果箱堆码间距对其码垛区域内气流组织的影响

2022-03-24洪登科刘清江吕德宝

科学技术与工程 2022年6期

洪登科，刘清江*，吕德宝

(1.天津商业大学机械工程学院，天津 300134； 2.天津市制冷技术重点实验室，天津 300134)

随着社会的发展以及人民物质生活水平的不断提高，对果蔬产品的质量和数量的需求也不断增加[1]。但是由于果蔬在采收后，仍然进行着呼吸作用，造成糖类消耗并释放热量[2]，常常会因为储存不当的原因造成其品质和新鲜度等极大降低，有时甚至会产生腐败现象，造成不必要的浪费[3]。因此，对果蔬产品的冷藏保鲜技术变得愈发重要[4]。为了保证果蔬良好的品质，需要将果蔬维持在适合的温度、湿度以及良好的通风环境下进行贮藏[5]。冷库作为贮藏果蔬产品的主要设备，在冷库的储藏量增加的同时，由于没有对果蔬产品进行合理的堆放，导致冷库内果蔬间的气流场分布不均匀[6]，直接影响其内部温度场分布[7]，部分通风条件不佳的冷藏果蔬由于呼吸热的作用产生脱水、腐烂的现象[8]。因此，研究货物的堆码方式对气流组织的影响在冷库贮藏领域存在重要意义[9]。

中外学者在这方面都有做过相关研究。Zou等[10]模拟研究了贮存包装袋货物的冷库，计算了包装内部货物之间的气流形式。Chourasiaa等[11-12]利用计算流体力学研究了袋装马铃薯不同堆放形式和不同堆放尺寸下，马铃薯冷却时间和冷库流场的温度分布情况，并得出了合理的堆叠尺寸和堆叠布置。彭梦珑等[13]通过模拟机冷车内不同货物的堆码方式，得出1 m3为最佳的货物堆码单元。刘永娟[14]通过建立冻结间货物摆放的三维CFD稳态模型，得出在冻结间设置垫仓板、分四堆放置能够使货物间流场分布均匀。周丽等[15]模拟研究了带蓄冷板冷藏车在不同堆放方式下的温度场，提出冷藏货物堆放留有一定间隙能够改善货物的运输品质。孙海亭[16]通过对箱装苹果在不同堆码方式下的气流组织模拟研究，发现风机的高度大于货物的高度且尽量接近库顶时，产生较强的涡旋可以使货物区气流分布均匀。周丹等[17]对一定风速范围内，下吹风式立体冷库内部的气流组织情况进行了模拟研究，结果表明，冷风机出风口与第一列货堆水平距离为零且货物在第一列堆满时，可以获得均匀的气流组织。杨先亮等[18]模拟研究了谷物干燥塔内部结构的改变对其气流组织的影响。曾晰[5]通过模拟研究发现火龙果8垛堆码方式可以改善气流组织。贾发铜等[6]对影响冷藏箱温度场均匀性的诸多因素进行了对比分析，其中指出了货物间隙的重要影响。刘泽勤等[19-20]分别模拟了不同堆码间距和堆码方式对充气保温果蔬冷库和圆柱圆锥形冷库整个库内的温湿度场影响，得出合理的堆码间距可以改善果蔬冷藏库内的温湿度分布。

已有研究大都着重于对货物各自不同堆码形式，基于此，现将研究重点放在果箱局部间隙间的气流场分布。通过实验的方法，以装箱好的苹果为例，通过不断改变苹果箱之间的水平堆码距离分别进行研究，对不同水平间距下果箱之间的气流温度场以及果箱内苹果的预冷效果进行分析，最终得出果箱较为合理的堆码间距。

1 实验装置和方法

1.1 实验装置

本实验在一个外形尺寸为2.8 m×1.8 m×2 m，库门尺寸为0.8 m×0.11 m×2 m，壁厚为11 cm，以聚氨酯泡沫塑料作为中间隔热材料的小型冷库中进行。其中，冷风机是两台对称放置的亚通牌吊顶式冷风机，单台蒸发面积为7.5 m2，风机回风口距墙46 cm，风机侧面距墙28 cm，两风机水平距离为18 cm；压缩机为额定功率2 200 W，型号C-L228F的活塞式压缩机。实验中温度数据的采集由GP10温度采集仪和T型热电偶协同完成。库温的控制则通过控制柜直接采用MCGS(monitor and control generated system)进行双位控制。如图1所示为果箱在冷库中的堆码方式示意图，其中果箱的尺寸为38 cm×20 cm×30 cm。

图1 果箱在冷库的堆码方式示意图Fig.1 The schematic diagram of stacking method of fruit boxes in cold storage

1.2 实验方法

将4箱苹果按如图1所示方式堆码于冷库中。初始库温测得为18.5 ℃，冷却温度设定为-1 ℃。依次将中间层果箱与果箱之间的水平间距调整为0、1、2、3、4、5、6 cm分别进行预冷实验。实验过程中，主要测量和采集苹果表面温度和果箱之间间隙进、出口截面以及中间截面的温度。图2为热电偶的布置测点(为了使测点更直观地展示出来，作图时果箱间距有意扩大)。其中，图2(a)为热电偶在果箱间温度场布置测点，图2(b)为热电偶在苹果表面的布置测点，图2(b)中的编号表示处在该位置上苹果的编号，对苹果进行编号方便后续的数据处理与分析。

