熱泵系統(tǒng)調(diào)控的蔬菜貯藏試驗裝置溫度場速度場研究

徐 慶，李 通，史亞彭，王 達

(1. 天津市輕工與食品工程機械裝備集成設(shè)計與在線監(jiān)控重點實驗室，天津科技大學機械工程學院，天津 300222；2. 中華全國供銷合作總社濟南果品研究院，濟南 250014)

新鮮蔬菜含水率較高，質(zhì)脆易腐，如不及時保鮮貯藏，易導致較高的損耗，出現(xiàn)豐產(chǎn)不豐收現(xiàn)象．當前，蔬菜產(chǎn)地主要采取兩種方式對蔬菜進行保質(zhì)貯藏．方式一是利用地窖貯藏，根據(jù)不同季節(jié)的特點，綜合利用土壤冷源或土壤保溫作用使蔬菜長期貯藏在適宜的溫度中，早在20世紀80—90年代，歐洲和美國開展了對于土壤蓄能相關(guān)的研究工作[1]．方式二是利用冷庫或保鮮庫貯藏，通過人為控制使貯藏庫的溫度始終維持穩(wěn)定．貯藏庫內(nèi)氣流場和溫度場調(diào)控的手段更加靈活，效果明顯優(yōu)于方式一．但是，貯藏庫內(nèi)氣流場和溫度場分布經(jīng)常存在不合理的現(xiàn)象，而溫度場的分布對蔬菜保質(zhì)和保鮮起著非常重要的作用[2-3]．在獲取蔬菜貯藏庫內(nèi)氣流場和溫度場的信息方面，傳統(tǒng)試驗方法有較大的局限性[4]，CFD 技術(shù)的運用可以很好地解決上述難題[5-6]，其通過建立模型和可靠的數(shù)值計算模擬出整個流場的分布情況．例如，謝晶等[7]選擇一個冷藏庫空載庫體作為研究對象，創(chuàng)建了二維湍流模型，對庫內(nèi)的氣流場進行數(shù)值求解計算，并進行了實驗驗證．郭嘉明等[8]采用 CFD方法創(chuàng)建了某保鮮運輸車的三維模型，針對蔬菜擺放方式對其內(nèi)部溫度場的影響進行了研究．但是，據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前多數(shù)蔬菜貯藏庫內(nèi)氣流場和溫度場分布依然不合理[9-11]．因而，研究和改善貯藏庫內(nèi)的氣流場和溫度場的分布具有現(xiàn)實意義[12]．

圓白菜，學名結(jié)球甘藍，具有耐寒、抗病、適應性強、易貯耐運、產(chǎn)量高等特點，其富含維生素 C，約90%,的成分為水，在我國普遍栽培，是中國東北、西北、華北等地春、夏、秋季的主要蔬菜之一[13-14]．作為一種特色蔬菜，本研究選擇其為試驗物料．

本文使用 FLUENT，采用有限體積法[15]，通過對熱泵系統(tǒng)[16]調(diào)控的蔬菜貯藏試驗裝置建立物理和數(shù)學模型，對試驗裝置分別在空載和裝載圓白菜、兩種堆放方式、強制通風的貯藏過程進行數(shù)值模擬，并在與數(shù)值模擬相同的條件下進行試驗，從而對模擬結(jié)果進行驗證．

1 試驗裝置及物料

1.1 熱泵系統(tǒng)調(diào)控的蔬菜貯藏試驗裝置

熱泵系統(tǒng)調(diào)控的裝置運用廣泛，操作便捷，節(jié)約能耗．圖1為自制裝置，由太陽能集熱器、蓄熱水箱、熱泵機組和循環(huán)水泵等組成，可以實現(xiàn)制冷和供暖．其中，熱泵機組由壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器 4部分組合而成，可以通過熱泵機組循環(huán)實現(xiàn)制冷，產(chǎn)生的冷量供給蒸發(fā)器，通過風機將冷量傳遞到試驗裝置中；需要供暖時，由太陽能或電加熱為水箱中的水提供熱量，通過水循環(huán)吸收熱量供給蒸發(fā)器，通過風機將熱量傳遞到試驗裝置中，從而實現(xiàn)供暖．

系統(tǒng)中選用的壓縮機型號為 D40CY1，冷凝器規(guī)格為二排 8孔 3.4,m2，蒸發(fā)器由銅管制成，制冷劑采用性能優(yōu)異的新型碳氫制冷劑 R600a，不損壞臭氧層，無溫室效應，綠色環(huán)保，具有蒸發(fā)潛熱大、冷卻能力強的特點．由XMK-010型雙限數(shù)顯溫度控制儀顯示裝置內(nèi)的溫度．

圖1 熱泵系統(tǒng)調(diào)控的試驗裝置示意圖Fig. 1 Schema of the testing device regulated with heat pump system

1.2 試驗物料及相關(guān)參數(shù)

