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1、装满食品的冷藏库的简化热传递模型巴黎东区大学，国家食品安全局，法国食品署，食品安全实验室摘要在冷库的特定位置常可以发现， 高温和高湿会导致食品质量的损耗并产生安 全问题。为了降低食品损耗，了解热质传递是必要的。然而，由于货物的呼吸作 用产物的影响 （如呼吸热） 以及流动与传递之间的耦合作用， 热质传递是极其复 杂的现象。 在一个装有四个苹果货架的风冷冷库内测量了气流温度和速度。由于冷库体积较小（ 3.4*3.4*2.5m ），气流直接吹向了冷库的后部。因此，与前方的货 架相比冷库后部分的货架温度更低。 这导致后部分的货物冷却速率更快且能处在 更低的温度。 我们提出了一种简化模型。 它可以描述冷
2、库内不同区域的货物及气 流温度变化情况。预测的货物冷却速率及终温均与实测值较吻合。丄、八1、前言对于食品， 为了确保高质安全， 其冷却过程和储藏条件必须准确保证。 世界 农业协会（The International Institute of Refrigeration）已经报告了由于缺乏田间冷 藏而导致食物损耗（的情况） 。据估计，如果发展中国家可以达到如同工业化国 家一样的冷藏水平， 那么将会节省超过二千万吨的易腐食物， 这相当于这些国家 目前损耗的14% （表1）。据报道，在欧洲，每人每年食物损耗为 280KG，其中 65与生产运输过程中包装不良有关，35与消费习惯有关。 因此， 冷藏装置
3、中温度的精确控制是解决问题的关键因素。这可以由适当的技术实现。了解冷库内的空气流动和热质传递是这个研究的主要目的。 具体地讲，我们 提出了一个充满货物且储藏布置复杂的风冷冷库内的热质传递模型。 这个基于分 区研究的模型可以用来预测长期储存（稳态）后货物冷却速率（瞬态）和货物终 温。这个模型的准确性已经通过与冷库内不同区域的温度实测值进行对比的到了 证实。通过与质量损失模型对比，可以预测储存期内货物的质量损失。这个简单的模型将和我们团队已经提出的用于冷藏车、 展示柜及家用冷藏柜 的模型一起来描述货物从冷链到损耗的时间 -温度曲线。2、文献综述稳定的储存条件在实际冷藏过程中是难以实现的。 一些研究
4、证明了冷库内温 湿度及流场的不均匀性。流场的这种不均匀分布与货物和制冷设备有关。 Flick 和 Mirade 发现了冷库内不同区域中空气和货物之间热传递速率的差异，这导致 了货物冷却速率的不同。 货物冷却和储藏过程中的热传递现象包括： 货物间内部 的传导， 冷气流与货物表面的对流及货物表面与冷库墙壁间的辐射。 同时， 货物 表面的水分蒸发能够导致货物重量的显著减少。 以牛肉为例，其重量损失大概为： 储存一天损失 1.5，储存两天损失 2.3。这是生产损失的 20 倍。热湿传递均 受流动情况（如空气温度及速度） ，空气物性（粘度、密度、导热率、比热容） ， 货物特性，货物形状，货物尺寸和货物摆
5、放的影响。由于许多耦合因素的相互作用，了解冷库内的热湿传递和空气流动是困难 的。弄清实验结果中货物过分的重量损失、 寿命缩短及损耗是一个问题。 这种损 耗在呼吸速率较高的温暖区域和有冻伤的冷区域更加明显。CFD 模型发展了起来，并被用来预测冷链中制冷设备中的温度和速度（情 况）。CFD有两个主要的优点。首先，它使得用局部变量如温度，湿度，速度来 描述现象成为可能。其次，它可以不通过实验来预测运行条件和设备设计的影响。 那些实验往往是造价昂贵或者是无法完成的。 尽管 CFD 是一个有力的模拟工具， 由于大量单元格的计算极耗时间，其应用亦有限制。简化模型作为 CFD 的辅助 工具可以减少运算时间，
6、被发展起来应用于冷库，家用冷藏柜，展柜和冷藏车。 这些简化模型可以更正确的预测由几种设备组成的冷链中货物的温度-时间曲线。3、实验性研究为了更好地了解空气流动和热传递， 在装满货物的冷库内进行了实验。 并用 实测数据与简化模型的结果进行比较。3.1 冷库描述冷库的长宽高分别为3.4m、3.4m、2.5m，体积29m3，放置了 4个货架。每 个货架尺寸为 1.2*1*1.75m ，由 64 个储藏格（ 0.5米长， 0.3米宽， 0.2 米高）组 成。每个储藏格装满了 34个苹果（Jon agold品种）。苹果总重约为2560Kg。值得强调的是，在2009年，Jonagold苹果在欧洲储量第四。
7、这种苹果的物性如表 一所示。Table 1Physical properties of +JondgoldM apple variety (van der Sluis et aL, 2012),Average weight (kg)0245Average diameter (mm)77.5Water concent (% of mass fraction)853Density (kg m_jl)898Bulk density (kg m-3)320Thermal conductivity at 10 C (Wm_1 K-10.463 (Lisowa et al,b2002)Specific h
