冷藏庫(kù)分批進(jìn)貨過程中溫度分布特性研究

安偉華 南曉紅 洪妮

西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院

0 引言

蘋果其成熟時(shí)間固定，貯藏的過程中極易腐爛，長(zhǎng)期以來人們一直在對(duì)如何使蘋果保持更長(zhǎng)時(shí)間的鮮嫩而努力[1]。果蔬貯藏中，溫度的影響最為重要[2]。近年來，CFD被應(yīng)用到冷庫(kù)流場(chǎng)的研究中[3-5]，極大縮短了研究周期，應(yīng)用前景廣闊。馮坤旋[6]研究了果蔬進(jìn)貨溫度、貨物間距的影響因素。

現(xiàn)有的研究主要集中在貨物滿庫(kù)狀態(tài)下庫(kù)內(nèi)溫度場(chǎng)及影響溫度場(chǎng)的因素，對(duì)分批進(jìn)貨過程中庫(kù)內(nèi)溫度場(chǎng)的變化卻鮮有研究。本文以西安某冷庫(kù)為模型，采用CFD技術(shù)對(duì)進(jìn)貨過程進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，分析不同批次貨物降溫時(shí)間，為蘋果冷庫(kù)的實(shí)際運(yùn)行管理提供科學(xué)、合理的理論指導(dǎo)，減少蘋果采后貯藏?fù)p失。

1 數(shù)學(xué)計(jì)算模型

本文研究的冷庫(kù)容量為50 t，凈尺寸為長(zhǎng)×寬×高=8 m×4.6 m×6.5 m，隔熱層采用120mm的聚苯乙烯泡沫塑料。吊頂式冷風(fēng)機(jī)尺寸為長(zhǎng)×寬 ×高 =2.2 m×0.5 m×0.5 m，風(fēng) 機(jī)距離兩側(cè)墻面均為 1.2 m，回 風(fēng)口在風(fēng)機(jī)背面。庫(kù)內(nèi)存放北方紅玉蘋果，采 用木箱存放，木 箱尺寸為長(zhǎng)×寬 ×高 =1 m×1 m×0.8 m。貨 物堆距兩側(cè)墻面的距離為0.3 m，距 外壁面距離為0.3 m，距 地面距離為0.2 m,貨物堆之間距離為0.2 m。在實(shí)際分批進(jìn)貨過程中，每 次進(jìn)貨量為3×4=12箱，研 究前四次進(jìn)貨過程的冷藏庫(kù)溫度分布規(guī)律。

圖1 冷庫(kù)物理模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 氣體區(qū)數(shù)學(xué)模型

本冷庫(kù)屬于有限空間強(qiáng)制對(duì)流，流場(chǎng) Re 約為106，處于紊流狀態(tài)，在近壁區(qū)域，由于雷諾數(shù)較低，分子粘性影響較大，采用壁面函數(shù)法進(jìn)行處理。根據(jù)氣調(diào)庫(kù)實(shí)際情況，建立庫(kù)內(nèi)氣體區(qū)物理模型如下：

1）氣體物性參數(shù)為常數(shù)。

2）氣體在流動(dòng)過程中不可壓縮的。

3）氣調(diào)庫(kù)內(nèi)氣體為牛頓流體。

4）忽略由維護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性而引起的熱損失。

根據(jù)選用的湍流模型以及相關(guān)假設(shè)，對(duì)以上描述的方程進(jìn)行簡(jiǎn)化后得到的通用方程如下：

式中：φ，Γφ，Sφ分別是通用變量，廣義擴(kuò)散系數(shù)和廣義源項(xiàng)。對(duì)應(yīng)于不同的通用變量，式中各項(xiàng)參數(shù)具體表達(dá)式可參見文獻(xiàn)[7-8]。k-ε模型中經(jīng)驗(yàn)常數(shù)采用經(jīng)典推薦值如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)模型中的參數(shù)

注：Cμ、C1ε、C2ε為試驗(yàn)測(cè)得的模型常量，σk、σε分別為k方程及ε方程中普朗特?cái)?shù)，σT為紊流普朗特?cái)?shù)，σc為紊流施密特?cái)?shù)。

1.2.2 貨物區(qū)數(shù)學(xué)模型

冷庫(kù)中選用木箱方式擺放，貨物區(qū)視為多孔介質(zhì)，蘋果視為固體顆粒，間隙中的氣體對(duì)應(yīng)于多孔介質(zhì)中的流體。蘋果阻礙氣體流動(dòng)，因此需要計(jì)算貨物區(qū)阻力，即設(shè)置慣性損失系數(shù)C2和滲透率1/α：

式中：Dp指粒子的平均直徑，本文研究中為蘋果的直徑；ε指孔隙率。

1.3 邊界條件

結(jié)合所研究的對(duì)象，將該冷藏庫(kù)四周圍護(hù)結(jié)構(gòu)及屋頂按第三類邊界條件處理，即給定溫度和對(duì)流換熱系數(shù)，忽略冷風(fēng)機(jī)的散熱量，冷風(fēng)機(jī)整個(gè)外表面按絕熱進(jìn)行處理。冷風(fēng)機(jī)送風(fēng)口為速度入口velocity-inlet，回風(fēng)口為outflow。

