胡磊洋 南曉紅 洪妮

西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院

蘋果貯藏期間，不斷釋放乙烯和二氧化碳等有害氣體。二氧化碳濃度過高會導(dǎo)致蘋果產(chǎn)生二氧化碳傷害。乙烯積累到一定程度會促進(jìn)蘋果老化，加快后熟衰老[1]。在貯藏過程中要保持蘋果品質(zhì)、延緩衰老，就必須控制有害氣體的比例及作用，通常是對冷庫進(jìn)行通風(fēng)換氣，保證庫內(nèi)氣體濃度符合要求，從而達(dá)到更好的貯藏效果。然而，由于氣體濃度分布的復(fù)雜性，以及傳統(tǒng)通風(fēng)換氣人為操作的隨意性，通風(fēng)效果不盡理想。國內(nèi)外學(xué)者對氣調(diào)庫氣體濃度分布進(jìn)行了大量研究工作[2-3]，但對普通冷藏庫通風(fēng)換氣方面的研究鮮有涉及，因此，研究蘋果冷藏庫通風(fēng)換氣過程中氣體濃度的分布情況，對提高蘋果貯藏質(zhì)量，減少蘋果采后損失具有重要意義。

1 物理模型的建立

本文以扶風(fēng)縣某蘋果冷藏庫為研究對象，冷庫內(nèi)部尺寸為13 m（長）×10 m（寬）×7.1 m（高），保溫材料為聚苯乙烯發(fā)泡塑料。冷庫內(nèi)的冷風(fēng)機(jī)采用DD-15.9/80型吊頂式冷風(fēng)機(jī)，尺寸為1.92 m（長）×0.61 m（寬）×0.65 m（高），風(fēng)機(jī)有兩個直徑為0.5 m的圓形送風(fēng)口，回風(fēng)口在風(fēng)機(jī)背面。貨物分為兩堆，每堆尺寸為11 m（長）×4 m（寬）×6 m（高），貨物距兩側(cè)墻面為0.5 m，距有門墻面為1.5 m。冷庫計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 冷庫物理模型

2 數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 氣體區(qū)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)冷庫實(shí)際情況，假設(shè)冷庫內(nèi)部流場為三維、不可壓縮、非穩(wěn)態(tài)、湍流流場。流場的湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型，與連續(xù)性方程、動量方程、能量方程聯(lián)立求解獲得冷庫熱濕環(huán)境，則其流動傳熱通用微分方程為：

式中：Φ為通用變量；ГΦ為與Φ相對應(yīng)的廣義擴(kuò)散系數(shù)；SΦ為與Φ相對應(yīng)的廣義源項(xiàng)。

2.2 貨物區(qū)數(shù)學(xué)模型

1）氣體組分濃度方程

蘋果在貯藏過程中仍然是有生命的活體，不斷進(jìn)行各種各樣的生理代謝。乙烯作為一種植物催熟激素通過一系列的生化反應(yīng)釋放。乙烯從貨物區(qū)向氣體區(qū)擴(kuò)散過程中遵從組分質(zhì)量守恒原理，因此在模擬計(jì)算中，可以用組分輸運(yùn)模型來描述冷庫內(nèi)氣體濃度。

式中：Г為多孔介質(zhì)的質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)；S為蘋果呼吸作用所引起的氣體組分濃度源項(xiàng)；C對應(yīng)各組分濃度。

針對本文所研究的冷藏庫，蘋果乙烯釋放速率可由文獻(xiàn)[4]查得，在計(jì)算時作為組分輸運(yùn)方程的源項(xiàng)被考慮。

2）貨物區(qū)阻力

針對蘋果冷藏庫堆碼形式，可將貨物區(qū)看作多孔介質(zhì)，將蘋果當(dāng)作固體顆粒，間隙中的氣體對應(yīng)于多孔介質(zhì)中的流體，該多孔介質(zhì)的阻力Sf包括粘性阻力和慣性阻力兩部分，可用達(dá)西定律[5]來表示。

式中：Dp為多孔介質(zhì)顆粒的平均直徑，m，本研究為蘋果的直徑；ε為多孔介質(zhì)的孔隙率；μ為流體動力粘性系數(shù)，N·s/m2；1/α 為粘性阻力系數(shù)，1/m2；C2為慣性阻力系數(shù)，1/m；ρf為流體密度，kg/m3；νmag為氣體流速最大值，m/s。

2.3 邊界條件

本文需要設(shè)定的邊界條件有冷庫墻體，冷風(fēng)機(jī)，庫門和排風(fēng)口。冷庫壁面速度采用無滑移邊界，外墻和屋頂熱邊界采用第三類邊界條件，其對流換熱系數(shù)按照冷庫設(shè)計(jì)規(guī)范要求取為23 W/(m2·K)。地面采用第一類邊界條件，溫度為271.15 K。冷風(fēng)機(jī)送風(fēng)口采用速度進(jìn)口條件，送風(fēng)速度為5 m/s，選擇紊流強(qiáng)度和水力直徑定義紊流，紊流強(qiáng)度設(shè)為5%，水力直徑為風(fēng)機(jī)特征直徑0.5 m，回風(fēng)口采用outflow邊界條件。

不進(jìn)行通風(fēng)換氣時，庫門和排風(fēng)口關(guān)閉，設(shè)定為定熱流密度的墻面，熱流量為9.3 W/m2。進(jìn)行通風(fēng)換氣時，庫門開啟，庫門和排風(fēng)口均設(shè)定為速度進(jìn)口條件，選擇紊流強(qiáng)度和水力直徑定義紊流，排風(fēng)口紊流強(qiáng)度為5%，水力直徑為排風(fēng)口直徑0.5 m，冷庫門水利直徑為當(dāng)量直徑1.54 m。

