種子庫蒸發(fā)器冷卻除濕過程的數(shù)值模擬

甄 仌，孫惠蕾，張 雪，蘇格毅，楊紅艷，許瑩瑩

(哈爾濱商業(yè)大學 能源與建筑工程學院，哈爾濱 150028)

為了保證種子的發(fā)芽率，在保證一定庫溫的條件下種子庫需要保證較低的相對濕度[1].常用的除濕方法包括通風除濕、升溫除濕、冷卻除濕、吸收除濕、吸附除濕、壓縮空氣除濕等[2].

杜式秋[3]通過機械制冷的方法，采用制冷壓縮機作為主要降溫機械，根據(jù)季節(jié)變化通過人工調(diào)節(jié)使庫內(nèi)溫度保持在8～15 ℃，濕度保持在45%～60%，可較好地保持種子質(zhì)量.李小彬[4]以協(xié)優(yōu)3550、特優(yōu)63種子為例，通過對比低溫低濕和正常情況下經(jīng)兩年儲藏后的含水量與發(fā)芽率數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)低溫低濕儲藏后的種子活力得以保持.施燦璨[5]將五優(yōu)糧4號分別儲藏在常溫倉(18.3±4.8)℃和自然冷資源低溫儲藏倉(9.8±0.7)℃中，通過比較儲藏后的稻谷含水率、稻谷貯藏品質(zhì)以及稻谷加工品質(zhì)，研究認為自然冷資源低溫儲藏倉的低溫環(huán)境更有利于儲藏稻谷.Afzal[6]分別在正常環(huán)境下和低氧低濕的環(huán)境下儲存玉米種子，通過比較種子的水分含量、發(fā)芽率以及黃曲霉素污染率，研究認為適合種子的儲藏環(huán)境為低氧低濕.Su[7]提出一種兩級液體除濕系統(tǒng)，實現(xiàn)了低溫熱的串級利用.仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的電力驅(qū)動冷卻除濕系統(tǒng)相比節(jié)電率達到96.17%.段潔利[8]利用COMSOL模擬了庫內(nèi)相對濕度為95%，35%以及50%時含水率的狀態(tài)，結(jié)果顯示：環(huán)境相對濕度越大包,圍在種子周圍的水汽越大，與種子內(nèi)低水分含量的種子形成一定的水勢差，導致種子含水量的升高；相對濕度過低抽濕的能耗會越高，綜合考慮50%的相對濕度環(huán)境綜合效果較好.

Carvalho[9]分析了溫度和相對濕度對密閉儲藏(4個月和7個月)大米品質(zhì)的影響，儲存環(huán)境溫度為14、17、24 ℃，相對濕度為67%，75%和85%.研究表明水稻水分隨相對濕度的增加而增加，在較低溫度和較低相對濕度的密閉空間儲存水稻可以保持大米的黏彈性功能.Gawrysiak-Witulska[10]等在實驗條件下模擬工業(yè)植物的真實生態(tài)系統(tǒng)，評價溫度、濕度和靜壓對油菜種子在貯藏過程中降解植物甾醇的影響.研究表明，溫度越高植物甾醇的損失越大，種子水分增加對貯藏過程中甾醇含量影響較大；在低濕條件下油菜種子含水率低，溫度的變化對種子內(nèi)甾醇影響不大.

目前在種子庫實際工程中，比較常用的方法是利用庫內(nèi)的蒸發(fā)器進行冷卻除濕.但在目前的研究工作中，對冷卻除濕過程中種子庫內(nèi)溫、濕度場的定量變化研究較少.本文將模擬種子庫儲存過程中的濕度分布變化以及溫度分布變化，討論蒸發(fā)器出風口溫度為多少更適合儲存種子，并通過模擬的結(jié)果討論僅依靠蒸發(fā)器冷卻除濕的方法能否將冷庫的環(huán)境達到種子貯藏的適宜環(huán)境.

1 種子庫的濕度模擬

1.1 物理模型

冷庫內(nèi)蒸發(fā)器(冷風機)在制冷時，表面溫度低于庫房內(nèi)水蒸氣的露點溫度，使水蒸氣凝結(jié)于蒸發(fā)器表面，以凝結(jié)水的形式流走，從而達到給冷庫除濕的目的，這種除濕方法也叫做冷卻除濕.