图2 热电偶布置测点Fig.2 The layout of the thermocouple

2 结果与分析

2.1 果箱间气流温度场分析

2.1.1 堆码间距对果箱间气流温度场的影响

在预冷时间分别到达6、12 min两个时刻时，果箱间进、出口截面以及中间截面中点温度随果箱水平间距的变化情况如图3所示。

图3 不同时刻下气流场不同测点处温度变化情况Fig.3 The temperature change at different measuring points in the airflow field at different times

由图3可知，在预冷过程中，同一时刻，果箱间进、出口以及中间截面中点3个不同位置上的实测点温度均随果箱间水平间距的增大呈现出下降趋势，且在一定时间内保持基本一致的下降趋势。当果箱间距从0 cm增大到1 cm过程中，各截面中点温度的变化率在整个实验过程中最大，下降趋势最明显。果箱间距从1 cm增大到4 cm过程中，中间截面和出口截面中点的温度继续缓慢下降，进口截面中点的温度由于增大果箱水平间距后，受到果箱间温度场的影响，温度表现出轻微的上升且接近中间截面和出口截面中点温度的趋势。在果箱间距增大到4 cm后，继续增加果箱间距，各测点的温度随着间距的增大不再下降，且基本维持不变。产生这种现象的原因是：果箱间距从0 cm增大到1 cm时，果箱间水平间距从无到有，果箱间气流场的换热得到了很大的改善，此时各截面中点温度下降明显，当果箱间距继续增大，果箱之间气流场换热效果继续改善，但换热强度减小。增大到4 cm之后，果箱间的气流场换热效果已经不受水平间距的影响。

2.1.2 果箱间气流温度场随冷却时间的变化

选取中间截面中点和出口截面中点作为气流场温度变化代表性的测点。在果箱几种不同间距下的同一空间测点的温度随时间的变化情况如下图4所示。

图4 不同间距下不同位置气流场截面中点温度变化情况Fig.4 The temperature change at the midpoint of the airflow field section at different positions at different spacing

由图4可知，在不同的果箱间距下，两个测点的温度变化趋势基本相同。在果箱间距为0 cm时，两测点温度随冷库预冷时间下降缓慢。在果箱间距增大到1 cm时，两测点的温度下降速度都大幅增加。此时的换热效果相比于间距为0 cm时得到明显的改善。在间距由1 cm增大到4 cm的过程中，温度变化曲线的斜率逐渐增大，说明随着果箱间距的增大，果箱间气流场温度下降速度越来越快。在果箱间距分别为4、5、6 cm时，两测点的温度变化曲线基本重合。这说明果箱间距增大到4 cm之后，果箱间的气流场换热效果已经不受水平间距的影响。

上述实验结果分析中，分别从空间和时间两个角度对数据进行了整理和分析。可以得出以下结论：果箱在冷库中堆码时，在一定范围内增大果箱之间的堆码间距，可以改善果箱间气流场的换热效果，使得温度场分布均匀。由于均匀的温度场更有利于果蔬的贮藏保鲜[5,21]，因而合理的间距可以使得果蔬贮藏时间延长、腐败率降低、贮藏品质增加[22-24]。但是当间距增大到4 cm之后，继续增大间距对果箱间气流场换热效果的改善效果就不再明显，此时虽然能保证果箱之间气流场的换热效果，但是果箱堆码间距增大，无疑会使得冷库的货物空间占比减小，造成空间的浪费，减小冷库的库容量。因此从贮藏效果和经济效益两方面考虑，果箱水平间距1～4 cm是冷库中果箱较为合适的堆码间距。

2.2 苹果预冷效果分析

为探究果箱内苹果的预冷效果，选取位于中间位置的苹果14作为具体分析对象，进行苹果预冷实验分析。通过实验得到，在果箱不同间距下，苹果14温度随预冷时间的变化曲线如图5所示。

图5 不同间距下苹果表面温度随时间的变化Fig.5 The change of surface temperature of the apple with time under different spacing

分析图5可知：在苹果预冷过程中，可以将其分为预冷前阶段和预冷后阶段，在预冷的前3.5 h前，该过程苹果温度下降约10 ℃，下降速度较快。在预冷的后6.5 h内，此过程苹果的温度一共下降约6 ℃，下降速度较为缓慢。原因是，预冷前期冷风机送风温度与库内温度温差大，换热效率高，随着预冷的进行，库内温度与送风温度温差减小，换热效率下降。

如图5所示，果箱间距为0 cm时，苹果14的温度变化曲线在整个温度变化图的最上方，即这种情况下，苹果在预冷过程中各时刻的温度均为最高，换热效果最差；当果箱间距增大到1 cm时，苹果14号的温度整体低于间距为0 cm时苹果的温度，说明码垛区域内气流组织的改善使得箱中苹果的换热效果也得到明显改善；当间距增大到2 cm时，苹果温度继续表现出整体降低，即换热效果继续改善；但当间距增大到4 cm时，此时的苹果温度变化曲线与间距为2 cm时的温度变化曲线基本重合。间距增大到2 cm前，苹果温度变化曲线的斜率随着间距的增加呈增大的趋势，说明此时随着果箱间距的增加，苹果与库内环境的换热效率增加，缩短了预冷时间，提高了预冷效果。间距增大到4 cm时，其温度变化曲线与间距为2 cm时的变化曲线基本重合，说明当间距增大到2 cm之后，继续增大果箱间距对苹果预冷的影响甚微。由此可知，果箱水平堆码间距2 cm是苹果预冷降温较为合适的堆码间距。