3 結(jié)果與分析

3.1 排風(fēng)速度對庫內(nèi)氣體濃度分布的影響

為了更好的觀察和分析模擬結(jié)果，本文選取冷庫長度方向的對稱中截面作為代表性切面，來進(jìn)一步分析庫內(nèi)有害氣體的分布規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)蘋果入庫24 h后，庫內(nèi)有害氣體濃度分布均勻，且濃度較高。以乙烯為例，貨物區(qū)乙烯濃度高達(dá)15.7 μL/L，已超蘋果冷藏貯存要求（乙烯濃度 ＜1 μL/L）[6]。

本文改變排風(fēng)速度，分別對7 m/s，8 m/s和9 m/s三種情況的通風(fēng)換氣進(jìn)行模擬研究，分析不同排風(fēng)速度對庫內(nèi)氣體濃度分布的影響。

圖2為不同排風(fēng)速度，通風(fēng)換氣1 h時Y=6.5 m截面處乙烯濃度分布。由圖可知：通風(fēng)時間相同、排風(fēng)速度不同時貨物區(qū)有害氣體濃度分布情況基本相同，即有害氣體濃度由中心向四周逐漸降低。排風(fēng)速度為7 m/s，8 m/s和 9 m/s時乙烯對應(yīng)最高濃度分別為1.1 μL/L，0.9 μL/L，0.7 μL/L，可見排風(fēng)速度越大，庫內(nèi)貨物區(qū)有害氣體濃度越低。與排風(fēng)速度為7 m/s相比，排風(fēng)速度9 m/s時貨物區(qū)乙烯最大濃度降低了36.4%。由此證明排風(fēng)速度越大越有利于有害氣體的排除。

圖2 不同排風(fēng)速度下Y=6.5m截面處乙烯濃度分布

圖3 不同排風(fēng)速度下點(diǎn)X=2.5 m，Y=8 m，Z=3.6 m處乙烯濃度變化曲線圖

圖3為根據(jù)非穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果得到的通風(fēng)換氣過程中排風(fēng)速度為 7 m/s，8 m/s，9 m/s時點(diǎn) X=2.5 m，Y=8 m，Z=3.6 m（貨物區(qū)濃度較高處）處乙烯濃度隨時間變化的曲線圖。如圖所示，不同排風(fēng)速度時，該點(diǎn)處乙烯濃度隨時間變化的趨勢基本一致。排風(fēng)速度為9 m/s時，貨物區(qū)乙烯濃度降低速率最大，最快將乙烯濃度降到貯藏要求。說明合理增大排風(fēng)速度有利于有害氣體的排除。

3.2 排風(fēng)口數(shù)量對庫內(nèi)氣體濃度分布的影響

排風(fēng)口數(shù)量的改變同樣也影響著庫內(nèi)氣體濃度的分布。本文在原有冷庫的基礎(chǔ)上僅增加排風(fēng)扇的數(shù)量，研究雙排風(fēng)口對庫內(nèi)氣體濃度分布的影響，并與單排風(fēng)口通風(fēng)換氣效果進(jìn)行對比。雙排風(fēng)口冷庫物理模型如圖4所示。

圖4 雙排風(fēng)扇冷庫物理模型

單排風(fēng)扇冷庫排風(fēng)速度為8 m/s時，庫內(nèi)有害氣體可以在1 h內(nèi)降到貯藏要求，為了保證通風(fēng)換氣量相同，雙排風(fēng)扇冷庫排風(fēng)速度設(shè)為4 m/s。圖5為點(diǎn)X=2.5 m，Y=8 m，Z=3.6 m處單、雙排風(fēng)形式下乙烯濃度隨時間變化的曲線圖。從圖中可以看出單臺排風(fēng)扇形式下該點(diǎn)乙烯濃度60 min后降到1 ppm以下，雙臺排風(fēng)扇形式下30 min時該點(diǎn)乙烯濃度已低于1 ppm，雙排風(fēng)扇形式明顯優(yōu)于單排風(fēng)扇形式。雙排風(fēng)扇形式下，通風(fēng)30 min后庫內(nèi)乙烯濃度降低并不明顯，并且會隨著時間的增加導(dǎo)致庫溫升高，因此通風(fēng)時間并不是越長越好。

圖5 單、雙排風(fēng)扇形式下點(diǎn)X=2.5 m，Y=8 m，Z=3.6 m處乙烯濃度變化曲線圖

4 結(jié)論

本文以陜西某蘋果冷藏庫為研究對象，通過建立氣體流動，傳質(zhì)的三維數(shù)學(xué)耦合模型及組分輸運(yùn)模型，用CFD軟件模擬研究了庫內(nèi)有害氣體的分布規(guī)律，探究了通風(fēng)換氣過程的影響因素。

結(jié)果表明在冷庫實(shí)際通風(fēng)換氣過程中，存在適宜的通風(fēng)量，使得庫內(nèi)有害氣體濃度在規(guī)定的時間內(nèi)降低到貯藏要求，本文研究冷庫最適排風(fēng)速度為8 m/s。雙排風(fēng)扇形式換氣效果優(yōu)于單排風(fēng)扇形式。適當(dāng)增加通風(fēng)時間可以降低有害氣體濃度，當(dāng)通風(fēng)一定時間后，庫內(nèi)有害氣體濃度降低并不明顯，且導(dǎo)致庫溫升高，因此通風(fēng)時間并不是越長越好。