干冰喷雾速冻蓝莓的多孔阵列喷嘴.pdf

干冰喷雾速冻蓝莓的多孔阵列喷嘴宁静红，宋志朋，任子亮，祝森，孙璐瑶，张子扬（天津商业大学机械工程学院，天津市制冷技术重点实验室，天津300134）摘要：为提高速冻蓝莓的品质，该研究设计多出口阵列喷嘴干冰微粒喷雾速冻蓝莓系统，试验测试获得了蓝莓冻结过程中热物性参数随温度的变化规律，建立速冻腔体内干冰喷雾的速冻模型，利用 Fluent 软件对蓝莓速冻过程进行数值模拟仿真，获取优化入口流速和喷嘴出口孔径。结果表明：采用圆孔形收缩型喷嘴，设置喷射高度为 120mm，喷嘴入口孔径为 30mm，入口速度为 0.25m/s，出口为圆周孔径 5.2mm6（6 个孔径为 5.2mm 的出口）和中心孔径 2mm4 的组合时，整盘蓝莓中心温度从 1 降至18 用时 129s，实现了蓝莓更均匀快速冻结。对模拟仿真优化结果进行试验测试，得到降温速率最慢的蓝莓完成速冻的时间为 127s，通过最大冰晶生成带的时间为 36s。试验与模拟降温曲线吻合良好。理化性质测试获得干冰微粒喷雾蓝莓速冻前后相关品质变化均优于速冻蓝莓标准。且与80 液氮喷淋速冻蓝莓的品质做对比，二者理化性质测试结果几乎无差异。研究结果可为进一步优化干冰喷射速冻蓝莓装置提供参考。关键词：多孔喷嘴；干冰；喷雾；速冻；蓝莓；模拟；试验doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202305053中图分类号：TB61文献标志码：A文章编号：1002-6819(2023)-15-0284-09宁静红，宋志朋，任子亮，等.干冰喷雾速冻蓝莓的多孔阵列喷嘴J.农业工程学报，2023，39(15)：284-292.doi:10.11975/j.issn.1002-6819.202305053http:/www.tcsae.orgNING Jinghong,SONG Zhipeng,REN Ziliang,et al.Porous array nozzle of dry ice spray quick-freezing blueberryJ.TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2023,39(15):284-292.(inChinesewithEnglishabstract)doi:10.11975/j.issn.1002-6819.202305053http:/www.tcsae.org0引言蓝莓作为高经济价值作物，在全世界广泛种植，口味甜美，花青素1-2含量极为丰富，富含维生素 C、多酚、黄酮等多种抗氧化物，具有一定的保健功能，因含水量较大，蓝莓采后极易腐烂且营养物质会快速损失3。目前高效的水果贮藏方式是冷冻4-5，蓝莓冷冻速率较低时，生长的冰晶会刺穿质膜，还会破坏细胞壁的结构导致组织断裂和降解酶的释放6，由此引起蓝莓颜色、风味和营养物质的变化。速冻食品要求降温时能以较大的速度通过从 05.5 阶段（最大冰晶生成带），形成极小的冰晶7，不严重损伤细胞组织，解冻后品质高8。但冻结速度并不是越快越好，若冻结速度过快（液氮浸渍冻结）则会破坏水果的微宏观结构，降低品质。水果速冻的方法从空气、盐水和不冻液作为冷却介质到现在部分采用液氮9、液态空气、液态二氧化碳等技术，冻结速率普遍加快10。DAMIAN 等11分析了液氮速冻蓝莓的优缺点，冻结速度快，对环境友好，但价格昂贵。张庆钢等12-14通过试验得出蓝莓最适宜的液氮流态化速冻工艺条件，相比冰箱慢速冻结，蓝莓内部微观结构更致密、更均匀，品质更高。邵双全等15推算枸杞鲜果的成分比例获得了枸杞的各项热物性参数，对枸杞的速冻过程进行数值研究并设计了速冻试验，结果表明若不考虑过冷度的影响，模拟与试验结果吻合良好。NARSAIAH 等16建立液氮速冻虾的仿真模型。WU等17建立了食品冻结过程中物性参数不断变化的非稳态数学模型，数值模拟结果与试验值一致。宁静红等18-20采用干冰喷射速冻草莓的方法，验证了干冰喷射速冻草莓的可行性。WANG等21研究了干冰冷冻卷心菜，表明干冰冷冻处理能保持卷心菜的显微结构和营养品质。张艳杰等22在49 环境下速冻饺子皮，并发现加入燕麦抗冻蛋白后，可以改良饺子皮在加工过程的品质。位兴华等23设计了干冰喷射速冻鱼体的试验，结果表明干冰速冻通过最大冰晶生成带的时间短，解冻后鱼体品质好。LIU 等24研究表明，猪肉在光滑表面板的速冻效果优于鼓风冻结猪肉的效果。