基于贵州猕猴桃花粉机械分离的冷冻方法研究*

吉旭，吴荻，林蜀云，唐勇，张太华，徐卫平

(1. 贵州师范大学机械与电气工程学院，贵阳市，550025； 2. 贵州省山地农业机械研究所，贵阳市，550000)

0 引言

猕猴桃在生产中会因花期不遇、恶劣天气等因素，导致猕猴桃天然授粉坐果率低。因此，人工授粉是保证猕猴桃丰产的必要措施之一，而人工授粉中花粉制备对授粉起着决定性作用[1-2]。相比传统的人工制粉方式，采用机械化制备花粉更加高效，且满足产业扶贫需求。谢玥[3]、崔丽红[4]、杨婷[5]发明的猕猴桃花粉分离机的原理是先机械破碎分离，再振动筛分，且在陕西、四川等地取得了良好的使用效果，但在贵州却不适用。原因是贵州气候条件使得猕猴桃花含水为60%，远高于其他地区，导致花粉在分离过程中存在粘接现象，花粉大量浪费。所以探究一种既不破坏花粉活性又能符合机械分离要求的方法十分必要。李鹏[6]在猕猴桃花粉活性及人工授粉技术研究中得出，温度高于30 ℃会导致花粉失活，不利于批量生产。田敏等[7]在花粉超低温保存研究中得出，在低温下花粉活性基本保持不变。与烘干相比，低温冷冻成本低、耗时短、效率高，且满足大批量生产。因此，文章提出采用半导体制冷的方式，并设计一个制冷箱，将其用于分离前猕猴桃花的冷冻；再通过COMSOL对冷冻模型进行温度场仿真，以此解决因贵州气候环境导致猕猴桃花粉分离存在的问题。该方法为实现贵州猕猴桃花粉的有效分离提供了理论及实践基础。

1 冷冻方案设计

1.1 猕猴桃花冷冻试验

猕猴桃花含水量是影响猕猴桃花粉分离的重要因素之一，其含水量

(1)

式中：ω——猕猴桃花含水率；

m1——猕猴桃鲜花重量，其值为300 g；

m2——猕猴桃干花重量，其值为120 g。

通过计算得到贵州猕猴桃花含水量为60%。由郭彦萃[8]研究表明，花朵冷冻后，花朵中的水分以冰晶形态存在，且含水量为60%时花的共晶点温度范围在-13 ℃～-16 ℃之间。为使猕猴桃花能够完全冻结，冷冻的最低温度应比共晶点低5 ℃～8 ℃[9]。确定冷冻温度为-18 ℃～-24 ℃。将新鲜猕猴桃花放于新飞冰箱型号BCD-221MGJ温度为-18 ℃的冷冻室中冷冻15min后得到花朵状态,如图1所示。

图1 冷冻后的猕猴桃花

1.2 冷冻方式选取

传统的气体压缩膨胀制冷存在污染大、噪声大、制冷提升空间有限等缺点。在节能环保的前提下，常见的环境友好型制冷方式有磁制冷、吸附制冷和半导体制冷等。相比之下，半导体制冷具有结构简单、无噪音、无污染、无振动、能耗低、使用寿命长、维护简便，价格便宜等优点，且为电源驱动[10-11]，其性能满足猕猴桃花冷冻箱要求。

1.3 半导体制冷片选取

对TEC1-12704、TEC1-12706和TEC1-12708 三种类型的半导体制冷片进行制冷试验对比得知，制冷片功率越大，效率越低。在制冷条件不变的情况下，TEC1-12706的制冷效果最好[12]。因此半导体制冷片选用基本尺寸为40 mm×40 mm×3.75 mm，电偶对数为127对的TEC1-12706半导体制冷片，其性能参数见表1。

表1 TEC1-12706制冷片性能参数Tab. 1 Performance parameters of TEC1-12706 refrigerating sheet

已知极限电压是热电偶对数的0.12倍，其大小为127×0.12=15.24 V；工作电压是极限电压的0.78倍，其大小为15.24×0.78=11.89 V[13]。最大制冷功率65 W，最大温差60 ℃以上，元件四周标准704硅橡胶密封。

