陳殿宇， 劉寶林， 宋曉燕， 莫 凡， 杜 杰

(上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 上海 200093)

冷凍技術(shù)是目前食品保藏的重要技術(shù)之一[1]1。根據(jù)不同食品的理化性質(zhì)與凍結(jié)要求，食品的凍結(jié)方法及裝置多種多樣，分類方式不盡相同。按照冷卻介質(zhì)與食品接觸方式可分為：直接接觸法、間接接觸法和空氣凍結(jié)法。直接接觸法主要包括：液氮凍結(jié)裝置，液態(tài)CO2凍結(jié)裝置等；間接凍結(jié)法主要包括：平板凍結(jié)裝置，回轉(zhuǎn)式凍結(jié)裝置等；空氣凍結(jié)法主要包括：隧道式凍結(jié)裝置、螺旋式凍結(jié)裝置和流態(tài)化凍結(jié)裝置等[2]164。多種形式的凍結(jié)裝置滿足了食品冷凍工業(yè)的基本需求。為了提高食品冷凍工業(yè)的發(fā)展，相應(yīng)的冷凍方法及冷凍裝置也要不斷更新升級(jí)[3]。以往學(xué)者分別從凍結(jié)裝置的選擇，裝置運(yùn)行參數(shù)的控制，凍結(jié)裝置效率和能耗比等做出詳盡的研究[4-8]。對(duì)于顆粒狀食品的凍結(jié)，流態(tài)化速凍裝置是最合適的選擇，它具有多種優(yōu)點(diǎn)：凍結(jié)速度快、食品干耗少、可實(shí)現(xiàn)單體速凍、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)[9]。但是目前該應(yīng)用的推廣尚未成熟，首先是能耗較高，過(guò)多的成本投入使企業(yè)的利潤(rùn)空間降低；其次在速凍過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)真正意義上的流態(tài)化一直是難點(diǎn)。流化床氣體分布的均勻性對(duì)于流體的流動(dòng)特性、傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)都具有重要作用,是影響流化床流化的重要因素[10]。梁亞星等[11]對(duì)流態(tài)化速凍裝置風(fēng)道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證風(fēng)道內(nèi)氣流組織的均勻性。布風(fēng)板作為流化床的核心部件,其結(jié)構(gòu)影響著流化床的傳熱傳質(zhì)性能[12]。因此，課題組針對(duì)流態(tài)化速凍裝置的布風(fēng)板進(jìn)行研究，將氣流參數(shù)和布風(fēng)板孔隙形狀及孔隙率作為變量，設(shè)計(jì)并優(yōu)化布風(fēng)板孔槽的分布；比較不同形式的孔槽及其排布對(duì)流態(tài)化速凍效果的影響，以期提高冷量利用率，縮短食品速凍周期，達(dá)到整套設(shè)備節(jié)能的目的。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建

如圖1所示，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的流態(tài)化速凍裝置流化系統(tǒng)主要由離心風(fēng)機(jī)1、風(fēng)道2和布風(fēng)板3組成。流化床床體是一個(gè)橫截面為400 mm×400 mm，深度為600 mm的長(zhǎng)方體。床體內(nèi)側(cè)裝有卡槽，方便拆裝不同類型的布風(fēng)板。為方便后期冷凍實(shí)驗(yàn)時(shí)，探測(cè)食品顆粒溫度變化，在床體一側(cè)設(shè)置5個(gè)直徑為100 mm、間距為35 mm的孔，用于安裝紅外透鏡。

1.2 材料與儀器

實(shí)驗(yàn)所用新鮮青豌豆產(chǎn)自云南曲靖地區(qū)，選取直徑在6～7 mm剝莢的豆粒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。青豆的參數(shù)見表1。

表1 青豆的物性參數(shù)

專業(yè)級(jí)多功能環(huán)境測(cè)量?jī)xTesto 435-4測(cè)量流化床布風(fēng)板上下的風(fēng)速及壓差。測(cè)量?jī)x含有內(nèi)置式差壓探頭，量程為0～25 hPa，精度為±0.02 hPa，分辨率為0.01 hPa，工作溫度為-20～50 ℃；配有葉輪風(fēng)速探頭435-4，量程為0.6～40 m/s，精度為±0. 2 m/s測(cè)量值，操作溫度為0～60 ℃。探頭位置如圖2所示。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 探究布風(fēng)板孔隙率對(duì)壓降的影響