8、eat at 10 C (J kg-1 K_l)3780Respiratory heat at 10 aC (kJ day-1 per tonapplesEarly ripening3520-5230Late ripening1760-2680安装在冷库顶部的制冷单元包含两个直径 30cm、转速1320RPM的轴流风 机。其风量为2450m3/h,空气流速我4.8米/秒。货架位置，后部（托盘A和B）, 前部（托盘C和D）和尺寸如图1所示。最初，苹果在20C的房间里放置三天 使其温度均匀。然后在预先设定温度为 4C的冷库内存放4个月，并在这期间测 得了数据。经过在4C下4个月的存放，苹果在16C
9、的恒温冷库内进行了解冻，并用同 样的方法测得了数据。3.2质量损失测量苹果的质量损失是我们评价苹果品质的指标。 事实上，质量损失由货物表面 的水分蒸发引起，从而导致苹果皱缩和口感下降。用电子称测量了货架B和货架D中心区域的六个苹果的质量。并在第0,5,10,20,37,60和87天分别进行了测量。测量在封闭的冷库内进行以避免环境干 扰。由于苹果变质严重，实验在 87天后终止。3.3温度测量用T型热电偶在冷库内的82个测点及一个室外测点对温度进行了测量。对 货架中心区域的苹果温度和空气温度均进行了测量。对货架B （后部）和货架D（前部）进行了 6处测量。当一个初温为20E的苹果放置在温度恒定为3
10、C的冷库内时，苹果温度会降 低并趋于环境温度。这是由苹果内部的热传导（导热系数 ”、苹果表面的热对 流引起的（对流换热系数he）,见图2Fi為 2. HeJt Lraiislcr during appic coaling -conduction and conveciion (b)- temperature profile.苹果的Bi约为2.2 （测量数据he为10W/m2k）。对于球形货物如苹果，在0.1v Bi v 10,货物的平均温度为3/4Rp。实验的平均温度可以用通过测量 Tc和 表面温度Ts由方程1解出。3 2Tavg 二Tc (Ts-Tc)()24平均温度用来与简化模型的预测值来
11、进行对比。3.4空气流速测量测量空气流速以描述整个冷库内的流场，包括气流流速和气流方向。用型号为TESTO 435-4、量程为0-20m/s的热线风速计对风速进行测量。厂商说明其精 度为5%。尽管热线风速计在价格、精确度及方便性上较均衡，但其在测量低速(v 0.2m/s)上仍有困难。在冷库内三个不同高度(0.25m, 0.9m, 1.75m)的24个测点处进行了测量。 每个测点的风速均包含XYZ三个值，来确定风向。用下式计算总风速。3.5测量冷库的K值在一个放有加热器的空冷库内对其 K值进行了测量。为了确保冷库内空气 温度相同，在加热器附近放置了一个小型风机。热量是按库内温度Tint为40C,
12、室外温度Text为18C，算出来的。在此方法中，稳态的加热量等于通过冷库墙壁 散失的热量。经过10小时后达到了稳定状态，在此过程中记录了风机和加热器 的能耗，约为1380W。所以，冷库的传热系数可以计算(K二Q/(Tint-TeJ/S), 其中S是冷库外墙面积(57m2。K值为1.10W/tf /K，用于以下的简化模型的热 平衡方程。4、热传递简化模型从实验中得到的空气流速场推导出一个简化的热传递模型。 如图3所示，空 气流速设定为4.8M/S,温度设定为3C。在风机前段的轴线，空气流速递减，这是 由于出口风速大于货架和冷库顶棚间的空气流速。 来自前部货架上部的空气被气流卷吸，其他部分气流进入
13、位于风机后部的风管m酗】小TX】P(l-rXKflhfl111tirnEiiaTA :根据实验结果我们发展了一种有 2个货物区的简化模型。如图4vwvAir nnrng puiE11 and 川Ikiri eictian|2e 加n灯 beleen ur Dful loadHeat exdiand by 畧 onv眞 ticw. nr conducnan 13 cm cxchjjapjE Z0J1CS betweenI 【 infienia and cxi & 一 Trf)=创(丁町-Trt)iTai T(a = (1 5i(3)where处二exp諾執)相同的公式适用于前货架，方程4.丁血几6 = (1 一(4 IWhere闵=eXP (曲吊陽両试)要强调，对流换热系数是包含内部热传递和表面换热的综合系数。其计算公式如下。用一个配有热电偶和加热丝的黄铜球体仪表，在一
