趙喜梅 南曉紅

西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院

蘋果屬于典型的呼吸躍變型水果，在采后冷藏過程中，呼吸強(qiáng)度會突然上升而后下降直至果實(shí)衰老腐敗，形成呼吸高峰[1]。研究表明，該高峰是果實(shí)中乙烯含量急劇增多的結(jié)果，標(biāo)志著果實(shí)從成熟轉(zhuǎn)向衰老[2]。因此，可以通過控制貯藏環(huán)境中乙烯濃度，達(dá)到推遲呼吸高峰出現(xiàn)的時期提高蘋果貯藏質(zhì)量的目的。為了解決蘋果貯藏期間乙烯濃度急劇升高進(jìn)而影響貯藏質(zhì)量這一問題，通常采取相關(guān)措施抑制貯藏環(huán)境中乙烯濃度，如使用1-MCP0、乙烯脫除設(shè)備和高錳酸鉀吸收劑等。然而，對于一些農(nóng)民修建的小型私營普通冷庫而言，并沒有采取任何乙烯濃度控制措施，此時抑制乙烯濃度最簡單有效的方法就是通風(fēng)換氣，利用室外新鮮空氣來稀釋庫內(nèi)乙烯濃度[4]。本文建立蘋果冷庫通風(fēng)換氣模型，研究了通風(fēng)換氣過程中冷風(fēng)機(jī)啟停模式對環(huán)境中乙烯濃度排除效果及溫度穩(wěn)定性的影響。

1 CFD 計(jì)算模型

1.1 幾何模型

本文以陜西省扶風(fēng)縣某230t 冷庫為研究對象，冷庫尺寸為13 m×10 m×7.1 m（長×寬×高），圍護(hù)結(jié)構(gòu)為100 mm 厚聚氨酯彩鋼板。冷卻設(shè)備采用DD-15.9/80型吊頂式冷風(fēng)機(jī)，其尺寸為1.92 m×0.61 m×0.65 m（長×寬×高），冷風(fēng)機(jī)設(shè)有兩個直徑均為0.5 m 的圓形送風(fēng)口，背面設(shè)有回風(fēng)口。冷風(fēng)機(jī)對面的墻上居中設(shè)有排風(fēng)口，排風(fēng)口離地面6.1 m。蘋果碼成兩垛，每垛尺寸為11 m×4 m×6 m（長×寬×高）。冷庫幾何模型示意如圖1 所示。

圖1 冷庫幾何模型示意圖

1.2 控制方程

1.2.1 空氣區(qū)控制方程

為了簡化計(jì)算，對空氣區(qū)進(jìn)行如下假設(shè)：空氣的物性參數(shù)是常數(shù)，為不可壓縮理想氣體，滿足Boussinesq 假設(shè)。蘋果貯藏環(huán)境溫度為0依0.5 ℃、相對濕度為85～90%。

本文綜合考慮了冷庫內(nèi)流動，傳熱與傳質(zhì)的情況，控制方程的通用形式為[5]：

1.2.2 蘋果區(qū)控制方程

為了求解方便，對蘋果區(qū)進(jìn)行如下假設(shè)：蘋果的熱物理性質(zhì)，如比熱容，熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率與溫度無關(guān)。蘋果處于低溫冷藏，忽略蘋果的輻射換熱。

1）動量方程

將蘋果區(qū)視為多孔介質(zhì)模型時，空氣在流動過程中會受到阻力的作用，包括粘性阻力和慣性阻力兩部分，可用Ergun 公式表示。

式中：Si為i 方向上動量方程的源項(xiàng)，kg/(m2·s2)；μ 為流體動力粘度，N·s/m2；α 為多孔介質(zhì)滲透率，m2；υi為i方向上的速度分量，m/s；C2為慣性阻力系數(shù)，1/m；ρ 為流體密度，kg/(m3·s)；Dp為多孔介質(zhì)顆粒的平均直徑，m；ε 為多孔介質(zhì)的孔隙率。

2）能量方程

忽略蘋果間的輻射換熱，蘋果與空氣主要依靠導(dǎo)熱和對流進(jìn)行換熱，能量方程源項(xiàng)可表示為[6]：

式中：ρp為蘋果密度，kg/m3；Qr為蘋果呼吸熱，W/kg；η為呼吸熱轉(zhuǎn)換成熱量的轉(zhuǎn)換系數(shù)，%，一般約為55%[7]；為蘋果的呼吸強(qiáng)度，mol/(kg·h)。

蘋果的呼吸強(qiáng)度隨著貯藏溫度、O2、CO2濃度的變化而變化。研究表明，蘋果貯藏在0 時，呼吸強(qiáng)度的計(jì)算公式為[8]：

式中：為O2的體積分?jǐn)?shù)，%；為CO2的體積分?jǐn)?shù)，%

3）連續(xù)性方程

氣體組分在擴(kuò)散中遵從質(zhì)量守恒定律，因此，可用組分輸運(yùn)模型描述氣體濃度變化：

式中：Γ為多孔介質(zhì)的質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)，kg/(m·s)；S 為蘋果呼吸作用引起的氣體組分濃度源項(xiàng)，kg/(m3·s)；C 對應(yīng)各組分濃度；D'為多孔介質(zhì)內(nèi)部徑向和軸向的混合擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；D 為分子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。

