劉海波

（中農(nóng)聯(lián)企業(yè)運營管理有限公司,北京 100000）

豬肉由于貯藏溫度和成熟時間等不同,有冷凍肉、熱鮮肉、冷鮮肉之分[1]。目前市場上更受消費者歡迎的是熱鮮肉和冷鮮肉[2]。然而,有專家指出只要正確解凍和合理食用,冷凍肉更衛(wèi)生、新鮮、好吃、有營養(yǎng)。而且,冷凍豬肉作為國家儲備肉的重要組成部分還可作為應對突發(fā)事件、平抑肉價波動的重要手段[3]。

通過仿真模擬加試驗驗證的手段預測食品在冷藏過程中的變化已經(jīng)被廣大學者采用[4-7]。采用仿真模擬的方法具有成本低、能模擬較復雜和較理想過程的特點[8]。冷庫內貨物的冷藏過程可以通過模擬獲得[9],冷庫內的冷空氣的氣流組織變化同樣可以通過模擬實現(xiàn)[10],通過模擬改變冷庫的設計參數(shù)和貨物的包裝可以實現(xiàn)冷藏效果的最佳化[11-12]。

本文以提高凍豬肉庫內豬肉冷藏效果為目的,建立仿真模型對目標凍豬肉庫內在不同冷風機出風風速下冷庫內空氣速度場和溫度場進行模擬,對比分析了不同冷風機出風風速下豬肉冷藏效果的差異,并提出了針對凍豬肉的冷風機出風風速建議,為了更好地冷藏豬肉,保持豬肉品質,滿足食品衛(wèi)生要求提供參考。

1 物理模型的建立

以儲存凍豬肉的冷庫為研究對象進行建模和仿真分析,如圖1 所示。冷庫內部規(guī)格：長34m,寬8m,高5.7m；回籠間規(guī)格：長3m,寬2.5m,高2.8m；4 臺冷風機底部距地面3.5m,位于庫房中心位置。

圖1 庫房模型

1.1 網(wǎng)格劃分

對模型的網(wǎng)格劃分以四面體網(wǎng)格為主,在適當?shù)奈恢冒骟w、錐形和楔形網(wǎng)格。

1.2 模型的簡化與假設

對模型做如下假設：由于試驗用庫房左右各有相同類型冷庫,因此左右兩側壁面均視為絕熱；庫房地面按絕熱處理忽略冷庫內部管道、支架對溫度場的影響；冷庫內空氣為理想不可壓縮氣體。

1.3 確定邊界條件和初始條件

冷風機出口溫度、風速按照測試值設定,出風溫度-21.3℃,風速為測量平均值7.32m/s,湍流強度按5%設置。風機回風口條件設為自由出流。湍流模型采用標準k-ε 模型,SIMPLE 算法,近壁區(qū)域流動采用壁面函數(shù)法。

1.4 仿真豬肉參數(shù)設定

豬肉密度取平均密度1000kg/m3,Cp=1340j/（kg·k）,λ=1.4w/（m·K）,豬肉溫度可根據(jù)生產(chǎn)工藝,按從其他庫房調入的凍結豬肉溫度計算,取-15℃。

采用上述經(jīng)過驗證的模型,開展不同工況下冷庫內部流場及溫度場的分析。根據(jù)冷庫設計及使用規(guī)劃,冷庫內儲存的是冷凍豬肉,豬肉碼放在托盤上呈立方體狀,托盤規(guī)格為1.2m×1m×0.1m,豬肉立方體規(guī)格為1.2m×1m×1.5m 共計160 盤。因此,為了使本文的工作更加有現(xiàn)實意義,不同條件下的模擬結果均為在帶有貨物的情況下進行的。

冷庫內原有貨物堆放形式如圖2 所示。冷風機送風速度實測平均值為7.32m/s,送風溫度-21.3℃。保持貨物堆放形式及冷風機送風溫度不變,在送風速度為6.32 m/s、7.32 m/s、8.32 m/s、9.32 m/s 時,對冷庫內的速度場和溫度場模擬。

