果蔬氣調(diào)庫快速降氧時間的影響因素

周 博， 南曉紅

（西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安710055）

氣調(diào)貯藏是目前最先進(jìn)的果蔬保鮮貯藏方式，它在冷藏的基礎(chǔ)上增加氣體成分調(diào)節(jié)，采用專門的降氧設(shè)備，使庫內(nèi)的氧氣濃度迅速降低至規(guī)定的指標(biāo)，有效抑制果蔬的呼吸作用，達(dá)到盡量延長果蔬貯藏時間的目的。為了使果蔬的貯藏環(huán)境盡快達(dá)到氣調(diào)指標(biāo)，作者對氣調(diào)庫快速降氧時間的影響因素進(jìn)行了研究。

影響氣調(diào)庫降氧時間的因素有：制氮機制氮能力和工作參數(shù)、貯藏果蔬的多少、果蔬的品種以及氣調(diào)庫的氣密性等。由于影響降氧時間的因素較多，而且降氧過程持續(xù)時間長，如果采用實驗研究將會消耗大量的財力、物力以及人力。計算流體力學(xué)（CFD）是基于計算機技術(shù)的一種數(shù)值計算工具，克服了傳統(tǒng)理論分析法在對象簡化和計算求解方面的不足，突破了試驗過程人力物力消耗以及試驗周期長等諸多限制[1]。因此，關(guān)于冷庫內(nèi)氣流組織的研究多采用CFD的方法。目前，國內(nèi)外利用CFD軟件關(guān)于冷庫內(nèi)氣流組織的研究多集中于普通冷庫內(nèi)氣流速度場和溫度場[2-11]，關(guān)于氣調(diào)庫的研究則較少。文獻(xiàn)[12-14]運用CFD軟件對影響氣調(diào)庫內(nèi)氣流組織的多個設(shè)計參數(shù)進(jìn)行數(shù)值分析，為合理設(shè)計氣調(diào)庫內(nèi)的氣流組織和優(yōu)化氣調(diào)庫設(shè)計提供了參考依據(jù)。但是對氣調(diào)庫降氧過程的研究不夠深入，而且研究成果難以推廣到其它氣調(diào)庫。

作者利用CFD軟件建立了通用的氣調(diào)庫內(nèi)氣體組分濃度數(shù)值計算模型，該計算模型適用于求解氣調(diào)庫不同階段的氣體組分濃度分布和變化情況。為了使模型盡量與實際情況相一致，作者通過編譯User-Defined Function（UDF）程序來解決冷風(fēng)機送風(fēng)口邊界的各氣體組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)和蘋果的呼吸強度隨庫內(nèi)氣體組分濃度的變化而改變這兩個問題，并將計算結(jié)果與文獻(xiàn) [15]（其實驗氣調(diào)庫與本研究對象為同一氣調(diào)庫）的實驗結(jié)果進(jìn)行對比。

1 物理模型

主要研究氣調(diào)庫內(nèi)快速降氧過程，這一過程是通過充入高純度的氮氣置換庫內(nèi)氣體使氧氣濃度降至所需要的值來實現(xiàn)的。作者以西安某蘋果氣調(diào)庫為研究對象，氣調(diào)庫模型見圖1。庫體尺寸（長寬高）為8.0 m×4.6 m×6.5 m，貨物堆放方式為一堆，尺寸（長寬高）為6.0 m×3.6 m×5.5 m。該氣調(diào)庫氮氣充注管道和庫內(nèi)氣體出口管道直徑均為0.15 m。

圖1 氣調(diào)庫物理模型Fig.1 Physicalmodel of CA room

2數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 紊流模型的選擇

采用k-ε湍流模型和組分輸運模型，該模型的控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程、能量方程、組分濃度方程、k方程及ε方程。模型控制方程的通用形式如下：

式中，Φ為通用變量，Γ為廣義擴散系數(shù)，S為廣義源項。

2.2 氣體區(qū)數(shù)學(xué)模型的建立

進(jìn)行計算時，對氣調(diào)庫內(nèi)氣體區(qū)作出如下假設(shè)：氣調(diào)庫內(nèi)氣體為牛頓流體；氣體在流動過程中是不可壓縮的；庫內(nèi)氣體不參與輻射；氣體物性參數(shù)為常數(shù)。

k-ε湍流模型求解氣體區(qū)控制方程用到的參數(shù)見表1。的建立

表1 k－ε模型中的參數(shù)Table 1 Coefficients of the k－ε model

2.3 貨物區(qū)數(shù)學(xué)模型的建立

氣調(diào)庫內(nèi)貨物堆放方式與普通冷藏庫不同，通常采用高堆滿放方式，這樣使庫內(nèi)氣體所占容積相對較小，有助于縮短降氧時間。針對貨物的特點，將蘋果視為球形固體顆粒，蘋果間存在間隙，因此將貨物區(qū)視為多孔介質(zhì)處理。