1.4 初始條件和計(jì)算方法

在長(zhǎng)達(dá)十多天的進(jìn)貨過程中，忽略人員和設(shè)備對(duì)貨物的影響，本文主要考慮降溫過程中，新進(jìn)貨物對(duì)貯藏庫(kù)內(nèi)原有貨物溫度的影響。本文采用速度與壓力耦合計(jì)算的SIMPLE算法，先求解第一堆貨物進(jìn)貨后非穩(wěn)態(tài)求解，步長(zhǎng)設(shè)為5 s。當(dāng)庫(kù)內(nèi)平均溫度降到0℃以下時(shí)，可以入庫(kù)第二批貨物，其設(shè)置參數(shù)與第一批相同。當(dāng)?shù)诙浳锶霂?kù)后，庫(kù)內(nèi)平均溫度降到0℃以下時(shí)，可以入庫(kù)第三批貨物，其設(shè)置參數(shù)與第一批相同。當(dāng)?shù)谌浳锶霂?kù)后，庫(kù)內(nèi)平均溫度降到0℃以下時(shí)，可以入庫(kù)第四批貨物，其設(shè)置參數(shù)與第一批相同。

表2 模型參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模型模擬的正確性，對(duì) 1號(hào)庫(kù)分批進(jìn)貨中冷庫(kù)測(cè)點(diǎn)位置的溫度變化進(jìn)行了試驗(yàn)。采用的試驗(yàn)儀器為KVVW-8溫度柜和PT100溫度傳感器。溫度柜顯示精度為±0.1%℃，溫度傳感器的測(cè)溫范圍為-40.0～+85.0%℃，測(cè)溫精度為±0.1%℃。測(cè)點(diǎn)在 1號(hào)庫(kù)內(nèi)X=0.3 m，Y=2.3 m，Z=6.2 m位置處。對(duì)于第三批貨物進(jìn)入后12 h內(nèi)測(cè)點(diǎn)位置處的溫度變化則每隔1 h記錄一次。

圖2為測(cè)點(diǎn)處庫(kù)內(nèi)溫度實(shí)測(cè)值和模擬值隨時(shí)間變化曲線圖。由圖可以看出，第三批貨物進(jìn)庫(kù)之后，測(cè)點(diǎn)位置的溫度先迅速上升，然后又逐漸下降，模擬值和實(shí)測(cè)值隨時(shí)間變化的趨勢(shì)基本一致。在實(shí)驗(yàn)過程中人員進(jìn)出及裝載貨物可能造成某些時(shí)刻溫度上下波動(dòng)，與模擬值存在偏差。試驗(yàn)與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合，說明所建立的數(shù)值計(jì)算模型是正確的，可以比較準(zhǔn)確的描述冷庫(kù)內(nèi)溫度變化情況。

圖2 冷藏庫(kù)內(nèi)測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化

3 結(jié)果與分析

3.1 貨物降溫時(shí)間

圖3為進(jìn)貨過程中貨物溫度隨時(shí)間變化曲線，由圖可以看出隨著貨物量的增加其降溫所用時(shí)間也逐漸增加，其降溫所用時(shí)間分別為 9 h，13 h，16 h，19 h，這是由于隨著貨物的增加，內(nèi)部散熱源逐漸增加，冷風(fēng)機(jī)需要帶走的熱量變?yōu)樾逻M(jìn)貨物的田間熱和貯藏庫(kù)內(nèi)全部蘋果的呼吸熱。

圖3 冷藏庫(kù)內(nèi)貨物降溫曲線

隨著貨物量的增加，冷藏庫(kù)的熱惰性變大，新進(jìn)蘋果的加入對(duì)原有蘋果整體平均溫度的波動(dòng)影響逐漸降低。由圖中可以看出當(dāng)?shù)诙浳锛尤牒螅谝慌浳镎w平均溫度有0.5%℃的升高趨勢(shì)，2 h后溫度又會(huì)逐漸降低。當(dāng)?shù)谌浳锛尤牒蟮诙浳矬w平均溫度有0.3%℃溫度升高趨勢(shì)，相對(duì)于第二批對(duì)第一批的影響，其波動(dòng)已經(jīng)變小。當(dāng)?shù)谒呐浳锛尤牒螅谝慌浳铮诙浳锱c第三批貨物的體平均溫度波動(dòng)有0.1%℃溫度升高趨勢(shì)，但相對(duì)于前面批次貨物加入對(duì)原有貨物的影響，幾乎忽略不計(jì)。這是由于隨著貨物的增加，冷庫(kù)整體的熱惰性增加，整體平均溫度受到新進(jìn)貨物的影響逐漸降低。本研究為果蔬的入庫(kù)時(shí)間提供一個(gè)理論依據(jù)，提高了滿庫(kù)狀態(tài)的效率，減少進(jìn)貨過程所用時(shí)間，對(duì)實(shí)際冷庫(kù)管理有指導(dǎo)意義。

