農(nóng)產(chǎn)品空氣能熱泵烘房溫度場的數(shù)值模擬與驗證

李淑國，楊 薇，張付杰，宋瑞凱，郝 鐸

（昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，云南 昆明 650500）

傳統(tǒng)農(nóng)產(chǎn)品烘房主要靠煤、石油等傳統(tǒng)能源來制熱，存在能耗高、熱利用率低、不環(huán)保等問題。空氣能是空氣中所蘊含的低品位熱能。農(nóng)產(chǎn)品空氣能熱泵烘房是利用空氣中的能量來制熱，且制熱效率高，理論上較傳統(tǒng)烘房節(jié)能約35%，產(chǎn)生的熱量可以對農(nóng)產(chǎn)品進行高品質(zhì)的干燥[1-2]。

Ho等[3]研究了熱泵輔助干燥取代冷凍干燥，將其應(yīng)用于種子培養(yǎng)的乳酸菌干燥，發(fā)現(xiàn)熱泵輔助干燥在投資成本和運行成本方面均低于冷凍干燥。日本科學(xué)家對谷物進行了熱泵干燥試驗研究，發(fā)現(xiàn)熱泵干燥可提高干燥驅(qū)動力，改善產(chǎn)品色澤[4]。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)李遠(yuǎn)志、廣東省農(nóng)機研究所鄭春明等也對熱泵干燥應(yīng)用于脫水蔬菜加工進行研究。研究表明，利用熱泵干燥加工的脫水蔬菜質(zhì)量好，干燥技術(shù)是可行的[5]。目前，一些學(xué)者對不同類型烘房的溫度場問題進行了數(shù)值模擬分析。劉雄文等[6]以某企業(yè)茯茶烘房為研究對象，借助Fluent軟件平臺，采用數(shù)值模擬的方法，引入多孔介質(zhì)模型建立茯茶烘房自然對流流動及傳熱的三維穩(wěn)態(tài)模型，分析了烘房內(nèi)部氣流不均的問題。王以忠等[7]對冷藏車內(nèi)的溫度場和濕度場進行數(shù)值模擬，通過仿真結(jié)果合理優(yōu)化冷藏車的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。洪孝偉等[8]基于Fluent烘房恒溫區(qū)溫度場模擬與優(yōu)化研究，找出了制約烘房溫度均勻性的制約因素。魯飛等[9]通過對辣椒烘干箱內(nèi)空氣的速度場進行模擬，探究了烘干箱結(jié)構(gòu)對烘干辣椒效果的影響，提出辣椒烘干箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的措施。目前，對于糧食和果蔬貯藏，熱泵干燥技術(shù)對于產(chǎn)品處理是一種有效的生產(chǎn)工藝，同時熱泵干燥機組合理設(shè)計問題以及干燥設(shè)備的溫度、濕度的均勻性對農(nóng)產(chǎn)品的干燥品質(zhì)起著重要的約束作用，因此熱泵機組和干燥設(shè)備的設(shè)計越來越受到重視[10-12]。這些研究解決了其針對的具體問題，并不具有一定的普適性，對農(nóng)產(chǎn)品空氣能熱泵烘房溫度場均勻性仍有許多尚待解決的問題。影響烘房內(nèi)部溫度場均勻性的因素除了風(fēng)速場外，烘房結(jié)構(gòu)、烘房內(nèi)部小推車規(guī)格及其擺放形式、烘干托盤等均對其內(nèi)部溫度場有重要影響[13-17]。目前對烘房內(nèi)部溫度均勻性的研究中缺乏溫度場非穩(wěn)態(tài)研究，同時在烘房結(jié)構(gòu)以及烘房裝載條件下溫度場均勻性研究存在很多不完善之處。

本文通過計算機模擬軟件（CFD），對農(nóng)產(chǎn)品空氣能熱泵烘房溫度場進行模擬。分別模擬空載時烘房內(nèi)部的溫度場以及箱體內(nèi)部裝載小推車、烘干托盤等配套工具時的內(nèi)部溫度場，通過分析模擬結(jié)果，提出烘房內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，為今后農(nóng)產(chǎn)品空氣能熱泵烘房的設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 農(nóng)產(chǎn)品空氣能熱泵烘房模型建立與分析