谢晶等25采用冲击式速冻技术来速冻虾仁，利用数值模拟结合试验验证的方法研究了冲击射流内部换热区流场的不均匀性问题，并得出优化结果。干冰喷射速冻食品过程复杂，由干冰微粒的升华吸热过程，干冰微粒与食品周围空气的换热过程，78.5 二氧化碳气体与食品表面对流换热过程和食品内部的传热传质过程组成。流速高、换热系数大，是干冰喷射速冻主要优势26。干冰喷射速冻是一种更新颖、更高效、极具前景的速冻方式。CHOO 等27对不同喷嘴倾斜角度、不同喷嘴长径比(H/d)下的冲击射流传热特性进行研究，结果表明喷嘴长径比较小时(H/d1.0)，平均努赛尔数随着倾角的增大而增大，喷嘴长径比较大时(H/d1.0)平均努赛尔数随着倾角的增大而减小。王为术等28针对现代高热载荷电子设备散热冷却问题，构建了阵列喷嘴干冰升华喷雾冷收稿日期：2023-05-09修订日期：2023-06-27基金项目：天津市大学生创新训练计划项目“果蔬干冰喷射速冻系统的研究”（202110069071）作者简介：宁静红，博士，教授。研究方向为制冷系统节能与优化。Email：第39卷第15期农 业 工 程 学 报Vol.39No.152842023年8月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringAug.2023却实验台，发现拉瓦尔喷嘴在相同喷雾条件下冷却性能略优于渐缩喷嘴。目前干冰速冻食品装置设计还不够成熟，存在干冰与食品接触不均匀，难以保证同批冻品温度一致性的问题，尤其是喷嘴的选择，进行同组食品冷冻过程中，出现降温速率差异，食品冻结完成的时间分布差异较大，温度分布不均匀，出现过余冷冻，导致能源浪费。因此本文在干冰喷射速冻食品的基础上设计多出口收缩型喷嘴，提升干冰雾化效果，以解决速冻蓝莓因温度不均匀分布导致冷能浪费的问题。采用 Fluent 软件对速冻腔体内的干冰微粒流场、温度场以及蓝莓的冻结曲线进行模拟，得到优化的喷嘴尺寸参数，并进行试验验证，以期为进一步优化干冰喷射速冻水果装置提供参考。1研究对象和数值模拟方法1.1蓝莓热物性参数的获取蓝莓购自上海市青浦现代农业园，大小均匀，果实含水率为 85%。蓝莓的速冻过程比较复杂，可冻结的液态水会全部结冰释放潜热，冻结前后蓝莓的热物性变化较大，为了准确模拟速冻过程，需要获取蓝莓热物性的变化曲线。密度：使用梅特勒托利多电子天平 XPR404S/AC 测量多个蓝莓质量取平均值，所得蓝莓的平均质量为2.5103kg，蓝莓的体积用排水法测得为 3.12106m3，计算出蓝莓的密度是 800kg/m3。比 热 容：使 用 Q1000 热 流 型 差 式 量 热 扫 描 仪（differentialcanningcalorimetry）测定，分别输入 5、10、15、25、35、40、50、60、70、80/min 的冷冻速率及相同的复温速率进行计算，测定过程重复 5 次，最终得到 5 组DSC 曲线，使用 ImageProPlus 软件处理图像得出不同冷冻速率下蓝莓比热容的变化规律，取 5 组测定的平均值，结果如图 1a 所示。80 60 40 200204002468表观比热容Apparent specificheat capacity/(104 Jkg11)温度Temperature/00.51.01.52.02.5导热系数Thermalconductivity/(Wm11)80 60 40 2002040温度Temperature/b.导热系数b.Thermal conductivitya.表观比热容a.Apparent specific heat capacity图 1蓝莓热物性参数随温度的变化Fig.1Variationofthermophysicalparametersofblueberrywithtemperature热导率：使用HotDisk 热常数分析仪，将切成小片（0.5mm）的蓝莓，放入恒温恒湿的试验机内，在中心处插入热电偶。蓝莓切片温度达到预定（10）时，将探针夹在蓝莓切片处，处理图像获得不同温度下蓝莓的热导率，重复 5 组取平均值，得到蓝莓在8040下的热导率变化曲线，见图 1b。Fluent 软件所需的模型材料参数见表 1。