布風(fēng)板的孔隙形狀、孔隙率和排布方式對(duì)布風(fēng)板壓降都有影響。現(xiàn)以孔隙直徑為6 mm的圓孔，孔隙率分別為25%，30%，32%，35%，37%，40%和45%的布風(fēng)板，討論不同風(fēng)速時(shí)布風(fēng)板的壓降。調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)頻率(10～50 Hz)，使風(fēng)以0～6 m/s的速度吹向物料，風(fēng)速值以流化床入口處的表面平均速度為準(zhǔn)，記錄1.2，2.4，3.6，4.8和6.0 m/s時(shí)的壓降值。分別進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)校核后取并均值，用Excel對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。孔隙率為25%的布風(fēng)板如圖3所示。

2.2 探究布風(fēng)板孔隙形狀對(duì)壓降的影響

表2 布風(fēng)板孔隙形狀

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 布風(fēng)板孔隙率對(duì)壓降的影響

將測(cè)點(diǎn)2，測(cè)點(diǎn)3，測(cè)點(diǎn)4得到的壓降變化取平均值，得到整個(gè)食品層的平均壓降變化，如圖5所示。

大量固體顆粒(果蔬)懸浮于運(yùn)動(dòng)的流體中，此時(shí)不同壓力降的各個(gè)階段[2]170如圖6所示。圖中曲線Ⅰ為正常流化時(shí)的壓降曲線；曲線Ⅱ?yàn)榱鲬B(tài)化時(shí)產(chǎn)生流溝而得到的不穩(wěn)定情況。B點(diǎn)的氣流速度uk為臨界流化速度，△p為床層壓力降。

臨界流化速度

uk=1.25+1.95lgGp。

正常操作速度

u=2.25+1.95lgGp。

床層壓力降

△p=H0(1-ε0)(ρs-ρf)g。

式中：Gp為凍品單體的質(zhì)量，g；H0為食品層的靜態(tài)高度，N/m2；ε0為食品顆粒床層的空隙率，ε0=1-(ρb/ρs)；ρb為顆粒的堆積密度，kg/m3；ρs為顆粒自身密度，kg/m3；ρf為空氣的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

1) 孔隙率為25%時(shí)

由圖5中25%的曲線可看出壓降隨著氣流速度增大而增大，類似于圖6中的OA段，說(shuō)明固定床有所松動(dòng)，但食品顆粒并不能進(jìn)入流化床階段。

2) 孔隙率為30%～37%時(shí)

由圖5中的4條曲線的走勢(shì)類似于圖6的CDE段，可判斷食品顆?？梢赃M(jìn)入穩(wěn)定的流化床階段；氣流速度增大到一定程度后，壓降幾乎保持不變。此階段氣體向上作用的總壓力(壓降與流化床截面面積的乘積)與食品層顆粒的總重力相平衡。此時(shí)盡管床層孔隙率持續(xù)增大，但因食品顆粒的重力不變，壓降因而保持恒定。

3) 孔隙率為40%時(shí)

氣流速度達(dá)到臨界流化速度后，壓降開始有所下降(類似于圖6中的BC段)，此時(shí)顆粒被上升氣流托住，床層開始流態(tài)化。壓降降低的主要原因是由于床層膨脹，食品層孔隙率增加，因此氣流的表觀速度雖然增大，但通過(guò)食品層之間的氣流真實(shí)速度并未增加，甚至略有減少。此階段流化床內(nèi)極不穩(wěn)定，容易發(fā)生不良流化現(xiàn)象。

4) 孔隙率為45%時(shí)

流速經(jīng)過(guò)臨界流化速度后，壓降下降明顯，此時(shí)流化床內(nèi)部已經(jīng)發(fā)生了極不穩(wěn)定的流化情況，類似于圖6中的曲線Ⅱ。此階段多種不良流化情況均可能存在。例如床層中出現(xiàn)“溝流”，使得氣流直接通過(guò)“溝流”流出，導(dǎo)致壓降降低；又或者出現(xiàn)了夾帶現(xiàn)象，床內(nèi)顆粒不斷被氣流帶走，平衡顆粒重力的壓力不斷下降。因此，對(duì)于速凍新鮮青豌豆顆粒，流化床布風(fēng)板最佳的孔隙率范圍是30%～37%。

3.2 布風(fēng)板孔隙形狀對(duì)壓降的影響

將測(cè)點(diǎn)2，測(cè)點(diǎn)3，測(cè)點(diǎn)4得到的壓降變化取平均值，得到整個(gè)食品層的平均壓降變化如圖7所示。

分析1號(hào)，2號(hào)和9號(hào)的壓降曲線可知，進(jìn)入穩(wěn)定流態(tài)化后，9號(hào)布風(fēng)板上下壓差值大；而孔徑非常小的1號(hào)和2號(hào)布風(fēng)板出現(xiàn)了不良流化的現(xiàn)象。這是因?yàn)闅饬髟谕ㄟ^(guò)小孔徑的布風(fēng)板時(shí)，風(fēng)壓損失會(huì)比通過(guò)大孔徑時(shí)更多。分析2號(hào)和8號(hào)的壓降曲線可知，當(dāng)孔隙形狀為圓形時(shí)，順排的風(fēng)壓變化更穩(wěn)定，這是因?yàn)轫樑艜r(shí)布風(fēng)板邊緣處的開孔更均勻，進(jìn)風(fēng)更均勻。

