蘋果預冷中變風速的節(jié)能效果研究

蘋果預冷中變風速的節(jié)能效果研究

1冷卻原料加工自建冷技術是中國未來預冷技術的亮點之一。它通過差壓風機的作用,在預冷果蔬前后兩側形成一定的壓力差,使已有的冷空氣有組織、均勻地通過果蔬堆層內部,達到果蔬快速均勻冷卻,除去田間熱,此技術在國外已有廣泛的運用。目前國內有部分研究機構對此開展了研究,主要集中于不同果蔬的工藝研究,以確定不同果蔬的冷卻工況,但很少有關于差壓預冷設備能耗方面的研究,造成了預冷時的“大馬拉小車”現(xiàn)象,形成能源極大的浪費。對差壓預冷風機不同風速下的能耗及其相關的預冷效果進行了分析,并進行了實驗研究,以更好地確定差壓預冷時所需要的運行條件。2風機功率計算及驗證根據(jù)有關的理論,可以知道,風機功率是與空氣流量及壓頭有關的值,如式(1)計算:Ν=(r×Q×Η)η(1)N=(r×Q×H)η(1)式中N表示風機功率(kg·m2/s3);γ表示空氣的容重(kg/(m2·s2)),對空氣而言為11.8;Q表示預冷空氣流量(m3/s);H表示壓頭(mH2O);η表示差壓風機的效率,在一般情況下為75%。對于風量Q,可以通過測量水果堆層冷風入口側的風速及通道面積求出:式中v為預冷入口側風速(m/s);S為氣流通道面積(m2)。氣流壓頭則是由動壓頭和靜壓頭組成,由式(3)計算。Η=△pr+v22g(3)式中Δp為冷風通過果蔬時的壓力損失(kg·m/s2);g重力加速度度(m/s2)。Δp值的計算,國內外有許多學者進行過研究,在此采用文獻的計算式,如式(4):p=6.03×v1.92D-0.125h/ζ3(4)式中D為果蔬的定性尺寸(m);h為預冷果蔬的堆放厚度(m);ζ為果蔬堆放的空隙率。此公式為經(jīng)驗公式,Δp值只是一個絕對數(shù)值。把式(2)、(3)和(4)代入式(1)中有式(5):N=γ×v×S×[6.03×v1.92×D-0.125×h/(γ×ξ3)+v2/(2×g)]/η(5)從(5)可以看出。風機功率正比于預冷果蔬入口處風速,并成三次方比,而反比于包裝箱內的空隙率。圖1顯示了不同風速條件下差壓風機所需要的功率。計算條件為:迎風面積S為0.0888m2(370mm×240mm),定性尺寸D為0.033m,h為0.084(280mm×3)。從圖中可以看出,當風速為1m/s時,風機所需要的功大約為18.5W,而當風速為2m/s時,風機所需要的功為180W,明顯遠大于風速為1m/s時的值。這時就要分析提高預冷風速造成的能耗增加及其所造成的預冷果蔬溫度降之間的關系,選擇一個較適宜的風速來進行預冷,下面就溫度降與預冷風速之間的關系進行分析。3不同預冷厚度對水果溫度的影響在差壓預冷過程中,考慮球形果蔬Bi數(shù)的值,其溫度變化可以用集總參數(shù)法進行求解,并考慮堆放厚度的影響,如式(6):式中:θh為果蔬堆放厚度h處的過余溫度(℃),T-Tf;Tf為預冷空氣溫度(℃);θ0為初始過余溫度,T0-Tf,T0為果蔬的初始溫度;ρ為貯藏果蔬的密度(kg/m3);cp為貯藏果蔬的比熱(J/kg·℃);α為果蔬表面的對流換熱系數(shù)(W/m2·℃);D為果蔬的定性尺寸(m);τ為預冷時間(s);C為一常數(shù),隨預冷果蔬堆放厚度、種類、包裝方式等形式變化,其數(shù)值的確定要經(jīng)過多次實驗,其余符號意義同上述公式。(6)式中等號右邊的第三項為考慮果蔬堆放厚度的影響。當預冷空氣進入果蔬后,在吸收果蔬的熱量后,溫度會隨著堆放厚度升高,相對于后面的果蔬而言,預冷空氣溫度也升高,因此必須考慮這一部分的影響。圖2顯示了按式(6)所計算的堆放中心實驗水果溫度隨隨時間和預冷風速變化的曲線,圖3則顯示了在預冷結束時實驗水果不同堆放厚度的溫度。計算條件為蘋果,直徑為0.066m,密度為890kg/m3,比熱為3.6kJ/kg·℃,導熱系數(shù)為0.46W/m·℃,蘋果堆放三層,厚度為0.84m,預冷空氣溫度為2℃,蘋果初始溫度為28℃,C值為0.08。