表1模型的材料参数Table1Materialparametersofthemodel属性Attribution干冰DryiceCO2Gaseouscarbondioxide钢材Steel蓝莓Blueberry表观比热容Apparentspecificheatcapacity/(Jkg1K1)770Cp(T1)871Cp(T2)密度Density/(kgm3)1101.78782719800热导率Thermalconductivity/(Wm1K1)50.0145202.4(T)黏度Viscosity/(Ps)510-61.3710-5注：Cp(T1)为 Fluent 软件内置 CO2分段多项式，Cp(T2)为图 1a 的函数拟合表达式 Cp(T)=459.913258+(1.86487996)T(0.00212921519)T2+(1.22488004106)T3，(T)为图 1b 的函数拟合表达式 K(T)=0.00132472616+(4.13956923106)T+(6.70889081108)T2(2.110831531011)T3。CO2的标准状态焓输入0(Jkg1mol1)，干冰的标准状态焓输入2.524e+07(Jkg1mol1)，数值计算时蓝莓初始化温度为 1。Note:Cp(T1)istheCO2segmentedpolynomialbuilt-ininFluentsoftware,Cp(T2)isthefunctionfittingexpressionofFig1a,Cp(T)=459.913258+(1.86487996)T(0.00212921519)T2+(1.22488004106)T3,and(T)isthefunctionfittingexpressionFig1b,K(T)=0.00132472616+(4.13956923106)T+(6.70889081108)T2(2.110831531011)T3.ThestandardstateenthalpyinputofCO2is0(Jkg1mol1),andthestandardstateenthalpyinputofdryiceis2.524e+07(Jkg1mol1).Theinitialtemperatureforthenumericalcalculationissetto1.蓝莓于 4 恒温恒湿箱中低温冷藏解冻，解冻后进行蓝莓品质指标的测定29-31。采用 2，6-二氯靛酚滴定方法测定速冻前后果品中维生素 C 的含量；可溶性固形物含量采用PLA-BXIACID5型糖度仪测定(日本 ATAGO)；每组随机抽取 20 颗蓝莓果实打浆，每组取2.0g，采用紫外分光光度计法测定；测量提取液在600nm 和530nm处的吸光值，以波长吸光度之差表示花青素含量，每组试验样品测量5次，结果取平均值；失水率的测定采用称重法。1.2物理模型喷嘴的结构尺寸设计如图 2，喷嘴设计为 6 个出口的中心线分别与喷嘴入口中心线呈 60倾斜角的圆周阵列布置，每个出口设计为圆孔收缩型，轴线中心位置设置 4 个直通型小孔，圆周阵列分布。中心出口的孔径小于 60倾斜角圆周出口的孔径，以调整各出口干冰喷雾射流的流量和压力的均匀性。收缩段设计成流线型斜面，倾角为 10，既能利用干冰微粒间的碰撞导致的加速，又减少了因与壁面摩擦导致的能量损失。圆孔的长度与其出口直径之比 H/D2，以增加干冰微粒在湍流回流区的停留时间，增强干冰颗粒的团聚，可产生较大的干冰颗粒占比32-33。在预模拟中，30和 45倾斜角圆周阵列的喷嘴出口布置，无法将射流冲击核心区域的干冰微粒完全覆盖到整盘蓝莓表面，故本速冻间内选用倾角更大的 60倾角布置出口方向。采用收缩型孔口以利用气固两相流在喷嘴内腔中膨胀不充分的特性，干冰射流会在喷嘴收缩段内加速，并在进入直通段时达到最高速度，以增加干冰喷雾射流在喷嘴出口处的扩散趋势和进入腔体后的湍流强度。第15期宁静红等：干冰喷雾速冻蓝莓的多孔阵列喷嘴28530 mm7.2 mmH=12.4 mm4 mm2 mmD=5.2 mm7.6 mm60b.剖面图b.Sectional view 4 mma.正面图a.Front view注：H 为喷嘴出口的长度，D 为出口的孔径。Note:Histhelengthofnozzleoutlet,Distheapertureoftheoutlet.图 2喷嘴正面和剖面模型图Fig.2Nozzlefrontandsectionmodeldiagram基于干冰速冻蓝莓的模拟与试验研究，本次模拟只考虑单个多出口喷嘴喷射一盘蓝莓的区域流场和温度场，后期研究复杂多盘蓝莓批量化冻干。