番茄差压预冷过程中的通风阻力特性

第26卷第7期农业工程学报V ol.26 No.72010年7月Transactions of the CSAE Jul. 2010 341 番茄差压预冷过程中的通风阻力特性吕恩利1,2 ，陆华忠1,2※，杨洲1,2，刘灿成1,2，郭嘉明1,2（1．华南农业大学南方农业机械与装备关键技术省部共建教育部重点实验室，广州 510642；2．华南农业大学工程学院，广州 510642）摘 要：为解决番茄差压预冷包装箱开孔率的设计问题，建立了差压预冷试验装置。

通过改变预冷风速、开孔率、包装箱长度等因素，研究各因素对包装箱两端压差和装置能耗的影响，分析番茄的通风阻力特性。

结果表明：番茄的通风阻力特性可用Ramsin方程表述；包装箱两端的压差随风速的增大而增大；在风速相同的情况下，压差随包装箱两侧开孔率的增大而减小；包装箱两端的压力损失与包装箱长度呈线性关系；装置能耗与预冷风速呈线性关系；优化了不同长度番茄预冷包装箱的开孔率的取值范围。

研究结果对番茄差压预冷包装箱的设计具有一定的参考价值。

关键词：阻力，包装，农产品，差压预冷，开孔率，番茄doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2010.07.060中图分类号：S121，S609，S641.2 文献标识码：A 文章编号：1002-6819(2010)-07-0341-05吕恩利，陆华忠，杨 洲，等. 番茄差压预冷过程中的通风阻力特性[J]. 农业工程学报，2010，26(7)：341－345.Lü Enli,Lu Huazhong, Yang Zhou, et al. Pressure drop characteristics in forced-air pre-cooling of tomatoes[J]. Transactions of the CSAE, 2010, 26(7): 341－345. (in Chinese with English abstract)0 引 言番茄果实营养丰富，风味特殊，是全世界栽培最为普遍的果菜之一[1]。

然而番茄采摘后保存期短，为番茄果实的储运带来困难。

预冷是果蔬采后保鲜技术中重要的环节，可延长果蔬的保鲜期。

文献[2-4]采用差压预冷方法，对番茄预冷速度及预冷箱内的流场进行了分析，表明番茄预冷易采用差压预冷。

差压预冷是通过风机的抽吸作用使包装箱两侧产生压力差，强制冷风从包装箱的两侧开孔进出包装箱，与箱内果蔬直接进行热交换，从而使果蔬快速、均匀地冷却[5]。

文献[5-12]对苹果、葡萄等果蔬通风预冷包装箱的开孔大小、开孔率及通风过程中的压力变化特征等进行了大量的试验。

本文在文献[5]研究的方法上，增加了物料厚度对通风阻力特性的影响。

本研究建立了包装箱长度可调式差压预冷试验装置，在预冷风速、开孔率、包装箱长度、装置能耗等方面对番茄差压预冷过程中的通风阻力特性进行了研究，研究了基于压力损失和基于能耗的番茄预冷包装箱临界开孔率与物料厚度的关系，为番茄预冷包装箱的设计提供依据。

1 试验装置及方法番茄差压预冷试验装置示意图如图1所示。

预冷包装箱采用8 mm厚的有机玻璃板制作，试验区规格（长×收稿日期：2010-03-03 修订日期：2010-07-05基金项目：广东省科技计划项目（2008B021200008）；广东省人大议案项目（2009）；华南农业大学校长科学基金项目（2009K008）作者简介：吕恩利（1979－），男，山东德州人，博士生，研究方向果蔬冷链物流技术与装备。

广州华南农业大学工程学院，510642。

Email: enlilv@※通信作者：陆华忠（1963－），男，浙江天台人，教授，主要从事农业工程研究。

广州华南农业大学工程学院，510642。

Email: huazlu@ 宽×高）为0.55 m×0.30 m×0.30 m，包装箱长度可调，箱内设6处插槽，接近风机处的插槽与其余5处插槽的距离分别为0.15、0.25、0.35、0.45和0.55 m。

两侧插板为可拆式孔板，在可拆式孔板上均匀设置不同数目的圆孔（圆孔直径过小易造成开孔堵塞、过大易造成番茄从开孔漏出，本试验圆孔直径选为26 mm，接近番茄直径的1/2），得到不同开孔率。

其中，开孔率为69.4%的插板开孔为正方形孔（边长为25 mm，与圆孔大小相近）。

69.4%的开孔率之所以采用正方形的孔是因为如此大的开孔率圆形孔无法达到，所以69.4%开孔率的隔板用正方形孔来代替圆形孔。

利用风机的吸力在预冷包装箱两端产生压差，迫使空气从箱内通过，预冷番茄。

通过变频器控制风机转速，得到不同风速。

风速由台湾产AZ 8901风速仪测定，准确度为±2%。

包装箱横截面上的风速等于风速仪的测量值除以截面比（截面比为包装箱横截面与风机出口截面的比值）。

包装箱两侧的压差由美国DWYER公司生产的475-0-FM数字压差计测定，测量范围为0～2.49 kPa。

图1 差压预冷试验装置简图Fig.1 Schematic of forced-air pre-cooling experimental device342 农业工程学报 2010年试验用广东产小果番茄，按照GB 8852－1988（中华人民共和国国家标准番茄）规定，挑选单果质量在50～99 g 间，大小均匀，果实规则，无病虫害，无损伤的番茄。