以學院樓一樓冷庫為模型，尺寸為8 m×5 m×3 m(長×寬×高)，冷庫內(nèi)設置兩部冷風機，兩臺冷風機尺寸為2.5 m×0.4 m×0.8 m(長×寬×高)，種子堆放居中4 m×2.5 m×1 m，尺寸為具體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 冷庫模型

1.2 數(shù)學模型

首先對模型進行簡化：

1)將冷庫簡化為一個立方體，不考慮冷庫內(nèi)擱架等設施；

2)種子堆為多孔介質(zhì)，但由于在此不研究種子堆內(nèi)部的水分遷移以及溫度變化等，故在設置模型時將種子堆刨去只考慮空氣部分的溫度濕度分布；

3)庫內(nèi)空氣為不可壓縮氣體且符合Boussinesq假設.

冷卻除濕過程采用組分輸運模型，k-ε湍流模型，而連續(xù)性方程，能量方程，動量方程的通用方程為[9]

(1)

其中：φ為通用變量，Г為對應φ廣義擴散系數(shù)，S為廣義源項.在各個方程里的表達如表1所示.

表1 各控制方程內(nèi)的參數(shù)

k-ε模型中采用的經(jīng)驗常數(shù)如表2.

表2 k-ε模型中的參數(shù)設置

1.3 設置求解條件

1)庫房內(nèi)溫度.有研究表明，低溫環(huán)境可以有利于種子長期貯藏并保持它的生命力，但是如果貯藏溫度過低的話，會增加運行設備的費用，還要保證圍護結(jié)構(gòu)的保溫效果；若是貯藏溫度過高，種子容易發(fā)芽腐爛.有研究表明，當貯藏環(huán)境的溫度低于15 ℃時[10]，種子的呼吸作用非常微弱，各種微生物的生命活動基本停止，所以在此確定庫房內(nèi)的溫度為15 ℃為符合要求.冷庫內(nèi)的初始溫度設置為20 ℃，初始相對濕度為90%，討論冷卻除濕的降溫過程.

2)庫房內(nèi)初始相對濕度為90%.20 ℃時含飽和水蒸氣量為0.018 5 kg/m3，可得到相對濕度為90%時的水蒸氣，并且根據(jù)狀態(tài)方程PV=nRT推導得出20 ℃時的水蒸氣密度為0.75 kg/m3，可以得到水蒸氣的體積分數(shù)為0.022(以下推導相對濕度方法與此一致).

3)冷風機風速為6 m/s.

4)冷風機出風口[11-12].冷風機的出風口溫度分別取5、10、15 ℃，討論在不同蒸發(fā)器出風口溫度下冷庫內(nèi)的降溫情況.

5)種子堆散濕面設置為質(zhì)量流量入口，根據(jù)各個文獻中的實驗數(shù)據(jù)計算得到該面的質(zhì)量流量為1.2×10-4kg/s.

6)水蒸氣入口溫度.根據(jù)安全水分糧食準低溫貯藏，糧食溫度在25 ℃以內(nèi)，所以糧食的入庫溫度，即水蒸氣的溫度25 ℃.

1.4 仿真求解

為了可以更好的觀察整個庫房內(nèi)的相對濕度分布，在此取兩個平面進行觀察，分別是x=4 m和y=2.5 m的位置，即可以觀察到冷風機和種子堆的截面，另取y=2.5 m截面中的兩條線，分別為可以觀察到冷風機和種子堆截面.

在蒸發(fā)器溫度為5 ℃，初始相對濕度為90%的環(huán)境下，冷風機的風速為6 m/s的情況下，運行一段時間后，溫度分布如圖2、3.

圖2 5 ℃下y=2.5 m平面的溫度分布

圖3 5 ℃下x=4 m平面的溫度分布

從圖2、3可知，當蒸發(fā)器進口溫度為5 ℃時，壓縮機運行200 s后，冷庫內(nèi)種子堆附近的溫度可以達到13～14 ℃，符合種子儲存的要求.