觀察3號(hào)和4號(hào)的壓降曲線可知，當(dāng)孔隙形狀為正方形時(shí)，孔徑越大的布風(fēng)板進(jìn)入穩(wěn)定流態(tài)化后，壓降值的范圍會(huì)大于孔徑小的布風(fēng)板，這一點(diǎn)與圓形孔隙時(shí)的結(jié)論一致。觀察4號(hào)和7號(hào)的壓降曲線可知，孔隙形狀為正方形時(shí)，順排與叉排的壓降曲線相差不大，順排的壓降變化更穩(wěn)定，此處的結(jié)論與孔形為圓形時(shí)相同。觀察布風(fēng)板孔隙分布情況可以發(fā)現(xiàn)，壓降的變化主要取決于布風(fēng)板邊緣處的開孔情況。當(dāng)邊緣處孔隙分布均勻時(shí)，進(jìn)風(fēng)更加均勻。

觀察5號(hào)和6號(hào)的壓降曲線可知，當(dāng)孔隙形狀為三角形時(shí)，孔隙叉排的布風(fēng)板流化情況優(yōu)于孔隙順排的布風(fēng)板，顆粒進(jìn)入穩(wěn)定流化床后，壓降趨勢(shì)也比較穩(wěn)定。但無(wú)論順排還是叉排，壓降曲線均不如孔隙為正方形孔和圓孔理想。

比較直徑為4 mm圓形孔的布風(fēng)板(2 號(hào))和邊長(zhǎng)為4 mm的正方形孔隙的布風(fēng)板(3 號(hào))，可以發(fā)現(xiàn)圓形孔的布風(fēng)板流化情況更穩(wěn)定一些，這與孔隙形狀有關(guān)。當(dāng)氣流通過(guò)正方形孔隙時(shí)，正方形的四角與正方形的中心區(qū)域，進(jìn)風(fēng)速度略有差異，這也是影響最終流態(tài)化效果的一個(gè)因素。

4 結(jié)論

當(dāng)孔隙率<30%時(shí),青豆處于固定床微微松動(dòng)的狀態(tài)，布風(fēng)板開孔直徑越小,壓降越大,越容易達(dá)到穩(wěn)定[14]；當(dāng)孔隙率處于30%～37% 之間時(shí)，流化可以進(jìn)入穩(wěn)定的狀態(tài)，壓降恒定；孔隙率逐漸增加到>40%后，流化極不穩(wěn)定，易發(fā)生不良流化現(xiàn)象。相同孔隙率的情況下，圓形孔隙的流化情況優(yōu)于正方形孔隙，正方形孔隙優(yōu)于三角形孔隙。相同孔隙率不同孔形的條件下，順排與叉排的流化情況難以得到概括性結(jié)論，但可以通過(guò)觀察布風(fēng)板邊緣處的孔隙分布，凡邊緣處孔隙分布均勻時(shí)，則進(jìn)風(fēng)均勻，流化效果更好；當(dāng)流化床進(jìn)入穩(wěn)定流態(tài)化階段后，孔徑越大的布風(fēng)板壓降值越大。孔徑極小的布風(fēng)板會(huì)出現(xiàn)不良流化的現(xiàn)象，原因是氣流在通過(guò)布風(fēng)板時(shí)已經(jīng)損失過(guò)多風(fēng)壓。在整個(gè)流態(tài)化速凍過(guò)程中，風(fēng)速和布風(fēng)板設(shè)計(jì)是影響冷凍效果的關(guān)鍵因素。課題組以青豌豆為例，得出了直徑在6～7 mm球狀食品較適宜的操作條件；但在實(shí)際生產(chǎn)中，塊狀、條狀食品顆粒的流化程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于球形顆粒，容易出現(xiàn)堆積和互鎖的現(xiàn)象，其較適宜的操作條件等待進(jìn)一步驗(yàn)證。在未來(lái)的研究中可以通過(guò)更改已有操作參數(shù)，總結(jié)出規(guī)律，再加以實(shí)驗(yàn)證明。此外，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)氣流組織均勻性有待加強(qiáng)，其原因在于風(fēng)道設(shè)計(jì)存在缺陷，因此，對(duì)于該裝置風(fēng)道的改善，進(jìn)一步加強(qiáng)氣流組織的均勻性，減少氣流阻力損失是下一步工作的重點(diǎn)。