王广夫，赵 楠，李 琛

（1.海装沈阳局驻大连地区第一军事代表室，辽宁大连 116001；2.海装上海局驻上海地区第八军事代表室，上海 200011）

0 引言

随着生活水平的提高，人们对于食品品质的要求也越来越高。速冻是一种迅速冷却食品并能较长时间保证食品品质的方法[1,2]。据统计，我国每年速冻产品的产量至少有1 500万吨，每年的增长率在10%～30%之间[3]。与之相应的是我国速冻设备的生产也处于快速发展时期，虽然我国已经能够生产各类的速冻设备，但是目前国产设备仍然存在着能量消耗大、生产效率低等问题[4,5]。

速冻设备的种类繁多，常见的有板带式、螺旋式、上下冲击式、流态化和液氮式速冻机[6,7]。速冻设备的性能与食品冻结品质直接相关。本文从速冻设备入口结构和通道结构2个方面，综述了孔板结构、射流冲击、通道形状和导流技术对其内部流场的平均速度、均匀性和传热效果等的影响。

1 入口结构对内部流场的影响

射流冲击是一种常用的加热、冷却或干燥固体表面的方法[8,9]。射流冲击中的传热效率比典型的对流传热方法高。该技术引导高速空气射流破坏食物表面的边界层，强化传热，大大减少冻结时间[10,11]，是最有效、最灵活的局部冷却技术之一。射流的流动模式可以化分为3个部分：自由射流区、碰撞或停滞区和贴壁射流区。其中，自由射流区又可以分为3个区域：潜在核心区、发展流动区和发展完全流动区[12,13]。潜在核心区是指没有漩涡的流动区域。潜在核心长度被定义为从喷嘴出口到中心线速度点的长度。潜在核心区的存在会导致在停滞区形成较小程度的涡，在贴壁射流区中转变为湍流，这将导致产品表面上的传热系数出现多个峰值，平均传热系数较低。横流被定义为在与冲击射流垂直方向上的流体流动，可以通过外部射流或者用过的射流积累形成。横流效应会对撞击表面的传热产生不良的影响，为了实现有效的传热，横流效应必须最小化[14-16]。

在速冻设备中，冷空气通常由孔或者喷嘴进入设备内部，这两种结构会造成内部流场的不同。Ansu 等人[17]研究了单一喷嘴、单孔、单排孔和单排喷嘴对流体流动和传热特性的影响。研究发现，单喷嘴结构下的潜在核心长度更长，单孔结构下的湍流度更大。对于单喷嘴结构，当喷嘴长度L和喷嘴直径D的比值从0增加到4时，停滞努塞尔数增大，当L/D＞4时，停滞努塞尔数减小。对于单孔结构，停滞努塞尔数单调递减。因为中心线速度和湍流强度的影响，单孔结构在L/D的比值较低时，有较高的停滞值。对于单孔和单排孔，当L/D≤2或者L/D≥6时，传热效果较好。对于单喷嘴和单排喷嘴，当L/D＝4时，平板表面具有最大的传热量。由此可见，孔和喷嘴结构在一定的条件下，都可以使得设备内部有较好的传热效果，可以根据L/D的比值来具体选择适当的结构。在实际运用中，一般不选择单孔或者单喷嘴结构，而是采用一个阵列的孔或者喷嘴。