干冰喷雾速冻腔体做成箱形，腔体尺寸 450mm450mm150mm，喷雾高度为 120mm，喷嘴入口孔径为 30mm。多孔喷嘴设置在速冻腔的正上方，干冰喷雾流体从喷嘴上部进入，喷嘴下部的出口流出，设置喷雾高度为覆盖蓝莓表面且干冰喷射速度适中（不足以将蓝莓吹出盘外导致掉落，造成损伤）。食品级不锈钢置物板厚度 2mm,半径为 175mm，两个蓝莓间距为 10mm，一盘按照 1、6、12、18、24和 30 绕中心 6 圈的方式，共摆 91 颗蓝莓。蓝莓表皮和内部组织分层明显，热物性不同。将蓝莓物理模型设置成双层结构，每层蓝莓热物性一致。速冻腔体的结构布置见图 3（右侧副图为喷嘴出口方向与蓝莓的摆放位置对应图、蓝莓双层结构展示图）。喷嘴的雾化和导流作用凸显，使得整盘蓝莓可以从垂直和两侧方向同时接触干冰微粒，蓝莓下底面则通过接触导热能力强的低温置物板传热。1.3数学模型对蓝莓速冻的传热过程进行分析，干冰微粒流体（干冰微粒和气态 CO2组成的混合流体）冲击射流与蓝莓表面的强制对流换热。假设流体为不可压缩的牛顿型流体、且无内热源、忽略耗散热34，则该过程符合第三类边界条件：(Tn)w=h(T)(TbluebertyTcold)（1）式中 n 为蓝莓表面外法线方向；h 为蓝莓表面对流换热系数，W/(m2K)；Tblueberry为蓝莓表面温度，K；Tcold为干冰微粒流体温度，K；为蓝莓的导热系数，W/(mK)；T 为蓝莓各点温度，K。多孔喷嘴Porous nozzle入口Inlet出口Outlet蓝莓Blueberry置物板Storagetray图 3速冻腔体模型Fig.3Quick-freezingcavitymodel蓝莓内部传热过程符合三维非稳态、无内热源、变物性的导热数学模型，建立该过程导热微分方程：(T)Cp(T)T=x(Tx)+y(Ty)+z(Tz)（2）式中 为蓝莓密度，kg/m3；CP为蓝莓比热容，J/(kgK)；为冻结时间，s；x，y，z，为笛卡尔坐标系中的 3 个坐标轴方向。采用颗粒轨道力学模型35作为气固两相动力学模型，用连续性介质描述气体，用离散性介质表达固体颗粒，气相流动的质量控制方程微分守恒形式为：1t+(1U)=0（3）1t(1U)式中为气相密度的变化率，简化为非压缩性气体该数值为 0；为气相质量流密度的分散程度；1为空气密度，kg/m3；U气相速度，m/s；t 为时间，s。气相的动量控制方程为：（1U）t+(1U)=P+SM（4）式中 SM为气相的动量源项；为与应力变化率相关的应力张量；P为气相所受体积力。=U+(U)T23(U)I（5）式中 为流动的动力黏度，Ns/m2；I 为单位张量；为变化量。固 相 颗 粒 的 流 动 求 解 采用 Lagrange 方 程，在Lagrange 坐标系中计算，可由牛顿第二定律得到颗粒的动量微分方程，求解该方程得到颗粒相在流场中的具体运动轨迹：dvdt=F+g（6）F式中为颗粒相的总受力，N；g 为重力加速度,m/s2；v为颗粒的速度，m/s；t 为时间，s。286农业工程学报（http:/www.tcsae.org）2023年干冰升华过程中各种参数的变化:p=12+23（7）Cp=1P(12Cp,2+23Cp,3)+L12mT（8）式中p 为材料的密度，kg/m3；2,3分别为发生相变前后材料的密度 kg/m3；1、2为相变材料的体积分数；Cp 为相变材料的比热容，J/(kgK)；L 为亮度指数；m为质量分数；T L为流体温度，K。干冰的升华速率可由以下方程描述：dMdt=A(P1P0)(T1T0)b（9）式中 M 为干冰的质量，kg；为取决于干冰特性的常数，A 为干冰表面积，P1为周围环境的压力，Pa；P0为标准大气压，Pa；T1为周围环境温度，K；T0为标准温度，K；b 是取决于干冰特性的常数。P=Pie(btA)（10）式中 P 为时间 t 时刻干冰的压力，Pa；Pi为干冰的初始压力，Pa。均数差（MD）和均方根误差（RMSE）为统计模拟和测量结果之间的差异：MD=Ni=1(tets)/teN（11）RMSE=vuuuuuutNi=1(tets)/teN2（12）式中 te试验测试温度，；ts数值模拟温度，；N 为数据点总数。1.4仿真模型的简化1）蓝莓内部只靠导热进行热传递且仅考虑径向传热，忽略速冻过程中蓝莓内部密度的变化。2）忽略高速二氧化碳流体在喷嘴内部出口位置会产生一个逆压力梯度的问题（局部压力增大），在自行编译的 UDF 模型中假设干冰微粒只能在温度降低到78.5的情况下产生。