1.3 邊界條件和初始條件

通風(fēng)模型需要設(shè)置的邊界條件有圍護(hù)結(jié)構(gòu)、庫門、冷風(fēng)機(jī)和排風(fēng)口。屋面及四周選擇第三類邊界，地面選擇第三類邊界，庫門選擇速度入口，冷風(fēng)機(jī)送風(fēng)口選擇速度入口，冷風(fēng)機(jī)回風(fēng)口選擇自由出流，排風(fēng)口選擇自由出流。

在前期的實(shí)驗(yàn)測量中已獲得乙烯高峰出現(xiàn)的時期為70 d，此時環(huán)境中乙烯濃度為2162 μL/L。因此，乙烯濃度初始值為2162 μL/L，冷庫內(nèi)初始溫度為273.15 K。

1.4 模型與算法

湍流模型：在冷庫流場預(yù)測方面，國內(nèi)外學(xué)者比較了各種湍流模型的適用性，結(jié)果顯示SST κ-ω 模型具有較好的預(yù)測性能[9]。因此，本文采用的湍流模型為SST κ-ω 模型。

多孔介質(zhì)模型：對于庫容量較大的冷庫而言，可將蘋果堆視為多孔介質(zhì)模型，蘋果對應(yīng)于多孔介質(zhì)中的固體顆粒，空氣對應(yīng)于多孔介質(zhì)中的流體[10]。多孔介質(zhì)模型通過經(jīng)驗(yàn)公式定義多孔介質(zhì)上的流動阻力，即在動量方程中增加了一個代表動量消耗的源項(xiàng)。

求解器和算法：本文采用Fluent 默認(rèn)的分離求解器，求解過程采用隱式格式。同時，經(jīng)比較SIMPLEC算法具有計(jì)算速度快、收斂效果好的優(yōu)點(diǎn)，故采用SIMPLEC 算法。

2 結(jié)果分析

2.1 冷風(fēng)機(jī)啟停對庫內(nèi)乙烯濃度影響

由文獻(xiàn)[11]可知，蘋果冷藏庫內(nèi)乙烯濃度應(yīng)控制在10 μL/L 以下，而在實(shí)際蘋果冷庫中，庫內(nèi)可接受的乙烯濃度可達(dá)到3000 μL/L[12]。本文以2162 μL/L 作為乙烯濃度的初始值，以10 μL/L 作為乙烯濃度的控制目標(biāo)，同時開啟冷風(fēng)機(jī)和庫門，研究冷風(fēng)機(jī)的啟停對冷藏庫內(nèi)乙烯氣體排除效果及庫內(nèi)溫度穩(wěn)定性影響。

圖2 為通風(fēng)換氣過程中，冷風(fēng)機(jī)的啟停對庫內(nèi)乙烯氣體排除效果的影響。從圖中可以看出，冷風(fēng)機(jī)關(guān)閉時，需要60 min 的通風(fēng)時長才能滿足蘋果冷藏技術(shù)要求。而冷風(fēng)機(jī)開啟時，僅需要20 min 的通風(fēng)時長就可以滿足蘋果貯藏技術(shù)要求，通風(fēng)時長縮短了1/3。冷風(fēng)機(jī)開啟時乙烯氣體排除效率更高，達(dá)到貯藏技術(shù)要求所需的時間更短。這是由于冷風(fēng)機(jī)的開啟，加強(qiáng)了庫內(nèi)流體的擾動，加強(qiáng)了庫外新鮮空氣和庫內(nèi)高乙烯濃度氣體的混合程度，庫內(nèi)高乙烯濃度氣體被更充分的稀釋，單位時間內(nèi)通過排風(fēng)口排出的乙烯量更多。因此，通風(fēng)換氣過程中，冷風(fēng)機(jī)的開啟更有利于庫內(nèi)乙烯氣體的排除。

圖2 冷風(fēng)機(jī)啟停對乙烯濃度影響

為了更好的觀察和分析模擬結(jié)果，選取代表性截面進(jìn)一步了解庫內(nèi)乙烯氣體的空間分布特性。本文選取長度方向X=2.5 m（Y-Z 平面）以及寬度方向Y=7 m（X-Z 平面），如圖1 所示。

通過上文研究可以得出，乙烯濃度達(dá)到貯藏要求時兩種通風(fēng)模式所需的通風(fēng)時長不一致。本文針對這兩種通風(fēng)模式分別選取了適宜的通風(fēng)時長，即冷風(fēng)機(jī)開啟時通風(fēng)20 min，以及冷風(fēng)機(jī)關(guān)閉時通風(fēng)60 min，研究庫內(nèi)乙烯濃度達(dá)到貯藏要求后乙烯氣體的空間分布特性，如圖3 所示。