1.1 孔板结构对内部流场的影响

针对孔板结构，孔的数量、排列和形状影响着通过孔板的气流的质量和速度[18]。张珍等[19]试验了上下冲击式冻结装置中不同的孔板开孔率，发现出口开孔率越大（2%～15%），风速越低，静压箱内压力分布越均匀，从而降低了隔板和孔板之间形成的区域的应力，能够更好的保护设备结构。通过对比实验得出：要使冻结食品的中心温度达到−18℃甚至更低，孔板的开孔率应保持在5%[19]。刘贵庆等[20]试验了液氮喷淋流态化速冻装置中布风板的开孔率，发现在进口速度不变的情况下，开孔率减少，风机功率增大；布风板的开孔率应保持在38.5%。除了孔的数量外，孔的排列也会影响设备内部的传热特性。Phuekpan等[21]将板带式速冻机孔板上孔的菱形排列改变为五字形排列，分析了板孔出口的平均流速，发现平均速度能提高60%。Waehayee等[22]研究了交错排列和线性排列的孔的传热特性，发现横流容易通过线性排列的喷嘴的间距，而交错排列的喷嘴阻断了横流的通过。适当的横流速度可以提高射流冲击传热的峰值，是因为交叉流动相互碰撞，增加了射流冲击的湍流强度[22,23]。然而，在横流流速较高的情况下，由于在冲击之前射流的动量低，峰值热传递减小。交错排列喷嘴的射流作用强于线性排列的喷嘴，线性布置的平均努塞尔数大约比交错布置的大13%～20%。Nuntadusit等[24]研究了孔的几何形状和射流布置对内部传热的影响，对比了孔的长宽比（AR）为1、4和8这3种情况的传热特性。发现线性布置的射流阵列的努塞尔数比交错布置的高。当AR＝4时，特别在线性布置的射流阵列中，下游喷口被横流遮蔽。当AR＝8时，每个喷口在其圆周与沿轴向方向的横流之间接触较多，导致与AR＝4相比横流动效应增加，但是比在AR＝1时小。在线性布置中，AR＝4、AR＝8时的平均努塞尔数分别比AR＝1的情况高6.04%和5.54%。由此可见，孔的形状也会对内部气流组织产生一定的影响。Dano等[25]对比了圆形孔和尖椭圆孔的射流流量系数，发现尖椭圆射流的流量系数增加了13%～20%。在尖椭圆喷射的情况下，射流向下游移动时，横流的相互作用导致射流在冲击点处的聚集。传热速率在停滞点处是最大值，但是峰值的大小沿着横流方向衰减。由于射流在冲击点附近的聚集，传热速率衰减程度减小。在温度相同的情况下，尖椭圆孔与圆形孔相比有更高的努塞尔数。因此，适当的孔数量、排列和形状，才能有利于设备内部的传热。

1.2 喷嘴结构对内部流场的影响

针对喷嘴结构，阵列喷嘴与单个喷嘴主要有2点不同：1）相邻的喷嘴会相互干扰；2）贴壁射流与相邻的喷嘴有关。阵列射流的传热特性有显著的变化。传热效率的变化取决于喷嘴的长度L与喷嘴直径D的比值、喷嘴与平板的距离H与喷嘴直径D的比值、表面粗糙度和潜在核心区与涡的存在[26,27]。Sarkar 等[12]研究发现，当L/D≥6时，出口处的流场分布会更加均匀，能耗更低。当6≤H/D≤8时，潜在核心区完全衰减，并且没有产生更多的能量耗散。此外，射流的不同倾斜角度也是影响射流传热的因素之一。Ingole等[28]进行了范围在15°～75°的倾斜射流冲击实验研究。研究发现，15°的倾斜射流会导致平均努塞尔数很低，同时大部分的流体将从平板表面脱离。45°和60°的倾斜射流的冷却效果比其他角度的好。除了关注喷嘴本身外，喷射板尺寸也会对射流的传热特性也有一定的影响。San 等[29,30]研究发现，当喷射板上只有一个喷嘴时，停滞努塞尔数随着喷射板宽与喷射直径的比值（W/D）和喷射板长度与喷射直径比（L/D）的增加而减小。结果表明，停滞努塞尔数受W/D的影响程度强于L/D。在潜在核心区域中，随着板间距与射流直径比（H/D）的增加，射流中心线的湍流强度增加，导致停滞努塞尔数增加。当喷射板上有五个喷嘴时，中心射流具有固定的雷诺数，停滞努塞尔数几乎随着四个相邻射流的雷诺数而线性增加。实验数据显示停滞努塞尔数受喷嘴高度与喷嘴直径比（H/D）和喷嘴间距与喷嘴直径比（S/D）的影响弱。中心喷射的滞止努塞尔数随着喷射板宽与喷射直径比（W/D）的增加而显著降低，受喷射板长度与喷嘴直径比（L/D）的影响较弱。这些结果表明，在优化阵列喷嘴中的射流传热特性时，可以从喷嘴的尺寸、喷嘴的排列、射流的倾斜角度和喷射板的尺寸等方面来考虑。