随机抽取60个番茄，用游标卡尺测量番茄赤道面垂直方向上的2个直径d 1和d 2，如图2所示。

试验物料赤道处的平均直径为50.90 mm 。

采用电子天平测量番茄质量，番茄单果平均质量75.15 g 。

番茄在包装箱内采用叉排摆放，番茄在包装箱内可摆放7层，如图1所示。

图2 番茄尺寸Fig.2 Measurement of a potato以预冷风速、包装箱长度、开孔率为试验因素，试验因素及各因素的水平值如表1所示。

试验因素水平值的选取结合了项目组的经验、预试验及国内外相关研 究[5-12]的成果。

表1 试验因素水平值 Table 1 Experimental scheme因 素水平预冷风速/ (m ·s -1)包装箱长度/m开孔率/ %1 0.50 0.15 3.542 0.75 0.25 5.313 1.00 0.35 9.404 1.25 0.45 14.20 5 1.50 0.55 18.906 1.75 26.007 2.00 33.63 8 2.2569.402 结果与分析2.1 不同开孔率下风速与压力损失的关系通过对包装箱长度进行单因素试验，发现包装箱长度各水平值对通风阻力特性的影响具有相似的规律性。

为分析番茄差压预冷过程中的通风阻力特性，本文以 0.35 m 长包装箱为例进行说明。

当包装箱长度为0.35 m 时，在不同风速（通过改变变频器频率调节风速），不同开孔率下，测量预冷包装箱两端的压差。

如图3所示，在空的和装满番茄包装箱内，包装箱两端的压差随风速的增加而增大；此外，包装箱两端插板开孔率越大，压差随风速的变化率就越小，即开孔率越大，压差变化的曲线离风速轴越近；开孔率越小，压差随风速变化的曲线离压差轴越近。

由于低开孔率下通风阻力较大，无法达到高风速，因此低开孔率下测定风速点相对较少。

对比图3a 和图3b 发现，在风速相同、开孔率相同的情况下，装满番茄的包装箱比空包装箱两端的压差大，说明包装箱两端的压差还与箱内物料有关。

由此可知，压差由箱内的番茄和可拆式孔板两方面产生。

图3 风速与压力损失的关系Fig.3 Airflow velocity with respect to pressure drop由图3可知，番茄在包装箱内的通风阻力特性相似。

研究表明[5,13-14]，风速与压力损失可以用Ramsin 方程表示。

b p av Δ=式中：Δp ——包装箱两侧的压差，Pa ；v——通过包装箱横截面的风速，m/s ；a 、b ——回归系数。

包装箱内装满番茄，将不同开孔率下的风速与压力损失的关系按Ramsin 方程进行拟合，拟合结果如表2所示。

表2 按Ramsin 方程拟合的系数a 和bTable 2 a and b coefficients derived from Ramsin equation forcontainer wall venting configurations开孔形状开孔率/%系数a系数b决定系数R 23.54 113.06 1.2203 0.9980 5.31 79.09 1.2900 0.9969 9.40 36.564 1.3545 0.993914.20 24.775 1.3831 0.9934 18.90 18.275 1.4100 0.9892 26.00 16.794 1.3824 0.9831 圆形孔33.63 16.198 1.3187 0.9914正方形孔69.40 10.653 1.2979 0.9890第7期吕恩利等：番茄差压预冷过程中的通风阻力特性 3432.2 压力损失和开孔率的关系以0.35 m长包装箱为例，包装箱内装满番茄，包装箱两侧采用不同开孔率的孔板，在不同的风速下，测量包装箱两侧的压差。

包装箱开孔率越小，通风阻力就越大，最大通风速度受到限制。

3.54%开孔率能到达的最大风速水平值为1 m/s。

压力损失和开孔率的关系如图4所示。

从图4可知，在风速相同的情况下，包装箱两侧的压差随两侧插板开孔率的增大而减小。

图4 不同风速下开孔率与压力损失的关系Fig.4 Pressure drop with respect to venting area for differentairflow rate结合图3b和表2不难看出，开孔率越大，Ramsin方程的系数a就越小，压差损失就越小。

而开孔率增大则会对包装箱的强度产生影响。

因此，通过研究Ramsin方程的系数a与开孔率的关系，寻找临界开孔率点，当开孔率超过临界点时，Ramsin方程的系数a随开孔率增加而减小的速度明显减缓，这样既减小了压力损失，又能保证包装箱强度。

将表2中的Ramsin方程的系数a与开孔率的关系进行非线性回归，发现系数a与开孔率呈幂函数关系，决定系数R2=0.943。

首先将试验条件下的最大开孔率和最大系数a设为1，分别对开孔率和系数a进行无因次化，再按幂函数进行非线性回归，根据回归方程，求出该曲线曲率最大点所对应的开孔率值[5]，即为基于压差的临界开孔率。

经过计算，得出试验条件下的临界开孔率为12.6%。

当包装箱两侧插板的开孔率大于12.6%时，随着开孔率的增加，压差的减速明显减缓。

将包装箱长度依次改变为其他水平值，箱内装满番茄，分别在不同风速和不同开孔率下，测定包装箱两端的压差。