真空预冷设备中捕水器的理论模拟和结构优化

摘要： 为研究捕水器最佳的结构参数并使系统不过于复杂及成本太高，本文给出了真空预冷的原理，建立了真空预冷装置捕水器数学模型，采用Fluent和Gambit软件，选用kε湍流模型及连续性方程来封闭NS方程组，通过编写用户自定义函数名称凝固与融化（solidification and melting，SAM），对不同直径、不同长度和不同壁面温度组合而成的18种壁面凝结式捕水器进行理论模拟与分析。分析结果表明，当管径为200 mm，管长为700 mm，壁面温度为-30 ℃时，该捕水器的捕水率可达724%，说明当捕水器总材料一定时，选用第18组的结构尺寸，其捕水率最高。该研究为实际捕水器的优化改进提供了理论依据。

关键词： 真空预冷； 捕水器； Fluent； 优化

中图分类号： TB661； TB657文献标识码： A

目前，我国已成为果蔬生产及消费大国，由2015年的统计数据可知，全国水果的总种植面积达到1 53671万公顷。由于果蔬的保存期不长，据不完全统计，我国果蔬采摘后损失率达20%～30%，在损失的果蔬中，绝大多数是由于腐败溃烂所导致。低温可以抑制果蔬呼吸作用以及有害微生物的滋生，但直接将果蔬置于冷库，降温效果并不理想，所以预冷是保持果蔬品质重要措施之一。1904年，Powel和他的助手向美国农业部提出了预冷的概念，在众多预冷方式中，真空预冷因具有冷却时间短，冷却均匀，清洁，能耗低等优点脱颖而出。20世纪40年代，西方国家开始了真空预冷的研究，美国在20世纪四、五十年代对冻结食品温度变化与品质关系进行研究，总结出了大多数果蔬的冻结温度和贮藏温度带；1965年，日本将真空预冷归纳于冷藏链中，并进入迅速发展时期；20世纪80年代，我国开始对真空预冷技术进行研究[17]，其多数是对真空预冷中真空室的传热传质理论研究。在建立的众多模型中，对传热过程描述较准确，对传质过程描述的误差较大，而对于捕水器数学模型的建立方面几乎未涉及。捕水器既要保证捕水效率足够高，保证真空泵的正常运转，还要有足够的强度满足真空的要求。基于此，本文主要对真空预冷设备中的捕水器进行理论模拟和结构优化，并通过模拟优化选择捕水器的结构参数。该研究对保持果蔬品质具有重要意义。

1真空预冷的原理

水在一个标准大气压下的沸点是100 ℃，蒸发热是2 25669 kJ/kg，水在压力为613 Pa时的沸点是0 ℃，蒸发热为2 49952 kJ/kg。研究发现，随着压力的降低，水的沸点降低，而水的蒸发热却上升。真空預冷系统主要由真空室、捕水器、制冷机组及真空泵组成，真空预冷实验装置如图1所示。

其过程是使果蔬中的水分在真空条件下蒸发，在没有外界热源时，水分蒸发吸收热量，从而使真空室内温度降低，产生制冷效果。随着环境压力的降低，相应的水的饱和蒸发压力也降低，水从果蔬中蒸发出来，同时使果蔬温度降低，水蒸气通过捕水器成为干燥空气后经真空泵抽出，由此维持真空室真空状态[8]。

2真空预冷装置捕水器的数学模型

2.1建模过程及简化假设

真空预冷装置捕水器的原理是通过制冷机的冷却作用，把果蔬蒸发出来的水蒸气冷凝成水或结霜而排除。因为水蒸气会溶于真空泵的润滑油，使润滑油失效加剧真空泵磨损，降低真空泵性能。为防止水蒸气进入真空泵，必须用捕水器捕集水蒸气，真空泵只用来排除非冷凝性气体，若直接由真空泵排出水蒸气，则要求真空泵具有巨大的排气量，因此捕水器的性能决定了整个预冷设备性能的高低。捕水器要求通导系数高，可保证气体快速安全的流通捕水器，同时要求气体与壁面碰撞效果好，这将加强捕水器的捕水效率。本文利用Fluent软件进行数值实验，对捕水器的结构进行优化，从而减少后续实际实验工作的投入[814]。捕水器模型如图2所示。