对于传统的阵列射流，因为横流干扰了下流端的射流，使得湍流强度增大，因此停滞区域的传热传质系数增大[31]。然而，因为热边界层在横流中发展，流动形式类似于管流，所以中间区域的传热传质系数下降，传热传质系数在整个射流表面不均匀。这种不均匀性会对平板产生热应力。为了减少横流流动的不利影响，可以安装喷孔，使用过的空气通过喷孔排出。Rhee等[26]发现对于没有喷孔的冲击射流，当喷嘴距平板的距离H与喷嘴直径D的比值H/D≤2.0时，由于回流空气的存在和热边界层的发展，中间区域处的热量传递系数降低。当H/D≥4.0时，由于流动的横截面面积较大，横流对于平板上的热量和质量传递影响很小。对于具有喷孔的冲击射流，平板上热量传递呈周期性均匀变化，并且平均值随着H与D的比值的减小而增加，这是因为回流空气通过喷射板上的孔排出。因此，当H/D＜2.0时，热量和质量传递明显增加，并且当H/D＝0.5、H/D＝1.0时，增值分别高于没有喷孔的增值的60%和20%。当H/D≥4.0时，有喷孔的热量传递系数的局部分布和平均值和没有喷孔的类似。由此可以看出，喷孔的优化设计主要是为了减小横流的不利影响。

2 通道结构对内部流场的影响

2.1 通道形状对内部流场的影响

速冻设备内部只有保持一定的平均速度，才能将食品在较短时间内冻结，并且保证冻结食品的品质，这就对速冻设备的通道结构提出了一定的要求。当入口速度保持不变时,不同的通道形状会呈现出不同的气流分布。Phuekpan 等[21]通过调整板带式速冻机隧道顶部的坡度，引起压力室高度改变，压力室中的气流更加均匀，平均速度提高了19%～60%。梁亚星等[32]结合液氮喷雾式流态化食品速冻机内冷风道的结构特征，对比了2种不同的风道形状，研究发现用圆弧弯管改进之后的风道模型，能使气流分布更加均匀。

不同的速冻设备，对通道形状的要求是有差异的。最重要的是要保持通道中有一定的平均速度，进而使得冻结过程能顺利进行，保证冻结食品的质量。

2.2 导流设备对内部流场的影响

为解决国产速冻设备能耗大，效率低的问题，主要需要改善内部流场的均匀性。导流设备是通过在通道内增设一块板，改变或阻隔气流的流动，达到使内部流场分布更加均匀的目的。段雪涛等[32]在板带式速冻设备平板上方0.1 m处增设一个水平栅格，该设备进出风口均在平板上方，栅格加入后，减少了通道的截面积，增加了平板附近的速度。在制冷量相同的情况下，不需要额外的能耗，反而增加了速冻机的产量。梁亚星等[33]在液氮喷雾式流态化食品速冻机风道的弯道处安装导流板，发现入口风速对流场的影响变小，流场分布更加均匀。