3）内部流动设置为可压缩理想气体，连续相视为湍流流体，用绝热流动方程来描述。1.5边界条件设定及网格划分本次数值模拟研究采用ANSYSFluent 软件对模型进行非结构化网格的划分，如图 4a。并对喷嘴处和蓝莓表面处的网格进行局部加密，最后生成六面体网格。采用颗粒轨道力学模型作为气固两相动力学模型，采用Euler 方法求解，利用欧拉多相流模型并嵌入 UDF进行编译，将干冰颗粒定义为离散项，以此来模拟干冰微粒升华相变过程、采用融化凝固模型、双层薄壳传热模型以及多孔介质模型。计算中连续相湍流模型采用 K-epsilon，Realizable,（标 准 壁 面 函 数）Standard WallFunctions。将上述各项热物性参数采用分段差值函数的方式在 Fluent 中输入，采用速度入口和压力出口，并允许回流产生。分析网格数量对计算的影响，对多孔喷嘴处进行加密和边界层处理，给定入口速度 0.25m/s，选定一个出口的速度进行监测，瞬态计算迭代 200 步，计算得到每种网格对应的出口速度见图 4b，当计算的出口速度值稳定时，表明计算结果与网格数量无关。可看出网格数量区间在 35 万及以上时有稳定的趋势，故最终选定网格数量为 40 万。1.401.451.501.551.601.651.70出口速度Outlet velocity/(ms1)1530456075网格数量Number of grids/104 b.网格数量的变化曲线图b.Variation curve of the number of gridsa.网格划分a.Mesh division图 4网格无关性验证Fig.4Gridindependenceverificatio2数值模拟结果与分析2.1多孔喷嘴入口速度的影响设置 0.15、0.20、0.25、0.30、0.35m/s，5 种喷嘴入口速度（依前期模拟及试验结果20），进行模拟计算，结果见表 2。表2不同入口速度下的计算数据Table2Calculateddataatdifferentinletvelocities入口速度Inletvelocity/(ms1)降温最快蓝莓中心温度降至18 的时间Timeittakesforthecentertemperatureofblueberrieswiththefastestcoolingratetodecreaseto18/s降温最慢蓝莓中心温度降至18 的时间Timeittakesforthecentertemperatureofblueberrieswiththeslowestcoolingratetodecreaseto18/s时间差值Timedifference/s出口干冰微粒固相分数Outletdryiceparticlesolidphasefraction/%0.1512615933220.2011814628260.2510612923260.3010012626290.35951253034注：出口孔径为圆周 5.2mm6，中心 2.0mm4 的组合。Note:Theoutletapertureisacombinationofa5.2mm6circularshapeinthecircumferentialdirectionanda2.0mm4rectangularshapeatthecenterposition.提高入口速度能够有效降低速冻时间，与前人的模拟研究18结果一致。结合速冻腔内温度场和速度场分析，结果如图 5。由表 2 可以得出，喷嘴出口采用 60倾斜角圆周 6 个出口，中心 4 个小孔（简称：圆周 5.2mm6，第15期宁静红等：干冰喷雾速冻蓝莓的多孔阵列喷嘴287中心 2.0mm4）的孔径组合时，随着入口流速增大，蓝莓速冻完成的时间缩短，时间差值呈现先减小再逐渐增大的趋势，出口干冰微粒固相分数逐渐增大。整盘中各蓝莓中心温度达到18 的时间差值减小表征整盘蓝莓的冻结均匀性增强，出口固相分数减小表征出口处未升华的干冰微粒占比降低，干冰微粒升华冷量得以充分利用。喷嘴出口处干冰微粒流体射流的温度会随着入口二氧化碳质量流量的增大而降低；同时入口压力与二氧化碳的质量流量成正比，随着喷嘴进出口压力差的增大，在喷嘴内会有更高的干冰微粒形成率。故喷嘴入口流速增大可以形成更多的干冰微粒，更低的喷雾温度，且经喷嘴加速后干冰微粒流体射流速度更大，增加了蓝莓表面的对流换热系数，从而加快冻结速率。