蘋果冷藏庫通風模型及冷風機控制策略研究

趙喜梅 南曉紅

西安建筑科技大學建筑設備科學與工程學院

蘋果屬于典型的呼吸躍變型水果，在采后冷藏過程中，呼吸強度會突然上升而后下降直至果實衰老腐敗，形成呼吸高峰[1]。研究表明，該高峰是果實中乙烯含量急劇增多的結果，標志著果實從成熟轉向衰老[2]。因此，可以通過控制貯藏環(huán)境中乙烯濃度，達到推遲呼吸高峰出現的時期提高蘋果貯藏質量的目的。為了解決蘋果貯藏期間乙烯濃度急劇升高進而影響貯藏質量這一問題，通常采取相關措施抑制貯藏環(huán)境中乙烯濃度，如使用1-MCP0、乙烯脫除設備和高錳酸鉀吸收劑等。然而，對于一些農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換氣，利用室外新鮮空氣來稀釋庫內乙烯濃度[4]。本文建立蘋果冷庫通風換氣模型，研究了通風換氣過程中冷風機啟停模式對環(huán)境中乙烯濃度排除效果及溫度穩(wěn)定性的影響。

1 CFD 計算模型

1.1 幾何模型

本文以陜西省扶風縣某230t 冷庫為研究對象，冷庫尺寸為13 m×10 m×7.1 m（長×寬×高），圍護結構為100 mm 厚聚氨酯彩鋼板。冷卻設備采用DD-15.9/80型吊頂式冷風機，其尺寸為1.92 m×0.61 m×0.65 m（長×寬×高），冷風機設有兩個直徑均為0.5 m 的圓形送風口，背面設有回風口。冷風機對面的墻上居中設有排風口，排風口離地面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

為了簡化計算，對空氣區(qū)進行如下假設：空氣的物性參數是常數，為不可壓縮理想氣體，滿足Boussinesq 假設。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流動，傳熱與傳質的情況，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)進行如下假設：蘋果的熱物理性質，如比熱容，熱導率和熱擴散率與溫度無關。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，kg/(m2·s2)；μ 為流體動力粘度，N·s/m2；α 為多孔介質滲透率，m2；υi為i方向上的速度分量，m/s；C2為慣性阻力系數，1/m；ρ 為流體密度，kg/(m3·s)；Dp為多孔介質顆粒的平均直徑，m；ε 為多孔介質的孔隙率。

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熱和對流進行換熱，能量方程源項可表示為[6]：

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

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

式中：為O2的體積分數，%；為CO2的體積分數，%

3）連續(xù)性方程

氣體組分在擴散中遵從質量守恒定律，因此，可用組分輸運模型描述氣體濃度變化：

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

1.3 邊界條件和初始條件

通風模型需要設置的邊界條件有圍護結構、庫門、冷風機和排風口。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，冷風機送風口選擇速度入口，冷風機回風口選擇自由出流，排風口選擇自由出流。

在前期的實驗測量中已獲得乙烯高峰出現的時期為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：在冷庫流場預測方面，國內外學者比較了各種湍流模型的適用性，結果顯示SST κ-ω 模型具有較好的預測性能[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模型，蘋果對應于多孔介質中的固體顆粒，空氣對應于多孔介質中的流體[10]。多孔介質模型通過經驗公式定義多孔介質上的流動阻力，即在動量方程中增加了一個代表動量消耗的源項。

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

2 結果分析

2.1 冷風機啟停對庫內乙烯濃度影響

由文獻[11]可知，蘋果冷藏庫內乙烯濃度應控制在10 μL/L 以下，而在實際蘋果冷庫中，庫內可接受的乙烯濃度可達到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，同時開啟冷風機和庫門，研究冷風機的啟停對冷藏庫內乙烯氣體排除效果及庫內溫度穩(wěn)定性影響。

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

圖2 冷風機啟停對乙烯濃度影響

為了更好的觀察和分析模擬結果，選取代表性截面進一步了解庫內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，乙烯濃度達到貯藏要求時兩種通風模式所需的通風時長不一致。本文針對這兩種通風模式分別選取了適宜的通風時長，即冷風機開啟時通風20 min，以及冷風機關閉時通風60 min，研究庫內乙烯濃度達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）為通風換氣過程中，冷風機開啟通風20 min 后庫內乙烯氣體的空間分布特性。從圖中可以看出，冷風機附近空氣區(qū)乙烯濃度最低，這是因為頂部中間區(qū)域是冷風機作用區(qū)域，氣流速度最大，氣體組分主要靠對流傳質。同時可以看出，高乙烯濃度出現在蘋果區(qū)底部，出現的原因是蘋果區(qū)底部流動空間小，流動阻力大，組分擴散困難。

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

2.2 冷風機啟停對庫內溫度穩(wěn)定性影響

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

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

3 結論

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

1）冷風機開啟與冷風機關閉相比，可將乙烯濃度達到貯藏要求時的通風時長縮短1/3。表明換氣過程中，冷風機的開啟更有利于庫內乙烯氣體的排除。

2）冷風機開啟時，可以滿足蘋果冷藏技術對溫度波動的要求，而冷風機關閉則無法滿足貯藏要求。表明通風換氣過程中，冷風機的開啟更有利于維持庫內溫度穩(wěn)定。