在螺旋速冻设备中，若进出口在同一侧，则从入口进入的部分冷空气在进入螺旋隧道之前就直接从出口排出，引起了气流短路，导致在冻结区内的空气流速较低。为了提高空气流速，可以适当提高非冻结通道的流动阻力。Huan 等[34]通过在进出口附近的非冻结区域内增设堵塞板，随着堵塞板宽度的增加，非冻结区域内的流动阻力增加，冻结区域内的空气流速增加。同时，在非冻结区域内增设导流板，将非冻结区域的气流引导至冻结区域，随着导流板宽度的增加，平均风速增加。通过增设气流堵塞板和导流板，在不增加初投资的情况下，使冻结区域内的平均风速提高了2.5倍～2.7倍，速冻时间减少了78%～85%，速冻机能源利用效率和产量增加了18%～28%左右。陈和平等人[35]在螺旋速冻设备中的同一地方增设气流隔板和导流板，发现冻结区内平均速度增长了172.4%。陈和平等人用鲜豆腐作为实验对象进行验证，速冻时间减少了80%，速冻机能量利用率增长了25%。

在上下冲击式速冻设备中，静压箱内流场分布普遍比较均匀，但是在静压箱的侧壁面和隔板形成的通向向下均风板的通道中，由均风孔板和隔板形成的拐角处易出现大小不一的漩涡，均匀性变差[36]。张珍等[36]发现在上下均风孔板和隔板的四个连接处都加设导流板，可以使风速分布更加均匀,且有利于保护设备内部结构。还能加大隔板和网带侧边形成的通道，使此处局部速度变小，压力变小，改善气流的均匀性。

除了速冻设备内部流场分布不均匀外，料口处的跑冷现象也是影响速冻机生产效率的主要原因之一。速冻设备大多为连续生产，进出料口直接与外界相通，由于设备内外温度差导致了冷风外泄。冷风外泄使热空气进入设备内，加强了设备内外的热质交换。热空气使得设备内冷负荷增大，能耗增大，生产效率减小[37]。在整个设备内部的气流组织中，料口处和冻结区的流场是互相干扰的。毛力等[38]研究螺旋式速冻机内气流组织时，发现当风机送风风速不变时,随着设备内部温度的降低，设备内外的温差增大，出风料口跑冷的速度加快。通过增加遮流板的方式，可有效降低进出风料口处气流的速度。陆蓓蕾等[39-40]发现在螺旋式速冻机中，若在出风料口的遮流板处于最佳位置，因跑冷而产生的能量损失比在进风料口处减少了17%，比不加遮流板时减少了27.5%。这说明对出风口加设遮流板比对进风口的更能减少跑冷现象。郑志皋等[41]发现在液氮式速冻机风道出口处增设整流网，可以增大出口风速的均匀性，从而提高食品的冻结质量[41]。

通过增设导流板、栅格或者堵塞板等配件来改变或阻隔气体的流动，在没有产生额外的能耗的前提下，增加了冻结区的平均流速和速冻机的生产能力。在速冻设备进出料口增设整流网还可以减少跑冷，提高能量使用率。

3 结论

速冻设备的流场直接影响着设备的能量效率和食品的冻结品质。本文从入口结构和通道结构分析了不同速冻设备内气流组织对食品冻结速度的影响。孔和喷嘴是常见的2种入口结构。孔的数量、排列、形状与喷嘴的喷嘴尺寸、排列、射流倾斜角度、喷射板尺寸和喷孔的有无等都会影响设备内部的流场分布。适当的孔数、喷嘴尺寸、射流倾斜角度、喷射板尺寸是为了保证设备内有合适的射流速度。孔和喷嘴的排列、孔的形状和喷孔的设计是为了减小横流对射流冲击的影响。适当的通道结构是为了保持通道中有一定的平均速度，保证食品的冻结品质。通过增设导流装置，改变气流的流动方向，增加了冻结区的平均流速，减少了跑冷现象，同时不需要额外的能耗，反而增加了速冻机的产量。这些方案主要都是先考虑内部流场的均匀性，再考虑适当提高通道内平均速度，达到增强传热效果，提高速冻设备工作性能，提高冻结食品品质的目的。

目前对速冻设备内部流场优化的研究中，还存在一些问题需要深入探讨：

1）在导流板长度、厚度以及曲率半径的确定上还缺乏理论数据。

2）大部分速冻设备中的孔板均是水平的，对于孔板形状、设置角度等对内部流场影响的研究还比较少。