2.3.1 動量方程 由于貨物箱壁的阻礙以及貨物區(qū)多孔結(jié)構(gòu)造成極大的流動阻力，貨物區(qū)中的氣體流動極其微弱，對氣調(diào)庫內(nèi)主流區(qū)的影響可以忽略，因此對貨物區(qū)中氣體流速進(jìn)行修正為u=v=w=0。

2.3.2 能量方程 本文研究的蘋果堆滿足文獻(xiàn)[17]中多孔介質(zhì)的假設(shè)，因此貨物區(qū)的能量傳遞控制方程為：

式中，Γ為熱擴散系數(shù)，S為果蔬呼吸引起的源項，計算公式如下：

式（3）中：

式（3）～（5）中，下標(biāo) g 和 s分別代表氣體、固體；Qr為呼吸熱，W/kg，ξ為多孔介質(zhì)的孔隙率，可以取為 ξ=0.35[16]，λe為貨物區(qū)的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)。Qr數(shù)值是由呼吸強度的大小確定。呼吸強度是指單位質(zhì)量的果蔬在單位時間內(nèi)釋放出的二氧化碳摩爾數(shù)或者吸收的氧氣摩爾數(shù)，用WCO2或WO2表示，單位為mol/(kg·h)。在貯藏過程中，果蔬的呼吸強度是貯藏溫度T、貯藏環(huán)境中氧氣和二氧化碳組分濃度的函數(shù)。在本研究中，蘋果進(jìn)入氣調(diào)庫時已經(jīng)進(jìn)行預(yù)冷處理，溫度為蘋果適宜的貯藏溫度0℃。根據(jù)文獻(xiàn)[18]，經(jīng)過實驗數(shù)據(jù)回歸后得到的蘋果呼吸強度計算公式（當(dāng)時t=0℃）如下：

式中η表示呼吸能量轉(zhuǎn)換成熱量的轉(zhuǎn)換系數(shù)，一般認(rèn)為呼吸能量轉(zhuǎn)換為熱量的部分約為55%[19]。

2.3.3 氣體組分濃度方程 貨物區(qū)的氣體組分濃度方程可以用以下控制方程描述：

根據(jù)果蔬有氧呼吸原理，則呼吸作用產(chǎn)生的呼吸熱為：

式中Γ為多孔介質(zhì)中的質(zhì)量擴散系數(shù)，S為果蔬的呼吸作用所引起的源項。

果蔬呼吸作用消耗氧氣產(chǎn)生二氧化碳，這樣就導(dǎo)致了氧氣組分濃度方程和二氧化碳組分濃度方程源項的產(chǎn)生。根據(jù)文獻(xiàn)[18]，蘋果在健康呼吸條件下，吸收的氧氣摩爾數(shù)和釋放的二氧化碳摩爾數(shù)比值是十分接近于1的。因此，根據(jù)式子（6）確定氧氣組分濃度方程的源項SO2：

式子（9）中，ρS為蘋果密度，取 790 kg/m3；WO2為氧氣的摩爾質(zhì)量，為0.032 kg/mol，MO2為二氧化碳的摩爾質(zhì)量，為 0.044 kg/mol。

2.4 邊界條件的設(shè)定

將冷風(fēng)機送風(fēng)口和氮氣進(jìn)口均設(shè)置為速度入口，參數(shù)設(shè)置根據(jù)冷風(fēng)機型號和制氮機型號以及氮氣管徑確定，出口邊界均設(shè)置為 outflow。壁面采用無滑移邊界，溫度按第三類邊界條件處理，各氣體組分在壁面無通量。

2.5 UDF程序功能

編譯的UDF程序主要包含兩個方面：一是冷風(fēng)機送風(fēng)口邊界的各氣體組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)賦值，二是貨物區(qū)的氧氣、二氧化碳組分方程的源項以及能量方程的源項。