1.1 物理模型

本文選用5HGR-35型農(nóng)產(chǎn)品空氣能熱泵烘房，其熱泵主機功率14.2 kW，額定制熱量52 kW，烘房內(nèi)部尺寸為長×寬×高＝8 100 mm×2 700 mm×2 200 mm，庫體內(nèi)部材料為不銹鋼，外部材料為碳鋼，中間為100 mm厚的聚氨酯保溫材料。箱體內(nèi)部配置有12輛小推車，小車長（X方向）1495mm，寬（Y方向）620 mm，高（Z方向）1 750 mm，每輛小推車有16層擱架，12輛小推車共配有384個烘干托盤。箱體內(nèi)部共有24臺軸流風(fēng)機，每臺風(fēng)機的風(fēng)量為3 000m3/h，全壓230 Pa，轉(zhuǎn)速2 800 r/min，頻率50 Hz，功率0.25 kW。

以農(nóng)產(chǎn)品空氣能熱泵烘房的實際尺寸在UG（Unigraphics NX10.0，Siemens PLM Software） 軟件中進行3D（圖1）建模，對模型主要以四面體網(wǎng)格劃分，在適當(dāng)?shù)奈恢眠M行六面體以及錐形和契型網(wǎng)格劃分。為使結(jié)果準(zhǔn)確，網(wǎng)格步長設(shè)為0.05，同時進行網(wǎng)格數(shù)量與計算結(jié)果無關(guān)性的驗證，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量滿足計算要求可以用于計算。

1.2 數(shù)學(xué)模型

速度場中氣體的流動和傳熱要遵循質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒定律這三個物理規(guī)律，為了更好地模擬農(nóng)產(chǎn)品空氣能熱泵烘房內(nèi)溫度場分布情況，需建立基本流體運動控制方程。低速氣體壓力和溫度在流動過程中變化很小，重力和密度變化也很小，當(dāng)氣體流速V＜50 m/s時均可假設(shè)為不可壓縮流體[14]。本文研究中空氣速度V＜50 m/s，假設(shè)為不可壓縮氣體，定常流，應(yīng)用穩(wěn)態(tài)不可壓縮納維-斯托克斯方程（N-S方程）及k-ε模型作為控制方程。

空氣能熱泵烘房箱體內(nèi)紊流流動和傳熱控制方程如下[5]：

式中：β為空氣密度，kg/m3；V為空氣速度矢量；φ為因變量，φ 分別表示 μ，ν，ω，ε，T，k；μ 為X方向速度，m/s；ν為Y方向速度，m/s；ω 為Z方向速度，m/s；ε 為紊流動能耗散率；T為能量；k為紊流動能；Γφ為對應(yīng)φ的擴散系數(shù)；Sφ為源項。

φ、Γφ、Sφ表達(dá)式見表 1。

表1 控制方程源項Table 1 Source terms of each governing equation

1.3 邊界條件

根據(jù)昆明地區(qū)夏季標(biāo)準(zhǔn)溫度，烘房與外界接觸的溫度定為20℃，烘房初始溫度與環(huán)境溫度相同為20℃，熱泵工作恒溫設(shè)定為65℃，烘房箱體底面設(shè)為絕熱邊界，送風(fēng)口設(shè)置為VELOCITY-INLET，回風(fēng)口為OUTFLOW。

1.4 數(shù)值求解

采用Fluent（ANSYS17.0，美國ANSYS公司）軟件進行數(shù)值求解，選用RNG-k-ε湍流模型，近壁區(qū)的模擬采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，流體運動控制方程采用基于有限體積的離散方法，溫度-速度耦合選用SIMPLEC算法，動量和湍流動能選用一階迎風(fēng)離散格式。

2 烘房溫度場模擬結(jié)果及分析

2.1 烘房空載時溫度場模擬結(jié)果

烘房處于空載環(huán)境下工作，根據(jù)熱風(fēng)干燥物料通風(fēng)速度越快越有利于干燥，通過變頻器調(diào)節(jié)裝置將進風(fēng)口風(fēng)速分別調(diào)節(jié)為8、11、21 m/s，熱泵工作恒溫設(shè)置為65℃，熱泵運行時間分別設(shè)定為5、10、15 min，將溫度場均勻性作為評價指標(biāo)，研究風(fēng)速、時間對溫度場的影響以及烘房不同截面位置溫度場的分布。

2.1.1 風(fēng)速對溫度場的影響

圖2分別表示進風(fēng)口速度為8、11、21 m/s，空氣能熱泵運行5 min時Y=0.7 m的截面溫度云圖。由圖2可知：V=8 m/s時，熱風(fēng)射流短，等溫線密集，溫度梯度變化大，烘房內(nèi)溫差較大，溫度最高處與溫度最低處溫差為12℃左右；V=11 m/s時，整個界面熱風(fēng)溫度更新明顯；V=21 m/s時，整個界面溫度更新最快，溫度場在烘房內(nèi)的分布最均勻，并且烘房內(nèi)部溫差最小，為1～2℃左右。