3.2 進(jìn)貨過程溫度分布

蘋果入庫(kù)貯藏通常采用分批次入庫(kù)，由于每次入庫(kù)的蘋果溫度高于貯藏溫度，引起了庫(kù)內(nèi)溫度以及原先貨物的溫度波動(dòng)。根據(jù)實(shí)際調(diào)研每次入庫(kù)貨物量取庫(kù)總?cè)萘康?%，入庫(kù)溫度為277.15 K。

圖4為第四批貨物入庫(kù)后，貨物溫度變化在Y=1.85 m截面處溫度瞬態(tài)分布圖。其中前三批入庫(kù)后溫度隨時(shí)間變化曲線與圖4中分布相同。第一批貨物的最下層溫度降溫比較快，其原因?yàn)閺睦滹L(fēng)機(jī)吹出的冷氣流經(jīng)過射流與右側(cè)冷庫(kù)壁面相撞，氣流向下流動(dòng)，在內(nèi)部區(qū)域形成回流，下側(cè)貨物與氣流換熱充分，熱量容易被冷氣流帶走，降溫速度快。第二層貨物溫度較高，這是由于第二層貨物受到上下層貨物影響，氣流不能及時(shí)將熱量帶走，降溫較慢。當(dāng)?shù)诙浳镞M(jìn)入冷庫(kù)后，可以看出其最頂端蘋果溫度先降低，這是由于從冷風(fēng)機(jī)吹出的冷氣流貼附頂面流動(dòng)，射流速度快，能夠起到很好的隔熱作用，使最頂層蘋果受到屋頂傳入的熱量影響較小且氣流與頂層蘋果換熱充分，率先帶走最頂層蘋果熱量，故其降溫較快。

由于受到第二批貨物溫度的影響，第一批貨物右側(cè)有一個(gè)小的溫度升高趨勢(shì)，這是因?yàn)閺睦滹L(fēng)機(jī)吹出的冷氣流經(jīng)過第二批貨物后，溫度升高，其流經(jīng)第一批貨物時(shí)會(huì)產(chǎn)生微小的溫度波動(dòng)。

第二批貨物進(jìn)貨結(jié)束時(shí)，其溫度分布為貨物中間層溫度高，其上層與下層溫度較低，這是由于冷風(fēng)機(jī)吹出的氣流最先與上層貨物進(jìn)行換熱，并且在第二批貨物前側(cè)形成一個(gè)氣流回流區(qū)，第二批貨物中層蘋果產(chǎn)生的呼吸熱不能被及時(shí)帶走，在此區(qū)域形成了一個(gè)高溫區(qū)域。

圖4 Y=1.85 m截面溫度瞬態(tài)分布圖

貨物進(jìn)入后可以看出其中庫(kù)內(nèi)溫度有一個(gè)月牙形分布，這是由于氣流在第三批貨物上部形成一個(gè)回流，熱量不能被及時(shí)帶走，并且第一批貨物中靠近新貨物部分的貨物溫度受到影響而升高。

第四批貨物進(jìn)入后可以看出冷風(fēng)機(jī)出口氣流與蘋果最上層換熱充分，該區(qū)域溫度下降比較快。第三批蘋果由于受到新入庫(kù)蘋果溫度的影響，其最上層蘋果溫度有所升高。同樣新蘋果的進(jìn)入使第二批蘋果左下側(cè)溫度有升高的趨勢(shì)。

4 結(jié)論

1）通過本文建立的數(shù)學(xué)模型對(duì)果蔬冷藏庫(kù)分批次進(jìn)貨過程中庫(kù)內(nèi)溫度變化進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)比模擬值與實(shí)驗(yàn)值，測(cè)點(diǎn)處溫度變化曲線與實(shí)際測(cè)試的數(shù)據(jù)基本吻合，驗(yàn)證了本文計(jì)算模型的正確性和可靠性。

2）通過研究進(jìn)貨期間影響貨物溫度穩(wěn)定性的因素，得到不同冷藏庫(kù)內(nèi)貨物降溫曲線，并發(fā)現(xiàn)降溫過程中隨著貨物的增加，降溫時(shí)間逐漸增大，降溫速率逐漸減小。同時(shí)其熱惰性變大，新批次蘋果的加入對(duì)原有蘋果整體平均溫度波動(dòng)的影響逐漸降低。

3）貯藏庫(kù)分批進(jìn)貨過程中，由于新蘋果溫度高于庫(kù)內(nèi)原有貨物的貯藏溫度，其對(duì)貯藏庫(kù)內(nèi)距離新蘋果最近位置產(chǎn)生0.5%℃的溫度波動(dòng)，在整個(gè)蘋果貯藏周期中，會(huì)影響蘋果的貯藏品質(zhì)。

本文研究對(duì)于選擇合理的分批次貨物進(jìn)貨時(shí)間具有重要的參考價(jià)值。

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