選擇市售新鮮的圓白菜作為數(shù)值模擬時試驗裝置內(nèi)裝載的物料．圓白菜的物性參數(shù)見表1．

表1 圓白菜的物性參數(shù)Tab. 1 The physical parameters of cabbage

2 模型建立

2.1 物理模型

試驗裝置物理模型的尺寸為長 450,mm、寬400,mm、高 800,mm，左側(cè)壁面裝有截面邊長為100,mm的正方形風機，圓白菜在裝置內(nèi)有兩種堆放方式．

模型1：裝置空載．

模型 2：四周留空堆放，物料假設(shè)為立方體，長300,mm、寬 300,mm、高 400,mm，物料與前后壁面各留空 50,mm，與左右壁面各留空 75,mm，考慮到底面溫度梯度變化較大，設(shè)置距離底面50,mm．

模型 3：四周和中間留空堆放，物料假設(shè)為兩個尺寸相同的立方體，長 150,mm、寬 300,mm、高 400,mm，物料與前后壁面各留空 50,mm，與左右壁面各留空 50,mm，兩立方體中間留有 50,mm 的空隙．

3個模型的網(wǎng)格單元數(shù)量依次為 1,180,374、1,285,549和1,153,745，其模型網(wǎng)格劃分見圖2．

圖2 模型的網(wǎng)格劃分Fig. 2 Model mesh diagram

2.2 數(shù)學模型

考慮試驗裝置會出現(xiàn)湍流流動，采用實際中應用最廣泛的標準-κ ε湍流模型，并選擇SIMPLE算法．湍動能κ和耗散率ε方程分別為

式中：Gκ表示流體平均速度梯度引起的湍動能；Gb表示浮力引起的湍動能；YM表示可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響[17]；湍流的黏性系數(shù)tμ=

在FLUENT軟件中，-κ ε湍流模型中采用的6個經(jīng)驗常數(shù)見表2．

表2 -κ ε模型中的經(jīng)驗常數(shù)Tab. 2 The coefficient of -κ εmodel

對模型的基本假設(shè)：(1)物料內(nèi)部初始階段溫度和水分含量均勻；(2)裝置內(nèi)管件和支架等支承物對流場沒有影響；(3)物料的熱物性為常數(shù)；(4)裝置內(nèi)空氣不可壓縮且符合 Boussinesq假設(shè)；(5)忽略圓白菜產(chǎn)生的呼吸熱．

2.3 初始條件和邊界條件

送風溫度為276.15,K，風速為1,m/s，裝置內(nèi)初始溫度為 298.15,K，物料的初始溫度為 293.15,K，固定壁面無滑移邊界條件，第三類邊界條件，壁面厚度為20,mm．

3 模擬結(jié)果分析與試驗驗證

3.1 仿真分析

3.1.1 溫度場分布

圖 3是模型 1(空載裝置)運行 2,h后的二維和三維溫度云圖．由圖3(a)可以看出：入風口處溫度最低，地面和墻壁處的溫度較高，中心處溫度最高，并且形成了漩渦．由圖3(b)可知：三維模型的溫度場以x＝200,mm的平面兩側(cè)呈對稱分布，風機處的溫度梯度較大，試驗裝置的中下部溫度較高．總體上，溫度分布比較均勻，貯藏過程中維持在3,℃左右．

圖3 模型1的溫度云圖Fig. 3 Temperature cloud chart of model 1

圖 4(a)為模型 2(四周留空堆放)運行 6,h后的溫度云圖，可以看出：整個裝置溫度趨于一致，溫度場分布均勻，由于裝置下部堆放物料，下部整體溫度略微高于上部．由圖4(b)的中心截面溫度云圖可知：經(jīng)過一段時間降溫之后，物料溫度與空氣溫度趨于一致，物料溫度277.12,K略高于空氣溫度276.64,K，物料周圍形成了一定的溫度梯度，出風口處溫度略高．

圖4 模型2的溫度云圖Fig. 4 Temperature cloud chart of model 2

圖5(a)為模型3(四周和中間留空堆放)運行6,h后的溫度云圖，與模型 2相比，可以看出：裝置下半部分溫度場分布更加均勻．圖 5(b)為中心截面溫度分布云圖，由圖可知：物料溫度比裝置內(nèi)空氣溫度略高，物料周圍形成了一定的溫度梯度，物料中間留空處的上部溫度與物料溫度接近．總體上，溫度分布更加均勻，有利于蔬菜長期貯藏保鮮．

圖5 模型3的溫度云圖Fig. 5 Temperature cloud chart of model 3

3.1.2 速度場分布

圖 6是模型 1(空載裝置)的二維和三維速度矢量圖．由圖 6(a)可知：中心處形成一個漩渦，入風口和出風口處速度明顯大于其他部分，壁面的角落處也形成小漩渦．從圖 6(b)可明顯看出空載裝置內(nèi)氣流的整體流動趨勢．整個速度場沿風機中心截面呈對稱分布，并形成一個極大的漩渦．入風口處速度最大，中心處速度最?。?/p>