2 制冷源与制冷工况分析

2.1 半导体制冷源分析

由半导体制冷原理可知，在制冷过程中存在三种可逆热电效应：即塞贝克效应、帕尔贴效应和汤姆逊效应。两种不可逆热电效应包括傅里叶效应和焦耳效应。计算过程中忽略汤姆逊热，则通电以后主要由帕尔贴、傅里叶和焦耳这三种效应共同作用[14-15]。帕尔贴效应

QP=πI=(αP-αN)TCI

(2)

式中：QP——热电制冷冷端吸热量，W；

π——帕尔贴系数，V；

I——制冷器工作电流，A；

αP——P型半导体的温差电动势；

αN——N型半导体温差电动势；

TC——导体材料冷端温度。

焦尔效应

QJ=I2R=I2ρL/S

(3)

式中：QJ——焦耳效应产生的焦耳热;

R——制冷模块的电阻；

ρ——电阻率；

L——电阻长度；

S——电阻横切面积。

傅立叶效应

QK=K(TH-TC)=KΔT

(4)

式中：QK——傅里叶效应传导的热量；

TH——导体材料热端的温度；

K——导体材料的总热导率；

ΔT——导体材料的温度差。

2.2 制冷工况分析

在实际应用中，制冷片通常存在一般、最优、最大制冷量和最大制冷效率四种工况[16-18]。因在冷冻猕猴桃花过程中冷冻箱需要保持低温状态，且为短期使用，所以要求制冷量尽可能大。故本文采用最大制冷量工况。在最大制冷量工况下，对电流求导，令d(QC)/dI=0得到电流

I=(αP-αN)TC/R=5.099 A

(5)

则最大制冷量

Qmax=(αTC)2/2R-KΔT=27.78 W

(6)

其中：α=αP-αN、ΔT=TH-TC。

制冷功率

(7)

制冷系数

(8)

3 基于COMSOL的制冷仿真参数设置

3.1 材料物理性能定义

冷冻箱体内猕猴桃花分层摆放，托盘采用导热性良好的铝制品。冷冻箱尺寸为440 mm×320 mm×220 mm。将三层猕猴桃花均匀放置在冷冻箱内，花的厚度为30～35 mm，托盘厚度为2 mm，模型如图2所示。

图2 猕猴桃花分布模型

确定植物导热系数λ的经验公式[19]

λ=0.148+0.493ω

(9)

植物比热容CP的经验公式主要有Lentz模型[20]以及Sweat模型[21]。

CP=(1.470+2.720ω)×1 000

(10)

CP=(1.381+2.930ω)×1 000

(11)

部分材料参数见表2。

表2 材料物理性能参数Tab. 2 Physical performance parameters of materials

3.2 物理场设置

仿真中物理场设置为固体和流体传热，三维瞬态求解器的时间步长为30 min[22-23]。并计算出在最大制冷量工况下单片制冷片制冷参数如表3所示。

表3 工况下制冷片性能参数Tab. 3 Performance parameters of refrigeration sheet under working conditions

仿真时，将制冷片定义成热源；制冷片为6片时，即满足制冷条件同时又满足成本要求。由公式Qmax=P0/u(u为工作电压)算出热耗率P0=Qmax×u≈-333 V(制冷为负),且所有边界设置为绝热。

3.3 探针与制冷片位置确定

设置制冷量、时间步长为恒定值，通过改变制冷片安装位置变化来测试温度场的变化。以模型左下角为原点，长宽高为(x、y、z)轴，探针坐标如表4所示，探针位置如图3所示。

表4 仿真模型内探针坐标Tab. 4 Probe coordinates in the simulation model

图3 探针位置示意图

仿真过程中将制冷片编号设置为1～6，如图4所示。通过制冷片坐标位置的变化来探究合适的摆放位置，设置A到J组仿真，模型长高建立坐标系如表5所示。

图4 制冷片摆放位置

表5 制冷片坐标Tab. 5 Position coordinate table of refrigeration sheet

4 COMSOL制冷仿真结果分析

4.1 空载仿真结果分析

通过COMSOL温度场仿真分析得出10组空载下的温度—时间变化结果，制冷片在不同位置下制冷温度—时间变化如图5所示。从图5中可知前四组温度较为集中，后六组温度较为分散，说明前四组在制冷过程中温度场分布较为均匀；而后六组温度场不均匀，局部温度过高且某些部位温度过低，即后六组摆放位置不满足需求。另外，从前四组仿真结果可知，A、D两组温度场分布较为分散，空载B、C两组温度最为集中，且温度均分布在220～250 K之间。通过比较B、C两组试验数据，得到C组的温度场最适合用于猕猴桃花冷冻，且满足分离前的温度要求。故采用C组模型进行安装制冷片，能够大大缩短花粉冷冻时间和提高花粉分离效率，为果农在短期内完成授粉提供有力的保障。