综合考虑：入口流速为 0.25m/s 时，蓝莓的冻结速率较快，蓝莓冻品的温度分布更均匀，出口固相分数最少，可以更好地保持蓝莓的品质，即0.25m/s 为模拟得出的最优喷嘴入口速度。温度Temperature/C31.8436.5334.9738.1039.6641.2242.7844.3545.9147.4749.04温度Temperature/C18.0930.0824.0736.0442.0248.0053.9859.9765.9571.9377.91速度Velocity/(ms1)2.211.771.991.551.321.100.880.660.440.220a.129 s时蓝莓表面温度a.Blueberry surface temperature at 129 sb.129 s时蓝莓中心切面温度b.Temperature of thecenter section of the blueberry at 129 sc.入口速度为0.25 ms1，流场内迹线图c.The inlet velocity is 0.25 ms1,the tracediagram in the flow field注：多孔喷嘴入口速度为 0.25ms1，出口孔径为圆周 5.2mm6 中心 2.0mm4。Note:Theinletvelocityoftheporousnozzleis0.25ms1,andtheoutletapertureisacombinationofa5.2mm6circularshapeinthecircumferentialdirectionanda2.0mm4rectangularshapeatthecenterposition.图 5蓝莓干冰喷雾速冻过程的温度场和速度场Fig.5Temperaturefieldandvelocityfieldofblueberrydryicesprayquickfreezingprocess2.2多孔喷嘴出口孔径的影响设置4 组出口孔径组合：圆周4.4mm6 中心1.6mm4、圆周 4.8mm6 中心 1.8mm4、圆周 5.2mm6 中心2.0mm4、圆周 5.6mm6 中心 2.2mm4。在多孔喷嘴入口速度为 0.25m/s时模拟计算得出蓝莓的降温过程，结果见表 3。表3不同孔径下的计算数据Table3Calculateddataunderdifferentapertures出口孔径Outletaperture/mm降温最快蓝莓中心温度降至18 的时间Timeittakesforthecentertemperatureofblueberrieswiththefastestcoolingratetodecreaseto18/s降温最慢蓝莓中心温度降至18 的时间Timeittakesforthecentertemperatureofblueberrieswiththeslowestcoolingratetodecreaseto18/s时间差值Timedifference/s出口固相分数Outletsolidfraction/%4.4、1.69715053294.8、1.810314239295.2、2.010612923265.6、2.21121362427注:多孔喷嘴入口流速为 0.25ms1。Note:Theinletflowvelocityoftheporousnozzleis0.25ms1.随着多孔喷嘴出口孔径从：圆周 4.4mm6 中心1.6mm4 逐渐增大到圆周 5.6mm6 中心 2.2mm4，蓝莓达到速冻要求的时间呈现先减少后增大的趋势，时间差先缩短再增加，出口干冰微粒固相分数整体呈减少趋势。取冻结均匀性较好，冻结速率较快的圆周 5.2mm6 中心 2.0mm4（下称 5.2mm）和圆周5.6mm6 中心 2.2mm4（下称 5.6mm）孔径组合下速冻腔体中间对称截面上干冰微粒的体积分数做对比，如图 6。可以看出在 5.2mm 孔径组合下到达蓝莓表面的干冰微粒体积分数为 0.4，5.6mm 孔径组合下蓝莓附近的干冰体积分数为 0.35。在同等入口流量时出现如图 6 所示的干冰体积分数差异，这是由于随着喷嘴孔径的增大，雷诺数和努塞尔数均不同程度的增大，雷诺数表征对流换热系数，努塞尔数表征升华速率，对流换热系数大则速冻效果好，升华速率过大会导致干冰从喷嘴喷出后到达蓝莓表面之前的过程中，干冰微粒与腔体内周围空气换热升华，导致最终到达蓝莓表面干冰量减少，降低冻结速率。