圖3分別表示進風(fēng)口速度為8、11、21 m/s，空氣能熱泵運行10 min時Y=0.7 m的截面溫度云圖。由圖3可知：V=8 m/s時，熱風(fēng)射流短，烘房內(nèi)溫差依然較大，最大溫差為12℃左右；當(dāng)V=11、21 m/s時，整個界面溫度更新最快，但烘房內(nèi)在多個位置依然存在1℃左右的溫差。

圖4分別表示進風(fēng)口速度為8、11、21 m/s，空氣能熱泵運行15 min時Y=0.7 m的截面溫度云圖。隨著熱泵工作時間的增長，三種風(fēng)速下烘房內(nèi)部的溫差都逐步減小，溫差為1℃左右。

由此可知，送風(fēng)速度會影響烘房內(nèi)溫度變化速率，送風(fēng)速度越大，烘房內(nèi)溫度越容易達(dá)到設(shè)定的工作溫度。時間一定時，風(fēng)速越大，對應(yīng)的風(fēng)機能耗越高，風(fēng)速為21 m/s時，風(fēng)速擾流現(xiàn)象嚴(yán)重，不利于農(nóng)產(chǎn)品烘干。綜合上述模擬結(jié)果，認(rèn)為烘房內(nèi)風(fēng)速設(shè)定為11 m/s更合理。

2.1.2 時間對溫度場的影響

由“2.1.1”部分可知，烘房內(nèi)風(fēng)速設(shè)定為11 m/s更有利于烘房內(nèi)溫度場的均勻性。圖2（B）、圖3（B）、圖 4（B）分別表示風(fēng)速為 11 m/s，熱泵運行 5、10、15 min時烘房在Y=0.7 m的截面溫度云圖。通過對圖3（B）、圖4（B）與圖2（B）比較可知，熱泵烘房工作時間越長，其內(nèi)部溫度場分布改善越明顯，烘房內(nèi)部溫差越小。由圖4（B）可知，風(fēng)速V=11 m/s，熱泵工作15 min時，烘房溫度基本接近設(shè)定溫度（65℃），烘房內(nèi)溫差為1℃。

2.1.3 不同截面位置溫度場的分布

由圖4（B）可知，速度為11 m/s，烘房熱泵運行15 min，烘房內(nèi)溫度場在Z方向和X方向，也就是烘房的高度和長度方向存在溫度場的不均勻性。在密閉空間里冷空氣下沉，熱空氣上浮，所以烘房在Z方向存在溫度場的不均勻，在熱泵的出風(fēng)口與回風(fēng)口速度較烘房的其他位置高，所以溫度較其他位置高。

2.2 烘房裝載時溫度場模擬結(jié)果及分析

2.2.1 烘房裝載小推車時溫度場模擬結(jié)果

烘干小車長（X方向）1495mm，寬（Y方向）620mm，高度（Z方向）1 750 mm，整體用25 mm×25 mm的不銹鋼方管焊接，設(shè)計為16層，層間距為59 mm，每層擱架可放置兩個物料盤。烘干臺車頂部距烘房頂部距離為360 mm，小車底部與烘房地面間隙為220 mm。烘房內(nèi)擺置12輛小推車。

空氣能熱泵烘房現(xiàn)有結(jié)構(gòu)裝載小推車在Y=0.7m，Z=1.2 m處的截面溫度云圖如圖5所示?，F(xiàn)有結(jié)構(gòu)下溫度場分布規(guī)律明顯，烘房內(nèi)部近壁面區(qū)域溫度較高，接近60℃，X方向烘房前后區(qū)域溫度較高，小推車擺放位置溫度相對較低。小推車對室內(nèi)的空氣流造成影響，當(dāng)氣流流動遇到阻礙物時，空氣射流會在阻礙物影響下增強，氣流向室內(nèi)沒有阻礙物的區(qū)域流動趨勢加強，出現(xiàn)室內(nèi)溫度場分布不均勻，最大溫差可達(dá)10℃左右，局部高溫處會造成烘干物料損壞。同時這種溫度分布具有極大的資源浪費性，當(dāng)氣流遇到小推車時，不能很好地從不同烘盤之間的擺放間隙流過，阻礙了氣流與物料間的對流換熱，增長了對物料的烘干時間，即提高了物料干燥成本。

2.2.2 小推車規(guī)格及擺放形式改進后的溫度場模擬結(jié)果

鑒于以上分析結(jié)果，將小推車規(guī)格即擺放形式進行如下改進：①小推車在原有高度上增加300 mm，將小車頂部與烘房頂部之間的空隙控制在50～60 mm[12]；②現(xiàn)有結(jié)構(gòu)下烘房內(nèi)部小推車之間的擺放距離過小，即小推車之間的相互距離僅為10 mm左右，小推車與烘房壁之間間隔僅為5 mm；現(xiàn)改為小推車之間在X方向和Y方向之間的擺放間隙為30 mm左右，小推車與烘房壁之間的間隙為30 mm左右。