圖2 冷庫原有規(guī)劃形式

2 冷庫內速度場分析

圖3 為不同送風速度下的冷庫內空氣流線圖?？諝饬骶€圖很好的反應了在冷風機不同出風風速下冷庫內氣流組織的運動情況,冷空氣首先從風機出風口送出,具有較高動量,速度較快,空氣流線較為密集,氣流在前進過程中受阻力影響速度逐漸衰減,流線開始發(fā)散,與周圍空氣不斷進行熱質交換,并且受到重力影響,流線向下彎曲,距離主流越遠的流線受到外界影響越快,氣流達到一定射程后,邊緣區(qū)域流線的水平速度逐漸衰減到零,氣流運動主要由重力主導,冷空氣下降到地面,一部分最終隨著冷風機的回風氣流被冷風機吸入,而風機吹出的主流冷空氣則會因為受到冷庫壁面的阻礙而改變流動方向,流線瞬間發(fā)散開來并沿反方向流動將整個冷庫內的貨物包圍起來,對貨物進行熱量交換,隨著動量逐漸減少,由重力主導,冷空氣下降到地面,絕大部分也會隨著冷風機的回風氣流被冷風機吸入。隨著冷風機出風速度的增加會發(fā)現(xiàn),貨物與壁面間的流線密度增加了,冷風機的回風流線密度增加了,流線對貨物的“包裹”程度增加了,這些也就意味著冷空氣對貨物的冷卻效果會增加。

圖3 不同送風速度下空氣流線圖

冷庫內空氣流動會導致形成渦流區(qū),渦流區(qū)流線紊亂,氣流流動存在死角,不利于熱量傳遞,從流線的分布規(guī)律可以確定,貨物于墻壁間保持適當?shù)木嚯x利于冷空氣的流動,可以有效減少渦流區(qū),對于冷庫內貨物的冷卻效果是十分有利的。流線圖上觀察發(fā)現(xiàn),適當增大冷風機出風速度,貨物與冷庫壁面間的流線增加了,在冷庫兩端產(chǎn)生的渦流區(qū)內的氣流會從貨物與壁面間的空隙流走,形成良好的回流,貨物完整的包裹在冷氣流中,對于貨物的存儲十分有利。但送風速度過大時,由于氣流具有過大的動量,導致冷庫內氣體流線不易穩(wěn)定,空氣組織容易變得紊亂,不利于形成回流。

因此,理想的送風速度既要保證冷庫內氣流組織的完整性,又要減少渦流區(qū)的影響、減小冷庫內的溫度場變化。

3 冷庫內溫度場分析

圖4 和圖5 為在不同高度截面上空氣溫度分布情況。在不同冷風機出風速度下,同一高度截面上空氣溫差不大,但是在冷庫兩端空氣溫度場分布更加均勻,在冷風機附近空氣溫度場分布較差,若不考慮冷風機射流主流,冷庫兩端空氣溫度低于冷風機附近區(qū)域。

圖4 Z=4.12m 切面溫度分布云圖

圖5 Z=2.45m 切面溫度分布云圖

從圖中可以發(fā)現(xiàn),適當增加冷風機出風口速度,冷風機附近相對溫度較高的區(qū)域面積逐漸減小,冷庫兩端相對溫度較低的區(qū)域逐漸向冷庫中心擴展,這意味著冷庫內的空氣的溫度場均勻程度增強了,這對于貨物的冷藏是有利的。但是觀察發(fā)現(xiàn),冷風機出風口速度增大到一定程度后,這一趨勢不復存在了,通過前文對流線的分析,這種現(xiàn)象的原因是由于冷庫內的空氣組織在適當增加冷風機出風口速度時得到了優(yōu)化,因此冷庫內空氣溫度均勻性得到改善,在風速過大時冷庫內的空氣組織開始變得紊亂,所以冷庫內空氣溫度均勻性又變差了。

4 結論

結合在不同冷風機出風風速下冷庫內空氣速度場和溫度場分布,可以認為本文所研究的冷庫對象, 冷風機出風風速在7.32m/s～8.32m/s 較為適合,可以提高冷庫的冷藏效果。