圖2中所顯示的為中心溫度(堆放厚度為0.42m)隨風速及時間的變化曲線。從圖中可以看出,當風速一定時,水果的溫度隨預冷時間而降低,但是溫度變化率在逐漸變小;當預冷時間一致時,水果溫度降隨著預冷風速增大而降低。從圖中還可以發(fā)現(xiàn),不同預冷風速間的實驗果蔬溫度差隨著時間的延長而降低。在預冷開始時,溫度差為0℃,在45分鐘時溫度差為4℃,在預冷結束時溫度差為1.5℃。主要原因可能是在預冷開始時,水果還沒有與預冷空氣進行完全的熱交換,因此溫度差顯示不大;當預冷進行一段時間后,預冷風速大所造成的對流換熱系數(shù)大的效果就體現(xiàn)出來,所以溫度差就大;當預冷繼續(xù)進行時,預冷空氣與水果的溫度差越來越小,所交換的熱量就越小,因此不同預冷風速條件下的水果溫度差就變小。考慮這一點,在預冷時應進行變風速預冷,預冷開始時可以大風速,隨著時間的推進,風速應減小,在達到同樣預冷效果時,這樣可以節(jié)能。因為風機功耗是與風速成三次方比,這從圖1中可以得到驗證。圖3顯示了預冷時間為120分鐘(預冷結束),水果堆放厚度分別為0.033m、0.42m及0.807m處水果的溫度。從圖中可以發(fā)現(xiàn),在相同的預冷時間內,隨著預冷風空氣速度的增大,水果的終止溫度降低。這可以由隨著預冷空氣速度的增大,水果表面與空氣之間的對流換熱系數(shù)增大,傳遞的熱量也增大,因此水果的終止溫度降低。同時也發(fā)現(xiàn),在預冷空氣入口處的水果終止溫度最低,并隨著堆放厚度的增大而升高。堆放厚度為0.033m處的水果的終止溫度為2.85℃,堆放厚度為0.42m和0.807m處的終止溫度分別為4.38℃和4.56℃。4預冷方案的確定從上面分析可以知道,預冷風速對預冷過程的能耗及預冷終止溫度有著重要的影響。為驗證它的影響大小,設計了一套可變風速的預冷實驗系統(tǒng),并進行了5種變風速條件下的蘋果預冷實驗,記錄了風機能耗及不同堆放厚度的溫度。實驗過程中送風溫度2℃,相對濕度90%,開孔面積20%保持不變,水果為蘋果,直徑為0.066m,密度為890kg/m3,比熱為3.6kJ/kg·℃,導熱系數(shù)為0.46W/m·℃,蘋果堆放三層,厚度為0.84m。5種不同風速的預冷實驗條件:預冷前30分鐘采用風速2m/s,后90分鐘采用1m/s;預冷前60分鐘采用風速2m/s,后60分鐘采用1m/s;預冷前90分鐘采用風速2m/s,后30分鐘采用1m/s;預冷120分鐘采用風速2m/s;預冷120分鐘采用風速1m/s。實驗結果如表1至表3。表1列出了不同方案時的風機能耗及水果的堆放中心終止溫度,表2列出了預冷風速恒為1m/s時不同堆放厚度溫度隨預冷時間的變化數(shù)值,表3列出了預冷風速恒為2m/s時不同堆放厚度溫度隨預冷時間的變化值。從表1中可以看出,預冷風速為2m/s時,風機能耗最多,在兩個小時內所消耗的能量為0.75kWh,水果的終止溫度也最低,達到3.5℃;隨著預冷風速的減小,風機消耗的能耗也降低,同時水果的終止溫度升高。以第2個實驗為例,實驗結束時風機能耗為0.56kWh,終止溫度為4.5℃,相對于第4個實驗而言,能耗比例約為75%,而終止溫度只高1℃。這說明在進行預冷時,采取變風速預冷能節(jié)約一定的能源而達到相同的預冷目的。表2和表3的值表明了不同堆放厚度水果溫度隨預冷進程的變化過程。和圖2和圖3相比較,發(fā)現(xiàn)實驗的終止溫度比理論計算的要低。這主要原因是在實驗中,預冷空氣流過水果時由于水果的堆放方式會對預冷空氣的流動產(chǎn)生一定的擾動,加速了水果與空氣之間的換熱,因此水果溫度比理論計算要低1℃左右。5風速隨風速的變化通過以上理論和實驗研究可以得出以下幾點:(1)預冷時風機的能耗受到多方面的影響,其中風