圖6為小推車規(guī)格及擺放形式改進后在Y=0.7 m截面處的溫度云圖。由圖6可見，與圖5相比，改進后的烘房在頂部及底部的溫度場更加均勻，避免了在烘房的頂部及底部出現(xiàn)過熱位置，造成對干燥產(chǎn)品品質(zhì)的破壞，改進后烘房溫度過熱位置處于空氣能熱泵的出風(fēng)口及烘房底部局部位置。由此可知，改變烘房內(nèi)部小推車規(guī)格及擺放形式可以有效避免烘房內(nèi)部過熱位置的出現(xiàn)。

2.2.3 烘房頂部設(shè)置擋板的溫度場模擬結(jié)果

在烘房內(nèi)部適當(dāng)?shù)奈恢眉尤霌躏L(fēng)板可以在一定程度上優(yōu)化烘房內(nèi)部溫度場的分布，當(dāng)小推車受烘房空間限制不能改變現(xiàn)有規(guī)格時，可以采用加入擋板來改變速度場在烘房內(nèi)的分布均勻性，達(dá)到溫度場均勻性的目的。基于現(xiàn)有烘房的設(shè)計空間，在烘房的頂部均布設(shè)置3塊長2 900 mm、寬20 mm、高300 mm的擋板[12]。

圖7是烘房頂部設(shè)置擋板后，烘房在Y=0.7m截面處的溫度云圖。由圖7可知，與圖5相比，烘房的頂部、底部的過熱死角范圍減小，整個烘房內(nèi)部的溫度場更加均勻，65℃的高溫出現(xiàn)在空氣能熱泵的出風(fēng)口處，加入擋板可以有效地改善烘房內(nèi)部的溫度場分布。

3 試驗驗證

為了驗證農(nóng)產(chǎn)品空氣能熱泵烘房內(nèi)部溫度場動態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果的正確性，進行了空載試驗驗證。試驗測量截面均勻分布在烘房X方向，截面分別為X=2.1、4.2、6.3 m，每個截面上均勻的布置6個檢測點。圖8為空氣能熱泵烘房截面上各個測點的布置圖。溫度數(shù)據(jù)采集采用艾維泰科IV3000多路溫度數(shù)據(jù)采集器，測量精度為0.1，測量范圍為-200～1 350。選擇的溫度傳感器為T型熱電偶（ETA,GG-T-30-SLE）。農(nóng)產(chǎn)品空氣能熱泵烘房內(nèi)初始溫度為20℃，送風(fēng)速度為11 m/s，熱泵設(shè)定溫度65℃，數(shù)據(jù)采集器每5 s采集一次數(shù)據(jù)，空氣能熱泵烘房熱泵工作時開始采集溫度數(shù)據(jù)。

圖9為農(nóng)產(chǎn)品空氣能熱泵烘房測點2處在非穩(wěn)態(tài)時模擬值與試驗值對比圖。由圖9可知：截面測點2處的溫度，在X=2.1 m處各個時刻模擬值與試驗值平均溫度偏差為1.1℃；在X=4.2 m處各個時刻模擬值與試驗值平均溫度偏差為1.2℃；在X=6.3 m處各個時刻模擬值與試驗值平均溫度偏差為1.5℃。總體而言，模擬值與試驗值差異不大。

4 結(jié)論

通過試驗，得到如下結(jié)論：

（1）空氣能熱泵烘房內(nèi)溫度場與速度場有緊密聯(lián)系，送風(fēng)速度越大，烘房內(nèi)溫度場可以更快地實現(xiàn)均勻，以更短的時間達(dá)到設(shè)定溫度（65℃）；綜合考慮能耗、溫度場與速度場以及農(nóng)產(chǎn)品烘干等要求，5HGR-35型空氣能熱泵烘房內(nèi)合理的送風(fēng)速度為11 m/s左右。

（2）將烘房內(nèi)現(xiàn)有小推車的高度加大300～310mm，可以更好地改善烘房內(nèi)部溫度場；烘房頂部均勻設(shè)置3塊長×寬×高＝2 900 mm×20 mm×300 mm 的擋板，可更好地優(yōu)化烘房內(nèi)部溫度場；小推車在烘房的X、Y方向之間保持30 mm左右間隙擺放，更有利于烘房內(nèi)部溫度場的分布。

（3）模擬數(shù)值與試驗數(shù)值吻合良好，驗證了農(nóng)產(chǎn)品空氣能熱泵烘房非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬的合理性。