因 5.2mm 孔径组合下较多的干冰微粒在蓝莓表面吸热升华，且流速更大，腔体内湍流强度大，干冰微粒与蓝莓接触更加充分，蓝莓降温速率更快，冻结均匀性更好，故在喷嘴入口流速 0.25m/s 时，圆周 5.2mm6中心 2.0mm4 的出口孔径参数为此模型的最优。3试验验证3.1干冰喷雾和液氮喷淋系统干冰喷雾试验系统如图 7，速冻腔体为可视化外壳。开启阀门，液态二氧化碳从储液罐（8MPa）中流出，经过减压阀，流量调节阀和订制喷嘴（入口孔径 30mm，288农业工程学报（http:/www.tcsae.org）2023年出口为圆周 5.2mm6，中心 2.0mm4 的孔径组合），压力和温度逐渐降低，会有气泡生成，压力降低到气固边界（约为 0.1MPa），温度降低到78.5，形成气态二氧化碳和干冰微粒的混合流体射流，喷入蓝莓速冻腔体内，吸热升华后变成二氧化碳气体，从腔体的出口排出。将图 7 中二氧化碳气瓶更换成液氮瓶，即可进行与干冰速冻蓝莓做对比的液氮速冻蓝莓试验，通过控制液氮的喷射流量为 0.0006kg/s，将液氮的喷淋温度控制为（802）。a.出口孔径为圆周5.2 mm6中心2.0 mm4时,Z=0 mm,XY截面上干冰体积分数a.When theoutlet is a combination of circularly arranged diameter5.2 mm6 and centrally arrangeddiameter 2.0 mm4,Z=0 mm,volume fraction of dry ice on the XY section0.03 0.08 0.12 0.17 0.21 0.26 0.30 0.35 0.39 0.44 0.48干冰体积分数Dry ice volume fractionb.出口孔径为圆周5.6 mm6中心2.2 mm4时,Z=0 mm,XY截面上干冰体积分数b.When theoutlet is a combination of circularlyarranged diameter5.6 mm6 and centrally arrangeddiameter 2.2 mm4,Z=0 mm,volume fraction of dry ice on the XY section注：多孔喷嘴入口流速为 0.25ms1。Note:Theinletflowvelocityoftheporousnozzleis0.25ms1.图 6不同出口孔径组合下速冻腔体内流场稳定时截面干冰体积分数Fig.6Thevolumefractionofdryiceinthecross-sectionwhentheflowfieldinthequick-freezingchamberisstableunderdifferentoutletaperturecombinations试验时通过流量调节阀控制干冰入口流速为 0.25m/s，TT-T-30-SLE 型热电偶插入蓝莓中心和表面（约 1mm），接入横河 MX100 数据采集器，热电偶布置如图 8 所示，接入热电偶的蓝莓样品用深色标记。T 型热电偶、MX100 数据记录和压力变送器的误差分别为 0.75%、0.05%和 0.50%。当插入热电偶的蓝莓数量为 30 个时，速冻时间的测量误差为 2.42%。采集冻结过程的温度，设置温度记录间隔为 1s，当所有蓝莓中心温度均达到18 时结束试验，导出数据进行处理。经过多次试验可得，干冰微粒入口温度最低为74，降温最慢蓝莓中心温度到达18 的平均时间为 127s，降温最快蓝莓中心温度到达18 的平均时间为 97s，通过最大冰晶生产带的时间为 36s。试验与数值模拟对比结果如图 9。将试验和模拟中测量的所有温度值代入误差计算公式，得以下结果：均数差为 0.052,均方根误差为 0.074。综合分析造成此误差的原因是蓝莓内部接入热电偶，速冻腔体内干冰微粒流体冲击射流的流场受到热电偶线的干扰，与数值模拟时的流场有差异；在试验时部分蓝莓会受到干冰射流冲击扰动而错乱排列，而在模拟时蓝莓严格按照摆放方式固定在置物板上，从而产生误差。