圖4、5為同樣運行條件下的水蒸氣摩爾分數(shù)分布云圖.

圖4 5 ℃下y=2.5 m平面的水蒸氣摩爾分數(shù)分布

圖5 5 ℃下x=4 m平面的水蒸氣摩爾分數(shù)分布

可以看到水蒸氣摩爾分數(shù)分布和溫度的分布相似，溫度對水蒸氣的分布影響較大，溫度低于水蒸氣的露點溫度，水蒸氣會凝結(jié)，所以會出現(xiàn)溫度低的地方水蒸氣的摩爾分數(shù)也低的情況.

對于氣體來說，摩爾分數(shù)等于體積分數(shù)，由于不能從摩爾分數(shù)的云圖很直觀的表示出相對濕度的分布，采用與設置求解條件中相同的方法由摩爾分數(shù)求回相對濕度，此處通過風機截面和種子堆截面的相對濕度分布來討論，可得到相對濕度的分布如圖6、7.

圖6 5 ℃下風機截面的相對濕度分布

可以看出，靠近了冷風機方向的相對濕度低，遠離冷風機的方向相對濕度高，這就實現(xiàn)了冷卻除濕的過程，但由于種子的持續(xù)散濕導致種子附近的相對濕度相對較高，種子附近濕度最高為51.4%，也在種子儲存的適宜濕度范圍內(nèi)，達到了濕度的要求.

圖7 5 ℃下種子截面的相對濕度分布

在蒸發(fā)器溫度為10 ℃，初始相對濕度為90%的環(huán)境下，冷風機的風速為6 m/s，運行200 s的情況下，溫度分布如圖8.

從圖8、9兩個溫度圖可以得知，當蒸發(fā)器進口溫度為10 ℃時，壓縮機運行200 s后，冷庫內(nèi)種子堆附近的溫度可以達到14～15 ℃，符合種子儲存的要求.

圖8 10 ℃下y=2.5 m平面的溫度分布

圖10、11為同樣運行條件下的水蒸氣摩爾分數(shù)分布云圖.

圖9 10℃下x=4 m平面的溫度分布

圖10 10 ℃下y=2.5 m平面的水蒸氣摩爾分數(shù)分布

以下為與5 ℃工況下的計算方法一致，得到的蒸發(fā)器出口溫度為10 ℃時兩個截面處的相對濕度分布.

圖11 10 ℃下x=4 m平面的水蒸氣摩爾分數(shù)分布

圖12 10 ℃下風機截面的相對濕度分布

圖13 10 ℃下種子截面的相對濕度分布

根據(jù)圖12、13中相對濕度分布可以得到，10 ℃工況下結(jié)果和5 ℃工況的結(jié)果相似.靠近了冷風機方向的相對濕度低，遠離冷風機的方向相對濕度高，并且種子附近濕度最高為49.2%也是在種子儲存的適宜濕度范圍內(nèi)，也達到了濕度的要求.

在蒸發(fā)器溫度為15 ℃，初始相對濕度為90%的環(huán)境下，冷風機的風速為6 m/s，運行200 s的情況下，溫度分布如圖14、15.

圖14 15 ℃下y=2.5m平面的溫度分布

圖15 15 ℃下x=4 m平面的溫度分布

從圖14、15可知，當蒸發(fā)器進口溫度為15 ℃，壓縮機運行200 s后，冷庫內(nèi)種子堆附近的溫度可以達到17～18 ℃，此溫度相對較高，故此工況不適合儲存種子.

圖16、17為同樣運行條件下的水蒸氣摩爾分數(shù)分布云圖.

圖16 15 ℃下y=2.5 m平面的水蒸氣摩爾分數(shù)分布

圖18、19為與15 ℃工況下風機截面和種子堆截面的相對濕度分布.

圖17 15 ℃下x=4 m平面的水蒸氣摩爾分數(shù)分布

圖18 15 ℃下風機截面的相對濕度分布

如圖，靠近了冷風機方向的相對濕度低，遠離冷風機的方向相對濕度高，并且種子附近濕度最高為46%，也在種子儲存的適宜濕度范圍內(nèi)，達到了濕度的要求.