图5 空载仿真试验结果

空载C在制冷时间为500 s时的仿真模型切面如图6所示，其温度范围在230～290 K之间。腔内热量的减少主要是冷冻箱与外部环境间的对流导致，其特点是四周降温较快，中间部分降温速度较慢，腔内温度场均匀性符合要求。

图6 空载C制冷仿真结果

4.2 工况下仿真结果与分析

将空载C确定的最优制冷片的位置带入最大工况下进行实际仿真，并把猕猴桃花冷冻结晶温度设为253～258 K，且在仿真模型中按照表4给出的坐标分别施加探针。通过改变箱内初始温度和仿真时间得到制冷箱在最大制冷量工况下的制冷效果如下。

1) 当初始温度为293.15 K，最大制冷量工况下制冷20 min仿真结果如图7所示。仿真温度范围在230～290 K之间，模型上部温度明显低于下部，且下部温度过高，不能满足冷冻猕猴桃花温度要求。

2) 当初始温度为293.15 K，最大制冷量工况下制冷30 min仿真结果如图8所示，箱内温度符合猕猴桃花冷冻要求。通过改变时间提取不同探针处的实际仿真温度，得到温度—时间曲线如图9所示。

图8 工况下制冷30 min仿真结果

从图9中可以明显看出5个探针位置的温度变化，其中4个探针处的温度逐渐趋于稳定，且变化率低，表明温度场均匀性进一步提高。但图9中探针①处的温度随着时间的增大温度变化率较大，原因是探针①的位置处于冷冻箱中间；在实际仿真时，由于快速换热导致温度变化较快，但对于箱内温度场的均匀性影响较小。

图9 室温293.15 K工况下仿真温度-时间

3) 当初始温度为263.15 K，最大制冷量工况下制冷10 min仿真结果如图10所示，制冷15 min时仿真结果如图11所示，图示温度范围在230～290 K之间。与初始温度为293.15 K下的温度场相比，其温度达到预期设定值的时间明显降低。通过改变时间提取不同探针处的实际仿真温度，得到温度—时间曲线如图12所示。

图10 工况下制冷10 min仿真结果

图11 工况下制冷15 min仿真结果

图12 室温263.15 K工况下仿真温度—时间

从图12中可以看出五个点的温度变化与图9一致，但稳定后的温度场均匀性更加适应于分离。在此条件的实际仿真过程中，在批量冷冻过程中10～15 min 就能完成一次冷冻工作，冷冻时间明显缩短，为冷冻后再分离猕猴桃花粉提供了试验基础。

5 猕猴桃花粉机械分离工作原理与试验结果分析

5.1 猕猴桃花粉机械分离工作原理

猕猴桃花粉分离机的局部剖面结构如图13所示。其原理为：首先将猕猴桃花通过手动或自动的方式投入进料口；通过电机带动进料螺旋转动，花朵在进料螺旋的推动下沿着内壁进入分离机；移动过程中受到挤压和摩擦的作用，致使花朵破碎，进而有效的实现花粉分离。破碎分离后残留的花朵大碎片从进料螺旋后端的出料口排出，花粉以及少量花朵小碎片从进料螺旋下面的固定筛网下落至筛分装置；筛分装置中的运动筛网与偏心轮机构连接并在工作时做上下往复运动，细小的花粉在运动过程中通过运动筛网掉落至花粉收集装置，而花朵小碎片在运动筛网上经过推送排出。最终实现猕猴桃花粉的高效分离。

