压差预冷系统的 理论分析与 研究

徐正英 王小伟

深圳市兄弟制冰系统有限公司

摘 要

随着食品冷链的迅速发展，对冷却工艺的要求越来越高。其中差压预冷是快速、均匀、节能的预冷工艺之一。针对差压预冷系统的特性研究尚未出现较为成熟的理论分析方法，本文着重分析如何提高压差预冷的特性及压差预冷在食品冷链中运用。并在实际的冷库工程和移动式冷藏集装箱得以运用。结果表明传热能良好，能效比提升，确保了食品的新鲜度。可以广泛的推广到各种果蔬的预冷过程。

关键词：

差压预冷，阻力系数，内热源，导热率，传热系数，呼吸热，孔隙率

一、绪论

1.1 研究背景

水果和蔬菜在人类饮食结构中占有重要地位，是人体所需维生素、矿物质和微量元素的重要来源。然而，新鲜的果蔬又极易萎蔫、甚至腐烂变质，因此，如何有效地保存果蔬、维持其原有品质是全世界极为关注的课题。

研究表明，果蔬在采摘后虽然停止了促进其生长的光合作用，但因本身仍是活的机体，呼吸作用仍在进行，并成为新陈代谢的主导作用。果蔬的成熟和采摘多在炎热高温的夏秋季进行，采摘后的果蔬贮存有大量的田间热，这些田间热促进呼吸作用，消耗大量的有机物质，加剧了微生物的繁殖和营养成分的破坏，导致果蔬的衰老和死亡，降低了经济价值。因此，在果蔬采摘后，如何尽快消除田间热和控制呼吸强度是保持果蔬新鲜的关键步骤，而预冷则是实现这一步骤的重要方式之一。

预冷是利用低温处理方法，将采后果蔬的品温迅速降到工艺要求温度的操作过程 。预冷后的果蔬不仅品质较高，有利于防止贮运过程中果蔬的质与量的损失；而且可有效降低冷藏车、冷藏船、冷藏库等的冷负荷，实现冷藏贮运装置的节能运行。因此，美国、日本、澳大利亚等发达国家把预冷作为果蔬采摘后的必不可少的首道工序。

1.2 预冷方法

根据载冷介质不同，预冷方法主要分为冰预冷、水预冷、真空预冷和空气预冷四种主要方式，其中空气预冷又可分为强制通风预冷和差压预冷。

差压预冷是空气预冷的一种新形式，其原理如图1-1所示，它是利用差压风机的抽吸作用，在包装容器的两侧形成一定的压力差，使冷空气经包装容器上的通风孔强制通过包装容器内部，与果蔬表面直接进行换热，从而使物品快速、均匀地冷却到工艺要求的温度范围的预冷方法。

目前，差压预冷通常采用中心抽吸式、侧面抽吸式和隧道式三种形式，差压预冷缩小了生产所需空间，库容利用更加合理，其冷却速度更加迅速（预冷时间可降为3～4小时），且冷却均匀，适用于各种果蔬，减少了水分蒸发造成的产品表面凝缩，提高了产品质量。虽然其初投资比强制通风预冷高，码垛堆积费时，但其突出优点，在欧美等国家压差预冷仍然是运用最为广泛。

1－冷风机，2—差压风机，3—静压箱，4—包装箱，5—预冷库

图1-1 差压预冷示意图

二、压差预冷中的空气的流动特性

2.1 果蔬对预冷空气的阻力系数

目前，对差压预冷过程中空气通过果蔬时的流动特性较多采用多孔介质理论来进行研究。多孔介质是多相物质共存的组合体。在多相物质中一定有固体相，称为固体骨架，没有固体骨架的那部分空间称为空隙（或孔隙），它由液体或气体或汽液两相占有。固体骨架分布于多孔介质所占据的整个空间内，多数空隙是相互连通的，无论果蔬在箱内是规则排列、还是随机排列，其差压均与空气流速呈约2次方即：

（2-1）

其中： ——压力降， Pa

——空气流过长度， m

——箱体横截面空气的平均流速， m/s

——物品堆放的孔隙率：（总容积－产品占用容积）/总容积

——产品（多孔介质）的平均当量直径， m

将空气的体积流量 （A：空气的流通面积，即箱体横截面积；v：空气流速）代入方程（2-1），可得

(Pa) （2-2）

其中， ( Pa.s²/m⁶)称为果蔬的阻力系数，其大小取决于空气流动长度、横截面积以及果蔬个体的当量直径和果蔬堆放的空隙率。

根据流体力学原理，空气通过管道时产生的压降与流量呈2次方关系。把预冷空包装箱看成管道，即在（2-2）式中当a=2时，果蔬产生的压降与包装箱产生的压降具有相同的因次，对于计算空气流经包装箱（包括空箱与果蔬）的总阻力具有很好的帮助。

2.2 包装箱对果蔬阻力系数

空气流经包装箱两侧的开孔时具有压力损失，该压力损失将直接影响到差压预冷箱的风机工作点，因此在差压预冷研究过程中，必须考虑包装箱开孔所造成的压力损失。空气流经箱体两侧的开孔时，相当于差压预冷流体网络中的突缩与突扩过程。根据流体力学原理可知，空气在突缩与突扩前后所产生的压力降为

（2-3）

其中：m是孔口形状系数，m>1，即由空气进入箱体时孔口产生的突缩加上离开箱体产生的突扩组合，共同形成的箱体阻力。

为了与果蔬的阻力系数 相区别，定义包装箱阻力系数为 ，则空气通过包装箱时产生压降：

（2-4）

根据实验结果，以开孔率为变量拟合不同开孔形状、开孔率条件下包装箱单个进出口产生流动阻力系数:

（2-5）

其中： ——形状因子，无量纲数（ ）

——开孔率，％;

将果蔬放入包装箱中，由于果蔬自身的阻力系数S不变，对包装箱来说加入的果蔬相当于增加内部摩擦颗粒，使得包装箱总阻力系数增大。假设流阻增加量全部集中在包装箱的进出口，则放入果蔬后包装箱总流阻 为空箱流阻和果蔬流阻两部分组成：

（2-6）

其中：定义n为孔口阻力放大系数，n>1，表示加入果蔬后突扩与突缩的阻力系数大于空箱时突扩与突缩阻力系数的程度。

进一步实验表明，开孔率越大，空气进入包装箱开孔后越均匀的吹向果蔬，n越小。

2.3 果蔬的呼吸热与蒸发系数

果蔬在贮藏期间，因呼吸作用将消耗氧气，产生热量，放出二氧化碳、水蒸气及其它气体，这将直接影响到贮藏环境、果蔬质量及贮藏期。呼吸作用的强弱以及冷却过程的快慢又与果蔬的热物性有关。

果蔬的热物性对于设计果蔬的冷却、冻结及贮藏系统有着重要作用。果蔬的物性包括：含水率、冻结点、密度、融化潜热、呼吸热、蒸发系数、焓值、比热、导热系数、热扩散率、传热系数、干耗强度等。在差压预冷过程中，果蔬的呼吸热和表面蒸发对果蔬的传热过程影响很大，需对其进行详细分析。

呼吸热

任何生命体都具有呼吸作用，吸入氧气，放出二氧化碳，同时放出热量。其化学方程式为：

（2-7）

式中的Q表示果蔬的呼吸热，通常用呼吸率来描述其大小。水果、蔬菜、花卉等在贮藏过程中均会释放出大量的呼吸热，相对而言，干品的呼吸率较低，而新鲜未成熟的品种呼吸率则较高。研究表明，温度对呼吸率有较大影响，在0～30℃范围内，每增加10℃，呼吸率增加2～3倍；温度再升高，呼吸作用将有所减缓。大多数蔬菜在采收后的前几天呼吸率比较大，此后将降至平衡点。

新鲜果蔬中水分的蒸发是一个传热、传质过程。果蔬中以液相的形式蓄存着大量水分，水分吸热蒸发产生水蒸气通过表面传入周围环境中。蒸发系数是指单位质量果蔬在单位时间、单位水蒸气分压力差作用下蒸发出水的质量，单位为kg/kg.s.Pa；。蒸发系数是影响果蔬质量的主要因素之一，

蒸发系数

新鲜果蔬中水分的蒸发是一个传热、传质过程。蒸发系数是指单位质量果蔬在单位时间、单位水蒸气分压力差作用下蒸发出水的质量，单位为kg/kg.s.Pa；水分蒸发时吸收果蔬自身的热量，对于果蔬的冷却有利，但随着果蔬温度的降低，其蒸发强度逐渐减弱。

2.4 压差预冷系统的应用领域分析与优化

由于包装箱产生流阻主要集中在箱体进出口，且随开孔率增大而减小，因此应当在保证箱体强度情况下采用较大的开孔率，采用圆形开孔并将开孔位置置于箱面的对称中心，都可以减少箱体对空气流动阻力的影响。对于各种形状果蔬，采用多种堆码方式时产生的流阻有很大差别，按照最小阻力情况堆码的果蔬会加快预冷速度。

静压箱中的风机是差压预冷系统的动力设备，也是差压预冷系统不可缺少的重要组成部分。从风机的运行曲线可以看出，风机可以在多种不同的流量和压头的工况下工作。

1. 风机的性能曲线 2. 特性曲线

图1-2 风机的工作点

在差压预冷箱群组成的流体中，选择合适的风机，是非常关键的一点。获得最小流阻，使得风机工作点右移，增大送风量，加快预冷速度。

根据理论与实践得知，预冷过程前期温度变化较快，后期温降速度变化已经很小，温降幅度也小，即使此时采用较低送风量也不会对预冷速度产生很大影响，但由于差压风机功率与转速的3次方成比例，仍然采用同样的送风量会增加很大耗能。采用变频调速器可通过变频器将风机调整到最佳的工作点,兼有调频调压的作用,具有明显的节电效果。同时根据预冷温度来控制风量的大小,减少了人力的操作,有利于提高预冷生产效率。同时变频器的选型余量不宜过大,应按风机的轴功率选择变频调速器,避免初投资较大，减少投资回收期

参考文献

[1] 刘凤珍, 王强. 草莓压差通风预冷过程中影响参数的研究[J]. 制冷学报 , 2001 , (4) 49-53

[2] 王强，刘凤珍，连添达. 葡萄差压通风预冷实验研究[J]. 食品科学. Vol.22.No.10(2001) 88-90.

[3] 何晖，冯圣洪. 变频调速技术在差压预冷库的应用探讨[J]. 节能. No.12(2001) 15-16

[4] L.普朗特. 流体力学概论. 北京：科学出版社，1981，274-276

[5] 高丽朴，郑淑芳，李武等. 果蔬差压预冷设备及预冷技术研究. 农业工程学报. 2003(11) 185-189.

[6] 任泽霈. 对流换热[M]. 北京: 高等教育出版社, 第一版, 1998.

[7] 吴业正主编. 制冷原理与设备[M]. 西安: 西安交通大学出版社，第四版，1997

[8] 周谟仁主编. 流体力学泵与风机[M]. 北京: 中国建筑工业出版社，第三版，1994

主要符号

6