圖19 15 ℃下種子截面的相對濕度分布

1.5 結(jié)果討論

1)通過對比每種工況下的溫度和水蒸氣的摩爾分數(shù)得知，水分的分布和溫度的分布密切相關(guān)，溫度低的位置水蒸氣也少，驗證了冷卻除濕的原理.

2)同為壓縮機運行200 s，蒸發(fā)器溫度為5 ℃時，冷庫內(nèi)的溫度降到13～14 ℃；蒸發(fā)器溫度為10 ℃時，冷庫內(nèi)的溫度降到14～15 ℃；蒸發(fā)器溫度為15 ℃時，冷庫內(nèi)的溫度降到17～18 ℃，根據(jù)降溫時間以及最后達到的溫度，蒸發(fā)器溫度為5 ℃時更適合種子的儲藏.

3)蒸發(fā)器溫度為5 ℃時，庫內(nèi)的相對濕度最高為51.4%；溫度為10 ℃時，庫內(nèi)的相對濕度最高為49.2%；溫度為15 ℃時，庫內(nèi)的相對濕度最高為46%，濕度都是符合種子的儲藏.此外不論是哪種工況，靠近冷風機的濕度低，遠離風機的方向濕度高，并且伴隨著種子散濕，種子附近的相對濕度也較高，出現(xiàn)了冷庫內(nèi)相對濕度分布不均勻的情況.

綜上所述，從冷庫內(nèi)溫度和相對濕度的分布綜合考慮，5 ℃更適合儲存種子.但如果只采用冷卻除濕方法來進行除濕的話，冷庫內(nèi)的相對濕度分布不均勻，故應該加入其他輔助除濕方式.

2 濕度分布對比分析

圖20是張馨予[15]在15 ℃的環(huán)境溫度下，送風速度為7 m/s的條件下模擬的相對濕度的云圖.可以看到，在溫度低、速度快的進風口一側(cè)(進風口在圖20的右側(cè))的相對濕度較低，而在散濕的位置相對濕度較大，與圖18中的模擬結(jié)果類似.

圖20 其他文獻中模擬結(jié)果

3 結(jié) 論

本文主要模擬在庫內(nèi)相對濕度為90%，溫度為20 ℃的初始狀態(tài)下蒸發(fā)器冷卻除濕的過程，通過改變蒸發(fā)器出口溫度為5、10、15 ℃，模擬蒸發(fā)器冷卻除濕過程的溫度及濕度分布情況，對三種工況下的結(jié)果進行討論，分析適合儲藏種子的工況.

1)蒸發(fā)器出風口溫度為5 ℃時，冷庫內(nèi)的溫度為13～14 ℃，溫度為10 ℃時，溫度為14～15 ℃，溫度為15 ℃時，溫度為17～18 ℃，每種工況都是靠近冷風機側(cè)(云圖中左側(cè))溫度低，種子附近的溫度高.

2)蒸發(fā)器出風口溫度為5 ℃時，冷庫內(nèi)的相對濕度為15%～51.4%，溫度為10 ℃時，相對濕度為11%～49.2%，溫度為15 ℃時，相對濕度為8.6%～46%，相對濕度的分布與溫度分布相似，靠近冷風機側(cè)低，遠離冷風機且靠近種子側(cè)的高，并且可見在種子堆遠離冷風機的角落出現(xiàn)死角，此處的溫度和相對濕度最高.

分析以上在不同蒸發(fā)器出風口溫度下的模擬結(jié)果，5 ℃時可將溫度降得更低一些，且溫度是適合種子儲藏的溫度；蒸發(fā)器出口溫度為5、10、15 ℃下的冷藏庫內(nèi)的相對濕度雖都已達到種子儲存的濕度，但10 ℃和15 ℃情況下最低的相對濕度過低，不利于種子的儲藏.所以結(jié)論為:5 ℃更適合種子的儲存.此外不論哪種工況，相對濕度的分布都不均勻. 所以，為了讓冷庫內(nèi)的相對濕度更加均勻，應該除冷卻除濕外加入其他輔助除濕方式.