将壳体部分长度定义为L，入口及出口与壳体一段的最小长度L=100 mm；将壳体直径定义为D，入口及出口直径D=50 mm；捕水器壁面温度用te表示，入口温度293 K。实际情况中，真空泵抽吸气体，故此处模拟将上部定义为蒸汽入口，在壳体内完成凝结过程，气体从下部出口排出。

具体设置为：将压力设置为600 Pa，由于是流体强制对流，考虑到重力的影响，该流体在捕水器内不随时间的变化而变化，因此选用稳态过程进行求解。在流动过程中，水蒸气与空气两相流动，所以开启多相流模式，选择混合流。由于蒸汽流冲刷壁面，产生了对流换热需开启能量方程并且使用k-ε模型[1521]。入口处速度设置为常用的1 m/s。其壁面由于制冷剂的不断冷却，设置为常壁温，温度为253K，这里使用液体水蒸发及凝结所选用的UDF。建立连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程如下：

不可压流体连续性方程为

uxx+uyy+uzz=0

能量守恒方程为

Tt+div（UT）=div（λρcpgradT）+STρ

动量守恒方程为

duxdt=fx-1ρpx+ν2uxx2+2uxy2+2uxz2duydt=fy-1ρpy+ν2uyx2+2uyy2+2uyz2duzdt=fz-1ρpz+ν2uzx2+2uzy2+2uzz2

式中，ux为沿x方向流速，m/s；uy为沿y方向流速，m/s；uz为沿z方向流速，m/s；ν为运动粘性，m2/s；ρ为流体密度，kg/m3；p为流体压力，Pa；T为流体温度，K；cp为流体定压比热容，J/kg·K；λ为导热系数，W/m·K；ST为内热源，W/m3

2.2模拟结果及分析

每组达到稳态后，通过Fluent的后期处理功能可以得到系统速度场、温度场及液态水出入口质量流量。捕水器速度场分布图如图3所示，由图3可以看出，捕水器上部气流速度大，下部速度小，表明水蒸汽在捕水器中凝结后，液体在下部流动，气体在上方流动。由于出口外接抽真空系统的原因，在进、出口处流动面积减小，速度急剧增大。捕水器温度场分布图如图4所示，由图4可以看出，流体进入捕水器后直接冲击壁面，产生剧烈扰动，迅速降温；而后由于温差变小，随下壁面流动，冷却速度开始减缓，直至出口处。

由图3和图4还可以看出流体在捕水器中的流动规律，对液态水分含量进行流量确定，可以得到每组捕水器的液态水出口质量流量。根据水蒸汽进口质量流率和捕水量，计算捕水器的捕水率。针对捕水器不同结构、尺寸和两种壁温，通过上述模拟，获得不同结构尺寸的捕水器的捕水率如表1所示。

由表1可以看出，当管径为200 mm，管长为700 mm，壁面温度为-30 ℃时，该捕水器的捕水率可达724%，说明当捕水器总材料一定时，选用第18组的结构尺寸，其捕水率最高。捕水器内的管路捕水面积对捕水量影响最大，管路面积又会影响捕水器尺寸、真空室处理能力、捕水器材料用量及价格。捕水器形状对捕水效率的影响并不大，入口温度与壁温之差在适当范围内越大越好。

3结束语

本文主要对真空预冷设备中的捕水器进行理论模拟和结构优化。模拟结果可知，在设计捕水器时，捕水面积是重点考虑的因素。在一定范围内，捕水器壁面与进入捕水器的蒸汽温度差越大越好。在理论计算中，此温度差会影响凝结换热系数，但通过模拟发现其对捕水量影响不大。本文通过模拟，优化选择现有捕水器模型，该捕水器为壁面凝结式捕水器，首先可以将冷凝管穿越捕水器内部，增添折流板，让蒸汽在冷凝管上凝结，可大大增加捕水面积，其次该捕水器是将蒸汽凝结为水，也可加大温差使之凝结为霜，且可尝试新型材料，使其更亲水，增大捕水量。制冷系统设定不同的蒸发温度，机组的能耗就会有差别，从而直接影响理论计算中的参数，所得捕水量差别较大。本文仅尝试了管长，管径，壁温的梯度改变，还可对出入口距一端的距离、壁面材料、网格划分和含水量等参数进行梯度划分，通过数值实验，优化捕水器，从而实现整个真空预冷系统性能最优。

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