情況Fig.4 The temperature change at the midpoint of the airflow field section at different positions at different spacing

由圖4可知，在不同的果箱間距下，兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)基本相同。在果箱間距為0 cm時(shí)，兩測(cè)點(diǎn)溫度隨冷庫(kù)預(yù)冷時(shí)間下降緩慢。在果箱間距增大到1 cm時(shí)，兩測(cè)點(diǎn)的溫度下降速度都大幅增加。此時(shí)的換熱效果相比于間距為0 cm時(shí)得到明顯的改善。在間距由1 cm增大到4 cm的過(guò)程中，溫度變化曲線的斜率逐漸增大，說(shuō)明隨著果箱間距的增大，果箱間氣流場(chǎng)溫度下降速度越來(lái)越快。在果箱間距分別為4、5、6 cm時(shí)，兩測(cè)點(diǎn)的溫度變化曲線基本重合。這說(shuō)明果箱間距增大到4 cm之后，果箱間的氣流場(chǎng)換熱效果已經(jīng)不受水平間距的影響。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析中，分別從空間和時(shí)間兩個(gè)角度對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理和分析?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論：果箱在冷庫(kù)中堆碼時(shí)，在一定范圍內(nèi)增大果箱之間的堆碼間距，可以改善果箱間氣流場(chǎng)的換熱效果，使得溫度場(chǎng)分布均勻。由于均勻的溫度場(chǎng)更有利于果蔬的貯藏保鮮[5,21]，因而合理的間距可以使得果蔬貯藏時(shí)間延長(zhǎng)、腐敗率降低、貯藏品質(zhì)增加[22-24]。但是當(dāng)間距增大到4 cm之后，繼續(xù)增大間距對(duì)果箱間氣流場(chǎng)換熱效果的改善效果就不再明顯，此時(shí)雖然能保證果箱之間氣流場(chǎng)的換熱效果，但是果箱堆碼間距增大，無(wú)疑會(huì)使得冷庫(kù)的貨物空間占比減小，造成空間的浪費(fèi)，減小冷庫(kù)的庫(kù)容量。因此從貯藏效果和經(jīng)濟(jì)效益兩方面考慮，果箱水平間距1～4 cm是冷庫(kù)中果箱較為合適的堆碼間距。

2.2 蘋(píng)果預(yù)冷效果分析

為探究果箱內(nèi)蘋(píng)果的預(yù)冷效果，選取位于中間位置的蘋(píng)果14作為具體分析對(duì)象，進(jìn)行蘋(píng)果預(yù)冷實(shí)驗(yàn)分析。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到，在果箱不同間距下，蘋(píng)果14溫度隨預(yù)冷時(shí)間的變化曲線如圖5所示。

圖5 不同間距下蘋(píng)果表面溫度隨時(shí)間的變化Fig.5 The change of surface temperature of the apple with time under different spacing

分析圖5可知：在蘋(píng)果預(yù)冷過(guò)程中，可以將其分為預(yù)冷前階段和預(yù)冷后階段，在預(yù)冷的前3.5 h前，該過(guò)程蘋(píng)果溫度下降約10 ℃，下降速度較快。在預(yù)冷的后6.5 h內(nèi)，此過(guò)程蘋(píng)果的溫度一共下降約6 ℃，下降速度較為緩慢。原因是，預(yù)冷前期冷風(fēng)機(jī)送風(fēng)溫度與庫(kù)內(nèi)溫度溫差大，換熱效率高，隨著預(yù)冷的進(jìn)行，庫(kù)內(nèi)溫度與送風(fēng)溫度溫差減小，換熱效率下降。

如圖5所示，果箱間距為0 cm時(shí)，蘋(píng)果14的溫度變化曲線在整個(gè)溫度變化圖的最上方，即這種情況下，蘋(píng)果在預(yù)冷過(guò)程中各時(shí)刻的溫度均為最高，換熱效果最差；當(dāng)果箱間距增大到1 cm時(shí)，蘋(píng)果14號(hào)的溫度整體低于間距為0 cm時(shí)蘋(píng)果的溫度，說(shuō)明碼垛區(qū)域內(nèi)氣流組織的改善使得箱中蘋(píng)果的換熱效果也得到明顯改善；當(dāng)間距增大到2 cm時(shí)，蘋(píng)果溫度繼續(xù)表現(xiàn)出整體降低，即換熱效果繼續(xù)改善；但當(dāng)間距增大到4 cm時(shí)，此時(shí)的蘋(píng)果溫度變化曲線與間距為2 cm時(shí)的溫度變化曲線基本重合。間距增大到2 cm前，蘋(píng)果溫度變化曲線的斜率隨著間距的增加呈增大的趨勢(shì)，說(shuō)明此時(shí)隨著果箱間距的增加，蘋(píng)果與庫(kù)內(nèi)環(huán)境的換熱效率增加，縮短了預(yù)冷時(shí)間，提高了預(yù)冷效果。間距增大到4 cm時(shí)，其溫度變化曲線與間距為2 cm時(shí)的變化曲線基本重合，說(shuō)明當(dāng)間距增大到2 cm之后，繼續(xù)增大果箱間距對(duì)蘋(píng)果預(yù)冷的影響甚微。由此可知，果箱水平堆碼間距2 cm是蘋(píng)果預(yù)冷降溫較為合適的堆碼間距。

3 結(jié)論

將4箱蘋(píng)果堆碼于冷庫(kù)中，分別在果箱水平間距為0、1、2、3、4、5、6 cm工況下進(jìn)行了冷庫(kù)預(yù)冷實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)所得數(shù)據(jù)的整理與分析，得出以下結(jié)論。

(1)果箱間氣流場(chǎng)換熱效率的提高可以通過(guò)增大果箱間流通面積的方法實(shí)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，換熱效率隨流通面積的增大而提高。

(2)在果箱垂直間距不變的情況下，果箱水平堆碼間距1～4 cm是冷庫(kù)中果箱較為合適的堆碼間距，此時(shí)氣流場(chǎng)溫度分布比較均勻，4 cm之后繼續(xù)增大間距，對(duì)氣流組織換熱影響不大。

(3)在蘋(píng)果預(yù)冷過(guò)程中，果箱垂直間距不變情況下，果箱水平堆碼間距2 cm是蘋(píng)果預(yù)冷降溫較為合適的堆碼間距，此時(shí)蘋(píng)果溫度下降較快，繼續(xù)增大間距，對(duì)蘋(píng)果預(yù)冷效果影響不大。綜合堆碼間距對(duì)氣流場(chǎng)、蘋(píng)果預(yù)冷效果以及經(jīng)濟(jì)效益等方面影響的考慮，堆碼間距2 cm時(shí)收效最大，應(yīng)為箱裝蘋(píng)果的最佳堆碼間距。

(4)通過(guò)合理的布置果箱在冷庫(kù)中的堆碼間距，可以改善果箱間氣流場(chǎng)的換熱效率，從而可以更快地帶走呼吸熱，減小果蔬的呼吸強(qiáng)度，達(dá)到延長(zhǎng)果蔬的貯藏時(shí)間，提高果蔬在冷庫(kù)中的貯藏品質(zhì)的目的。