圖6 模型1的速度矢量圖Fig. 6 Velocity vector chart of model 1

圖 7(a)為模型 2(四周留空堆放)的三維速度矢量圖，由于假設(shè)物料為一整體，故物料內(nèi)部沒有速度，入風口和出風口處速度最大，貼近壁面的速度也較大．圖 7(b)為中心截面速度矢量圖，物料速度為零，氣流沿著壁面流動，在壁面處形成了漩渦，物料周圍氣流場分布比較均勻．

圖 8(a)為模型 3(四周和中間留空堆放)的速度矢量圖，入風口和出風口處的速度最大，物料之間留空處的速度較小，沿著壁面處的速度較大，形成了一些小漩渦．圖 8(b)為中心截面速度矢量圖，物料堆放處速度為零，入風口和出風口處形成了明顯的速度梯度，氣流沿著壁面循環(huán)流動．

圖7 模型2的速度矢量圖Fig. 7 Velocity vector chart of model 2

圖8 模型3的速度矢量圖Fig. 8 Velocity vector chart of model 3

3.2 試驗驗證

3.2.1 空載裝置的測點試驗

如圖 9所示，選擇中心截面進行溫度測量，選定A、B、C、D、E、F、G、H等 8個測點，利用 8個 PT100溫度探頭進行測量，利用XMT-JK808型智能數(shù)顯溫度控制器同時顯示各測點的溫度．

圖9 空載裝置的測點分布示意圖Fig. 9 Schema of measuring points distribution for unloading

圖10是空載裝置降溫過程中不同測點的溫度隨時間變化情況．在降溫過程中，8個測點的溫度變化幾乎趨于一致，說明在降溫過程中，裝置內(nèi)氣流場和溫度場分布比較均勻，有利于蔬菜貯藏保鮮．

圖10 裝置空載時降溫過程各測點的溫度-時間變化Fig. 10 Temperature and time variation of different meas-uring points in air cooling process of storage unloading

3.2.2 裝載物料裝置的測點試驗

如圖 11所示，選擇中心截面進行溫度測量，選定A、B、C、D、E、F、G、H等 8 個測點，同理利用上述儀器進行試驗測量．

圖11 裝載物料裝置的測點分布示意圖Fig. 11 Schema of measuring points distribution for loading

考慮到圓白菜的形狀以及和裝置尺寸之間關(guān)系等因素，為了降低誤差，在試驗驗證過程中不加任何固定裝置放置圓白菜，故試驗采用四周留空堆放方式進行了驗證．圖 12為模型 2(四周留空堆放)中試驗裝置裝載物料后降溫過程中各測點溫度隨時間變化情況．在試驗裝置裝載物料后的降溫過程中，8個測點處的溫度變化幾乎趨于一致，說明在降溫過程中，裝置內(nèi)氣流場和溫度場分布很均勻；與空載時的降溫過程相比，裝置裝載物料后的降溫速度明顯減慢，耗時增加．在同一時刻，出風口處溫度最高，入風口處溫度最低，與模擬結(jié)果吻合．

圖12 裝載物料后裝置降溫過程中各測點的溫度-時間變化Fig. 12 Temperature and time variation of different measuring points in the cooling process of storage loading with cargo

3.3 模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比

圖 13(a)和 13(b)分別為空載和裝載物料(四周留空堆放)兩種情況下，試驗裝置溫度達到穩(wěn)定之后8個測點的溫度模擬值與測量值比較．圖 13(a)表明：空載裝置的溫度模擬值與測量值比較接近，最大偏差為 0.2,℃，平均偏差為 0.13,℃，總體上，模擬值略高于測量值．由圖 13(b)可知：在試驗裝置裝載物料后，溫度模擬值與測量值的偏差要大于裝置空載時的偏差，此時的最大偏差為 1.3,℃，平均偏差為1.15,℃，總體上，測量值高于模擬值．

圖13 溫度模擬值與測量值比較Fig. 13 Comparison between simulated and measured values of temperature

4 結(jié) 論

(1)對于試驗裝置空載、四周留空方式裝載物料以及四周和中間留空方式裝載物料3種模型，四周和中間留空方式裝載物料的溫度分布更均勻．

(2)試驗裝置內(nèi)部氣流場和溫度場的分布規(guī)律是拐角處和中心處有一定的速度漩渦，整個裝置從下向上溫度場有一定的分層現(xiàn)象，下部溫度略高于上部，試驗裝置拐角處氣流場產(chǎn)生部分小漩渦．

(3)試驗裝置空載時的溫度模擬值略高于測量值，最大偏差為 0.2,℃，平均偏差為 0.13,℃，試驗裝置在裝載物料時的溫度測量值高于模擬值，最大偏差為 1.3,℃，平均偏差為 1.15,℃，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果具有較好的一致性．

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