图13 猕猴桃花粉分离机的局部剖面结构

5.2 猕猴桃花冷冻分离试验

通过上述仿真结果，设计试验如下：在型号为BD/BC-205MB的容声冷柜中对猕猴桃花进行冷冻，猕猴桃花分层装入冷柜冷冻，层厚为30～35 mm，冷冻温度取-18 ℃、-21 ℃和-24 ℃，时间取10 min、15 min 和20 min。根据猕猴桃花冷冻程度，将猕猴桃花粉冷冻机械分离试验分为三类：第一类是在花朵未冷冻下进行机械分离试验；第二类是在(-18 ℃，10 min、15 min)、(-21 ℃、-24 ℃，10 min)冷冻条件下进行花粉机械分离试验；第三类是在(-18 ℃，20 min)、(-21 ℃，15 min、20 min)、(-24 ℃，15 min、20 min)冷冻条件下进行机械分离试验。猕猴桃花粉分离设备如图14所示。

图14 猕猴桃花粉分离设备

上述三类机械分离试验中，以猕猴桃花未冷冻机械分离、在-18 ℃下冷冻15 min后机械分离和在-21 ℃ 下冷冻15 min后机械分离为代表，每次进行分离试验使用的花朵质量均是200 g，通过实际分离试验得到的花粉分离结果如图15所示。

图15(a)分离后得到花瓣和花粉混合物的质量是12.34 g。结果显示混合物中花瓣居多，花瓣与花粉严重混淆，导致花粉质量和产量变低。对混合物进行干燥和花粉提取，得到出粉率为1.4‰，不能实现猕猴桃的批量生产。图15(b)分离后得到花瓣和花粉混合物的质量是9.52 g。结果显示花朵与花粉少许粘接，分离效果与图15(a)比较明显提高。对混合物进行干燥和花粉提取，得到出粉率为2.1‰。图15(c)分离后得到花瓣和花粉混合物的质量是8.29 g。结果显示分离后的花粉与花瓣粘接的程度明显小于图15(b)，且含水量低，进一步提高了花粉的质量。对混合物进行干燥和花粉提取，得到出粉率为3.9‰，实现了猕猴桃花粉的高效分离。图15(d)是人工分离得到的花粉，花粉质量为7.81 g。结果显示人工分离的花粉颗粒分明，含杂少，分离效果最好。对花粉进行干燥和提取，得到出粉率为4‰。在机械分离试验中，猕猴桃花在-21 ℃下冷冻后的分离效果和花粉出粉率均高于未冷冻和-18 ℃下冷冻后的分离和提纯结果；在-21 ℃下冷冻后的花粉出粉率与人工分离提取的花粉量比较接近，但机械分离相比人工提取具有高效、快捷等优势。因此，将猕猴桃花先冷冻后再进行机械分离，不仅能够有效分离花粉，节约能耗和成本，而且大幅度提高了猕猴桃花粉的质量与产量，很大程度上促进了贵州猕猴桃产业的高质量发展，为助力贵州脱贫攻坚奠定了坚实基础。

6 结论

本文针对贵州猕猴桃花粉机械分离过程中存在粘接现象，提出采用一种半导体冷冻箱将猕猴桃花冷冻后再投入机器分离的方法。利用COMSOL仿真得到空载时最优制冷片的位置，通过改变初始温度，并提取和分析不同探针处随时间变化的温度，分析得到结论如下。

1) 猕猴桃花在冷冻前后机械分离效果差异较大，根据猕猴桃花结晶温度在253～258 K之间，以及对半导体最大制冷量的计算，确定选用TEC1-12706制冷片，在最大制冷量工况下取用6片制冷片。

2) 利用COMSOL对半导体冷冻箱空载及工况下的制冷效果进行仿真分析，通过模拟空载条件下不同制冷片的位置的温度场均匀性，确定了最优制冷片的安装位置，即空载C。

3) 通过仿真得到，在初始温度为293 K条件下制冷30 min，实际模型各点温度下降到258 K以下。当箱体内温度平衡在263 K左右时，冷冻猕猴桃花下降到258 K只需10 min。猕猴桃花经过冷冻后再投入花粉分离设备中进行分离，分离效率大幅度提高，促进了花粉的批量提取，猕猴桃花期授粉得到了有力保障。

4) 猕猴桃花在-21 ℃下冷冻后的分离效果和花粉提取率均高于未冷冻和-18 ℃下冷冻后分离和提取的结果，得到花粉的出粉率为3.9‰，与人工分离提取的花粉量相近，实现猕猴桃花粉的高效分离和批量提取。