冷風(fēng)機送風(fēng)口邊界賦值UDF程序的功能為：每次計算時將冷風(fēng)機回風(fēng)口邊界各組分的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)計算后賦值給冷風(fēng)機送風(fēng)口邊界。這種處理方法是因為：充氮降氧階段氣調(diào)庫內(nèi)的氧氣、二氧化碳和氮氣組分的體積分?jǐn)?shù)是時刻變化的，而庫內(nèi)氣體通過冷風(fēng)機進(jìn)行強制對流時，經(jīng)過冷風(fēng)機的各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)并不會改變，因此該UDF程序的處理方法符合冷風(fēng)機處真實的傳質(zhì)情況。該UDF程序為循環(huán)流動問題中入口邊界條件的確定提供了一種解決方法。

貨物區(qū)的源項UDF程序主要是描述蘋果呼吸強度的變化引起的貨物區(qū)氣體組分濃度方程和能量方程源項的變化。充氮降氧階段庫內(nèi)的O2和CO2體積分?jǐn)?shù)是時刻變化的，而蘋果的呼吸強度隨著周圍環(huán)境中O2和CO2體積分?jǐn)?shù)變化而改變，這樣就導(dǎo)致了蘋果吸收的O2量、釋放的CO2量以及產(chǎn)生的呼吸熱都在時刻變化。根據(jù)文獻(xiàn)[18]的蘋果呼吸強度擬合公式編寫的貨物區(qū)源項UDF程序可以真實的描述蘋果在氣體調(diào)節(jié)過程中的生理活動對周圍環(huán)境的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 充氮降氧過程氧氣體積分?jǐn)?shù)計算值與實驗值對比

蘋果的最佳氣調(diào)貯藏參數(shù)為O2體積分?jǐn)?shù)3%，而文獻(xiàn)[20]指出庫內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)降至比規(guī)定值高出2～3個百分點時，即可停止降氧。作者對一實際氣調(diào)庫的降氧過程進(jìn)行了數(shù)值計算，其制氮機工作參數(shù)是制氮量為30 m3/h，氮氣純度為95%。庫內(nèi)氣體組分測點坐標(biāo)為X=3.2 m，Y=0.4 m，Z=5.0 m，為了進(jìn)行對比，在計算過程中在貨物區(qū)中心位置設(shè)置測點坐標(biāo)為X=2.3 m，Y=4.5 m，Z=2.85 m。為了驗證氣調(diào)庫內(nèi)氣體流動與傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型及數(shù)值計算結(jié)果的正確性和可靠性，作者以相關(guān)文獻(xiàn)[15]的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，得到了充氮降氧階段庫內(nèi)氣體組分濃度測點處的氧組分濃度計算值與實驗值的對比，結(jié)果見圖2。計算值與實驗值的相對偏差最大值為0.068，最小值為0.005 6，平均值為0.027，數(shù)值計算結(jié)果與實驗值有較好的一致性。

3.2 充氮降氧過程結(jié)束時O2體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律

圖3為充氮降氧階段結(jié)束后，x=2.3 m截面O2體積分?jǐn)?shù)場分布。圖中可以看出氣體區(qū)的O2的組分由于風(fēng)機的強制對流作用使其分布比較均勻，貨物區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)分布則呈現(xiàn)出明顯的梯度，這是由于貨物區(qū)的O2體積分?jǐn)?shù)變化主要是由于擴散作用，根據(jù)文獻(xiàn)[21]高體積分?jǐn)?shù)側(cè)與低體積分?jǐn)?shù)側(cè)的組分在空間上的分布是均勻遞減的，從而導(dǎo)致了這種體積分?jǐn)?shù)分層現(xiàn)象。

圖2 氣調(diào)庫內(nèi)測點處氧氣體積分?jǐn)?shù)變化計算值與實驗值的對比Fig.2 Comparison of simulated values and experimental values of oxygen specie concentration at measuring point

圖3 x=2.3 m截面O2組分濃度分布Fig.3 Distribution of O2specie concentration at the plane of x=2.3 m

通過上述分析可知：果蔬氣調(diào)庫內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)受制氮機工作參數(shù)和果蔬呼吸作用的綜合影響，并且?guī)靸?nèi)氧氣分布并不均勻，因此難以通過簡單的數(shù)學(xué)計算獲得準(zhǔn)確的降氧時間，運用CFD軟件建立三維數(shù)值計算模型進(jìn)行求解是必要且可行的。

