近年來(lái)隨著人民生活水平的提高，人們對(duì)冷凍冷藏食品的依賴(lài)度越來(lái)越高。冷庫(kù)行業(yè)得到快速發(fā)展的同時(shí)，冷庫(kù)的能耗也逐年升高。在―節(jié)能減排的大背景下，冷庫(kù)的節(jié)能研究得到越來(lái)越多的關(guān)注。

冷庫(kù)中食品加工過(guò)程包括冷卻、冷藏和凍結(jié)等，不同的食品加工過(guò)程具有不同的特點(diǎn)以及工藝要求，然而，現(xiàn)有的冷庫(kù)的節(jié)能優(yōu)化研究大都單純地從冷庫(kù)動(dòng)力系統(tǒng)的角度出發(fā)，并未充分考慮不同食品加工過(guò)程的區(qū)別。

另外，現(xiàn)有研究大都使用靜態(tài)優(yōu)化方法，這些方法適用于食品冷藏等連續(xù)過(guò)程，并不適用于食品凍結(jié)和冷卻等間歇過(guò)程。本文針對(duì)冷庫(kù)中包裝食品的凍結(jié)過(guò)程進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化研究，在單體食品凍結(jié)過(guò)程和冷庫(kù)中食品凍結(jié)條件分布研究的基礎(chǔ)上，對(duì)食品凍結(jié)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化，提出基于食品凍結(jié)工藝要求的分段凍結(jié)系統(tǒng)及其運(yùn)行方式。

首先，針對(duì)冷庫(kù)內(nèi)帶包裝食品的凍結(jié)過(guò)程，建立單體包裝食品的凍結(jié)過(guò)程模型。使用焓法建立食品內(nèi)部傳熱過(guò)程模型，以自然對(duì)流和輻射換熱處理食品自身與包裝之間的空氣層內(nèi)部的傳熱，使用CFD方法模擬食品周?chē)目諝鉁囟纫约笆称穼?duì)流換熱系數(shù)，后通過(guò)迭代方法對(duì)包裝食品的凍結(jié)過(guò)程進(jìn)行模擬。通過(guò)不同包裝分割肉的凍結(jié)實(shí)驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，本文提出的模型相對(duì)于使用導(dǎo)熱或者忽略空氣層的現(xiàn)有處理方法，能夠更加準(zhǔn)確的模擬包裝食品的凍結(jié)過(guò)程。

在單體食品凍結(jié)過(guò)程模擬的基礎(chǔ)上，對(duì)凍結(jié)間內(nèi)空氣參數(shù)分布進(jìn)行模擬，研究了食品凍結(jié)條件分布對(duì)于食品凍結(jié)的影響。首先通過(guò)風(fēng)道數(shù)值模擬，計(jì)算不同空氣參數(shù)下的食品對(duì)流換熱系數(shù)并擬合成無(wú)因次關(guān)聯(lián)式。然后，使用CFD方法模擬凍結(jié)間在空庫(kù)和滿(mǎn)載情況下的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布，計(jì)算凍結(jié)間內(nèi)不同位置食品的凍結(jié)條件，并進(jìn)行敏感度分析以研究?jī)鼋Y(jié)間內(nèi)空氣溫度和空氣流速對(duì)于食品凍結(jié)過(guò)程的影響。后，對(duì)凍結(jié)間內(nèi)食品凍結(jié)條件進(jìn)行不均勻度分析，以研究不同冷風(fēng)機(jī)風(fēng)量下，凍結(jié)間內(nèi)不同位置食品的凍結(jié)過(guò)程差異。

對(duì)于凍結(jié)間內(nèi)食品凍結(jié)，建立凍結(jié)過(guò)程工藝要求評(píng)價(jià)指標(biāo)。然后，分別建立凍結(jié)間內(nèi)間歇進(jìn)貨方式下食品凍結(jié)過(guò)程中的庫(kù)房空氣模型、食品凍結(jié)模型、圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型、制冷系統(tǒng)模型等動(dòng)態(tài)模型。以食品凍結(jié)過(guò)程能耗為目標(biāo)函數(shù)，分別以?xún)鼋Y(jié)時(shí)間和凍結(jié)速率作為食品凍結(jié)工藝要求的約束條件，將約束條件以罰函數(shù)的形式寫(xiě)入目標(biāo)函數(shù)。以制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度和冷風(fēng)機(jī)風(fēng)量作為凍結(jié)間內(nèi)食品凍結(jié)過(guò)程的控制變量，計(jì)算制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度和冷風(fēng)機(jī)風(fēng)量的優(yōu)運(yùn)行方式。使用迭代動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法對(duì)于凍結(jié)間食品凍結(jié)過(guò)程的動(dòng)態(tài)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解。

結(jié)果表明，對(duì)于傳統(tǒng)運(yùn)行方式，存在一個(gè)蒸發(fā)溫度和冷風(fēng)機(jī)風(fēng)量的優(yōu)組合，使規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成凍結(jié)節(jié)能。在蒸發(fā)溫度保持不變或冷風(fēng)機(jī)風(fēng)量保持不變，以及兩者皆可隨意變化的條件下，凍結(jié)速率約束條件下的優(yōu)運(yùn)行方式能夠獲得比凍結(jié)時(shí)間約束條件下的優(yōu)運(yùn)行方式更好的節(jié)能效果。 在前述動(dòng)態(tài)優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出分段凍結(jié)系統(tǒng)，在每個(gè)階段內(nèi)使用固定的蒸發(fā)溫度與冷風(fēng)機(jī)風(fēng)量，階段性的調(diào)整其運(yùn)行方式。首先以?xún)鼋Y(jié)時(shí)間為約束條件，優(yōu)化計(jì)算不同分段數(shù)下的優(yōu)運(yùn)行方式，結(jié)果表明，保持食品凍結(jié)時(shí)間不變時(shí)，分段數(shù)越多，優(yōu)運(yùn)行方式下凍結(jié)過(guò)程越節(jié)能，但節(jié)能潛力都很小。然后，分析食品相變階段初始溫度場(chǎng)對(duì)于食品凍結(jié)影響，并在此基礎(chǔ)上，以食品凍結(jié)速率為約束條件，在不同的允許凍結(jié)時(shí)間下對(duì)凍結(jié)間內(nèi)食品凍結(jié)過(guò)程進(jìn)行分段優(yōu)化，得到基于凍結(jié)速率的的優(yōu)分段運(yùn)行方式，提出凍結(jié)間內(nèi)食品分段凍結(jié)系統(tǒng)并給出其運(yùn)行方式。后，研究分段凍結(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中同時(shí)使用系數(shù)的計(jì)算方法。 對(duì)分段凍結(jié)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用模擬及能耗分析。

對(duì)于一個(gè)有多個(gè)凍結(jié)間的實(shí)際冷庫(kù)，建立庫(kù)房模型和制冷系統(tǒng)模型，對(duì)其實(shí)際運(yùn)行狀況進(jìn)行模擬并與測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。在全年各月不同氣象參數(shù)和各月不同冷庫(kù)產(chǎn)量下，分別對(duì)傳統(tǒng)運(yùn)行方式和分段凍結(jié)方式進(jìn)行全年工況模擬，結(jié)果表明，采用分段凍結(jié)系統(tǒng)，根據(jù)各月凍結(jié)食品產(chǎn)量，采用不同的凍結(jié)時(shí)間，增加了冷庫(kù)內(nèi)同時(shí)投入使用的凍結(jié)間的數(shù)量，提高系統(tǒng)的COP值，減少冷風(fēng)機(jī)的耗能和散熱負(fù)荷，能夠獲得比較好的節(jié)能效果。