圖3 乙烯分布特性云圖

圖3（a）與圖3（b）為通風(fēng)換氣過程中，冷風(fēng)機(jī)開啟通風(fēng)20 min 后庫內(nèi)乙烯氣體的空間分布特性。從圖中可以看出，冷風(fēng)機(jī)附近空氣區(qū)乙烯濃度最低，這是因?yàn)轫敳恐虚g區(qū)域是冷風(fēng)機(jī)作用區(qū)域，氣流速度最大，氣體組分主要靠對流傳質(zhì)。同時可以看出，高乙烯濃度出現(xiàn)在蘋果區(qū)底部，出現(xiàn)的原因是蘋果區(qū)底部流動空間小，流動阻力大，組分?jǐn)U散困難。

圖3（c）與圖3（d）為冷風(fēng)機(jī)關(guān)閉通風(fēng)60 min 后庫內(nèi)乙烯氣體的空間分布特性。從圖中可以看出，冷庫內(nèi)乙烯氣體高度方向上呈現(xiàn)出由高至低逐漸增多的分層分布情況。形成這種現(xiàn)象的原因是冷風(fēng)機(jī)關(guān)閉時，庫內(nèi)氣流主要依靠排風(fēng)作用，氣體組分的傳遞主要依靠濃度差的擴(kuò)散作用和微弱定向氣流的對流作用，庫內(nèi)氣流擾動小。

2.2 冷風(fēng)機(jī)啟停對庫內(nèi)溫度穩(wěn)定性影響

通風(fēng)換氣是將室外新鮮空氣引進(jìn)室內(nèi)，同時排除室內(nèi)有害氣體的過程。室外新鮮空氣溫度高于庫內(nèi)氣溫，新鮮空氣的引進(jìn)勢必會影響庫內(nèi)溫度的穩(wěn)定，造成庫內(nèi)溫度波動，影響蘋果貯藏質(zhì)量?！短O果冷藏技術(shù)》中規(guī)定，蘋果冷庫內(nèi)的溫度波動不應(yīng)超過0.5 ℃。因此，本節(jié)研究乙烯濃度達(dá)到貯藏要求后，冷風(fēng)機(jī)的啟停對庫內(nèi)溫度穩(wěn)定性的影響。

圖4 為通風(fēng)換氣過程中冷風(fēng)機(jī)的啟停對庫內(nèi)溫度穩(wěn)定性的影響。從圖中可以看出，通風(fēng)換氣過程中無論冷風(fēng)機(jī)是否開啟，庫內(nèi)溫度均呈現(xiàn)出在通風(fēng)換氣初期迅速升高后緩慢上升的趨勢。這是由于通風(fēng)換氣初期，室外高溫氣體進(jìn)入庫內(nèi)引起室內(nèi)溫度迅速上升。但是庫溫的升高不僅與室外高溫氣體的侵入有關(guān)，還與庫內(nèi)貯藏蘋果的冷容量有關(guān)，綜合考慮這兩點(diǎn)因素，庫內(nèi)溫度在通風(fēng)后期呈現(xiàn)出隨著通風(fēng)時長的增加而緩慢增加的趨勢。同時可以看出，冷風(fēng)機(jī)開啟時，庫內(nèi)平均溫度小于0.5 ℃，波動范圍也小于0.5 ℃，滿足蘋果冷藏技術(shù)對溫度波動的要求。但是冷風(fēng)機(jī)關(guān)閉時，通風(fēng)換氣2 min 后庫內(nèi)平均溫度超過0.5 ℃，無法滿足貯藏要求。這是因?yàn)槔滹L(fēng)機(jī)的開啟為庫內(nèi)提供了冷量，抑制了庫內(nèi)溫度的升高，而冷風(fēng)機(jī)關(guān)閉時則無法滿足這一要求。因此，通風(fēng)換氣過程中為了滿足蘋果冷藏技術(shù)對溫度穩(wěn)定性要求，應(yīng)當(dāng)開啟冷風(fēng)機(jī)。

3 結(jié)論

本文基于蘋果貯藏期間乙烯濃度急劇升高進(jìn)而影響貯藏質(zhì)量這一問題，建立冷庫通風(fēng)換氣模型，研究冷風(fēng)機(jī)的啟停對乙烯氣體排除效果及溫度穩(wěn)定性的影響。具體結(jié)果如下：

1）冷風(fēng)機(jī)開啟與冷風(fēng)機(jī)關(guān)閉相比，可將乙烯濃度達(dá)到貯藏要求時的通風(fēng)時長縮短1/3。表明換氣過程中，冷風(fēng)機(jī)的開啟更有利于庫內(nèi)乙烯氣體的排除。

2）冷風(fēng)機(jī)開啟時，可以滿足蘋果冷藏技術(shù)對溫度波動的要求，而冷風(fēng)機(jī)關(guān)閉則無法滿足貯藏要求。表明通風(fēng)換氣過程中，冷風(fēng)機(jī)的開啟更有利于維持庫內(nèi)溫度穩(wěn)定。