3.3 氮氣純度對降氧時間的影響

由于降低庫內(nèi)氧氣濃度是通過向庫內(nèi)充入高純度氮氣實現(xiàn)的，那么氮氣純度就會影響降氧速度。

對于任何已經(jīng)選定型號的制氮機或制氮系統(tǒng)，其流量和純度是呈反比的，即提高氮氣純度則氮氣流量會下降。本研究中制氮機工作參數(shù)見表2。

表2 制氮機工作參數(shù)Table 2 Nitrogen machine operating parameters

圖4為不同氮氣純度下得到的氣體區(qū)測點位置的降氧曲線?？梢钥闯觯煌牡獨饧兌葘?yīng)著最快的降氧區(qū)間，當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)從21%降至8.8%之間任意一點時，95%純度的氮氣所需時間最短；而降至8.8%～6%之間任意一點時，96%純度的氮氣所需時間最短；而降至6%～4.4%之間任意一點時，97%純度的氮氣所需時間最短；而降至4.4%～2.9%之間任意一點時，98%純度的氮氣所需時間最短；而降至2.9%～1%之間任意一點時，99%純度的氮氣所需時間最短。

圖4 不同氮氣純度充注情況的O2體積分?jǐn)?shù)變化Fig.4 Changing value of O2concentration of different purity nitrogen filled cases

3.4 不同種類果蔬對降氧時間的影響

不同種類或品種的果蔬呼吸強度相差很大，呼吸強度影響著果蔬的生理變化，同樣也影響著貯藏環(huán)境的變化。作者在已有的果蔬呼吸強度相關(guān)研究基礎(chǔ)上，選擇了與蘋果貯藏指標(biāo)接近但呼吸強度卻相差較大的黃桃作為對比，研究了蘋果和黃桃的呼吸作用對充氮降氧過程中降氧時間的影響，其中黃桃呼吸速率擬合公式由文獻(xiàn)[16]得到。

圖5為貯藏貨物分別為黃桃和蘋果時，庫內(nèi)氣體區(qū)測點位置的氧氣濃度變化對比。貨物堆體積相同，采用純度為96%、流量為26 m3/h的氮氣充入。

根據(jù)相關(guān)研究的成果分別計算蘋果和黃桃的呼吸速率，得到溫度為0℃時，處于空氣中黃桃的呼吸速率為 11.8 mL/（kg·h）， 蘋果為 1.77 mL/（kg·h），3%氧氣、3%二氧化碳的氣體條件下黃桃的呼吸速率 6.4 mL/（kg·h），蘋果為 0.65 mL/（kg·h）。 根據(jù)計算結(jié)果可以看出，黃桃在同樣貯藏條件下呼吸速率是遠(yuǎn)大于蘋果的。從圖4可以看出，在同樣的氮氣純度和流量下，由于黃桃的呼吸強度比蘋果大，降氧時間有明顯縮短，蘋果需要15 h，黃桃只需要11.5 h。由于呼吸強度大的果蔬氧氣消耗速度和二氧化碳生成速度都較快，因此制氮設(shè)備和二氧化碳洗滌裝置進(jìn)行選型時，應(yīng)該根據(jù)果蔬呼吸強度的大小匹配合適的型號。

圖5 同樣條件下黃桃和蘋果的降氧時間對比Fig.5 Comparison of the reducing oxygen time of peaches and apples under the same conditions

4 結(jié)語

作者以西安某蘋果氣調(diào)庫為研究對象，建立了氣調(diào)庫內(nèi)氣體流動、傳熱與傳質(zhì)的三維耦合數(shù)學(xué)求解模型，對氣調(diào)庫的快速降氧過程進(jìn)行了數(shù)值計算，并對數(shù)學(xué)模型及數(shù)值計算結(jié)果的正確性、可靠性進(jìn)行了驗證。經(jīng)過驗證，本研究得到的數(shù)值計算結(jié)果與實驗值有較好的一致性，因此建立的數(shù)學(xué)模型可以較真實地反映氣調(diào)庫內(nèi)氧氣組分濃度的變化情況。

不同的氮氣純度對應(yīng)著不同的最快降氧區(qū)間，對于蘋果氣調(diào)而言，制氮機的制氮純度為96%時可以在最短時間內(nèi)把氧氣體積分?jǐn)?shù)降至6%，不僅可以使果蔬快速進(jìn)入氣調(diào)效果，還可以節(jié)約降氧動力的消耗。呼吸強度差別較大的果蔬降氧時間有明顯差異，根據(jù)果蔬呼吸強度的大小匹配合適型號的制氮設(shè)備和二氧化碳洗滌裝置不僅可以使果蔬達(dá)到更好的貯藏效果，還可以使設(shè)備投資更加合理。本研究對于獲取實際氣調(diào)庫降氧時間及選擇合理的制氮機、改進(jìn)氣調(diào)工藝具有重要參考價值。

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