多孔喷嘴Porous nozzle一盘蓝莓A plate ofblueberries温度传感器Temperature sensor数据获取处理系统Data acquisition andprocessing system液氮瓶Liquid nitrogen cylinderCO2气瓶CO2 cylinder减压阀Pressurereducingvalve流量调节阀Flow controlvalve流量计FlowmeterPTPT压力传感器Pressure sensora.系统示意图a.System diagramb.试验装置图b.Diagram of experimental setup多孔喷嘴Porous nozzle流量计Flow meter流量调节阀Flow controlvalve减压阀Pressurereducing valveCO2气瓶CO2cylinder数据采集器Data collector温度采集器Temperaturesensor蓝莓Blueberry图 7干冰喷雾试验系统图Fig.7Dryicesprayexperimentsystemdiagram注：深色为接入热电偶。Note：Darkcolorisforconnectingthermocouple.图 8热电偶接入点分布Fig.8Distributionofthermocoupleconnectingpoints第15期宁静红等：干冰喷雾速冻蓝莓的多孔阵列喷嘴289201612840温度Temperature/C020406014012010080时间Time/s试验蓝莓中心温度Central temperature ofblueberry during the experiment最大冰晶生成带Maximum ice crystalformation zone模拟蓝莓中心温度Central temperature ofblueberry during numerical simulation图 9降温最慢蓝莓中心温度数据图Fig.9Datamapoftheslowestcoolingblueberrycentertemperature3.2蓝莓速冻前后理化性质通过干冰和80 液氮喷淋的方式进行速冻之后，冻结前后的蓝莓品质指标测定结果见表 4。与速冻蓝莓标准进行比较，可得两种速冻方式均符合 CXS103-1981速冻蓝莓标准（2019 版）。图 10 为干冰速冻完成后的蓝莓。干冰喷雾速冻蓝莓与80 液氮速冻蓝莓相比，冻结完成后，理化性质测试结果差异不大，原因是两者有着近乎一致的冻结速率。但经多组试验测试，液氮的成本消耗要大于干冰的成本。采用干冰速冻，平均每组试验消耗 0.59kg 液态二氧化碳，为 6.5 元（含运税费）、采用液氮速冻，平均每组试验消耗液氮 0.28L，为 8.4 元（含运税费）。表4速冻前后蓝莓理化性质Table4Physicochemicalpropertiesofblueberriesbeforeandafterquickfreezing指标Index维生素 CVitaminC/(mg(100g)1)花青素Anthocyanins/(mg(100g)1)可溶性固物Solublesolids/%失水率Waterlossrate/%色差ChromaticaberrationE新鲜蓝莓Freshblueberries16.563015.2400干冰速冻后Afterquickfreezing16.3227.914.421.51.2干冰速冻差值Dryicequickfreezingdifference0.242.10.821.51.2液氮喷雾速冻差值Liquidnitrogenfluidizedquickfreezingdifference0.212.30.791.61.2标准值Standardvalue2020.025.00图 10速冻后的蓝莓Fig.10Quick-frozenblueberries4结论本文设计了干冰喷雾速冻蓝莓的阵列喷嘴模型，采用 60倾斜角圆周阵列 6 个圆孔收缩型出口，轴线中心位置设置 4 个直通型圆周阵列分布小孔。通过试验测得蓝莓在冻结过程中的比热容和导热系数等热物性参数随温度的变化曲线，对干冰微粒流体通过阵列喷嘴速冻蓝莓的过程进行了数值模拟，研究了不同入口速度，不同出口孔径对干冰喷雾速冻蓝莓的降温速率和冻结均匀性的影响，得到优化结果并进行试验验证，结论如下：1）模拟仿真对比 0.15、0.20、0.25、0.30、0.35m/s不同喷嘴入口速度下蓝莓的速冻特性，随着速度的逐渐增大，干冰的质量流量增大，蓝莓降温速率加快，冻结均匀性逐渐变好，速冻腔体出口的干冰微粒