蘋果冷藏庫通風換氣影響因素研究

胡磊洋 南曉紅 洪妮

西安建筑科技大學環(huán)境與市政工程學院

蘋果貯藏期間，不斷釋放乙烯和二氧化碳等有害氣體。二氧化碳濃度過高會導致蘋果產(chǎn)生二氧化碳傷害。乙烯積累到一定程度會促進蘋果老化，加快后熟衰老[1]。在貯藏過程中要保持蘋果品質、延緩衰老，就必須控制有害氣體的比例及作用，通常是對冷庫進行通風換氣，保證庫內氣體濃度符合要求，從而達到更好的貯藏效果。然而，由于氣體濃度分布的復雜性，以及傳統(tǒng)通風換氣人為操作的隨意性，通風效果不盡理想。國內外學者對氣調庫氣體濃度分布進行了大量研究工作[2-3]，但對普通冷藏庫通風換氣方面的研究鮮有涉及，因此，研究蘋果冷藏庫通風換氣過程中氣體濃度的分布情況，對提高蘋果貯藏質量，減少蘋果采后損失具有重要意義。

1 物理模型的建立

本文以扶風縣某蘋果冷藏庫為研究對象，冷庫內部尺寸為13 m（長）×10 m（寬）×7.1 m（高），保溫材料為聚苯乙烯發(fā)泡塑料。冷庫內的冷風機采用DD-15.9/80型吊頂式冷風機，尺寸為1.92 m（長）×0.61 m（寬）×0.65 m（高），風機有兩個直徑為0.5 m的圓形送風口，回風口在風機背面。貨物分為兩堆，每堆尺寸為11 m（長）×4 m（寬）×6 m（高），貨物距兩側墻面為0.5 m，距有門墻面為1.5 m。冷庫計算模型如圖1所示。

圖1 冷庫物理模型

2 數(shù)學模型的建立

2.1 氣體區(qū)數(shù)學模型

根據(jù)冷庫實際情況，假設冷庫內部流場為三維、不可壓縮、非穩(wěn)態(tài)、湍流流場。流場的湍流模型選用標準的k-ε模型，與連續(xù)性方程、動量方程、能量方程聯(lián)立求解獲得冷庫熱濕環(huán)境，則其流動傳熱通用微分方程為：

式中：Φ為通用變量；ГΦ為與Φ相對應的廣義擴散系數(shù)；SΦ為與Φ相對應的廣義源項。

2.2 貨物區(qū)數(shù)學模型

1）氣體組分濃度方程

蘋果在貯藏過程中仍然是有生命的活體，不斷進行各種各樣的生理代謝。乙烯作為一種植物催熟激素通過一系列的生化反應釋放。乙烯從貨物區(qū)向氣體區(qū)擴散過程中遵從組分質量守恒原理，因此在模擬計算中，可以用組分輸運模型來描述冷庫內氣體濃度。

式中：Г為多孔介質的質量擴散系數(shù)；S為蘋果呼吸作用所引起的氣體組分濃度源項；C對應各組分濃度。

針對本文所研究的冷藏庫，蘋果乙烯釋放速率可由文獻[4]查得，在計算時作為組分輸運方程的源項被考慮。

2）貨物區(qū)阻力

針對蘋果冷藏庫堆碼形式，可將貨物區(qū)看作多孔介質，將蘋果當作固體顆粒，間隙中的氣體對應于多孔介質中的流體，該多孔介質的阻力Sf包括粘性阻力和慣性阻力兩部分，可用達西定律[5]來表示。

式中：Dp為多孔介質顆粒的平均直徑，m，本研究為蘋果的直徑；ε為多孔介質的孔隙率；μ為流體動力粘性系數(shù)，N·s/m2；1/α 為粘性阻力系數(shù)，1/m2；C2為慣性阻力系數(shù)，1/m；ρf為流體密度，kg/m3；νmag為氣體流速最大值，m/s。

2.3 邊界條件

本文需要設定的邊界條件有冷庫墻體，冷風機，庫門和排風口。冷庫壁面速度采用無滑移邊界，外墻和屋頂熱邊界采用第三類邊界條件，其對流換熱系數(shù)按照冷庫設計規(guī)范要求取為23 W/(m2·K)。地面采用第一類邊界條件，溫度為271.15 K。冷風機送風口采用速度進口條件，送風速度為5 m/s，選擇紊流強度和水力直徑定義紊流，紊流強度設為5%，水力直徑為風機特征直徑0.5 m，回風口采用outflow邊界條件。

不進行通風換氣時，庫門和排風口關閉，設定為定熱流密度的墻面，熱流量為9.3 W/m2。進行通風換氣時，庫門開啟，庫門和排風口均設定為速度進口條件，選擇紊流強度和水力直徑定義紊流，排風口紊流強度為5%，水力直徑為排風口直徑0.5 m，冷庫門水利直徑為當量直徑1.54 m。

3 結果與分析

3.1 排風速度對庫內氣體濃度分布的影響

為了更好的觀察和分析模擬結果，本文選取冷庫長度方向的對稱中截面作為代表性切面，來進一步分析庫內有害氣體的分布規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)蘋果入庫24 h后，庫內有害氣體濃度分布均勻，且濃度較高。以乙烯為例，貨物區(qū)乙烯濃度高達15.7 μL/L，已超蘋果冷藏貯存要求（乙烯濃度 ＜1 μL/L）[6]。

本文改變排風速度，分別對7 m/s，8 m/s和9 m/s三種情況的通風換氣進行模擬研究，分析不同排風速度對庫內氣體濃度分布的影響。

圖2為不同排風速度，通風換氣1 h時Y=6.5 m截面處乙烯濃度分布。由圖可知：通風時間相同、排風速度不同時貨物區(qū)有害氣體濃度分布情況基本相同，即有害氣體濃度由中心向四周逐漸降低。排風速度為7 m/s，8 m/s和 9 m/s時乙烯對應最高濃度分別為1.1 μL/L，0.9 μL/L，0.7 μL/L，可見排風速度越大，庫內貨物區(qū)有害氣體濃度越低。與排風速度為7 m/s相比，排風速度9 m/s時貨物區(qū)乙烯最大濃度降低了36.4%。由此證明排風速度越大越有利于有害氣體的排除。

圖2 不同排風速度下Y=6.5m截面處乙烯濃度分布

圖3 不同排風速度下點X=2.5 m，Y=8 m，Z=3.6 m處乙烯濃度變化曲線圖

圖3為根據(jù)非穩(wěn)態(tài)模擬結果得到的通風換氣過程中排風速度為 7 m/s，8 m/s，9 m/s時點 X=2.5 m，Y=8 m，Z=3.6 m（貨物區(qū)濃度較高處）處乙烯濃度隨時間變化的曲線圖。如圖所示，不同排風速度時，該點處乙烯濃度隨時間變化的趨勢基本一致。排風速度為9 m/s時，貨物區(qū)乙烯濃度降低速率最大，最快將乙烯濃度降到貯藏要求。說明合理增大排風速度有利于有害氣體的排除。

3.2 排風口數(shù)量對庫內氣體濃度分布的影響

排風口數(shù)量的改變同樣也影響著庫內氣體濃度的分布。本文在原有冷庫的基礎上僅增加排風扇的數(shù)量，研究雙排風口對庫內氣體濃度分布的影響，并與單排風口通風換氣效果進行對比。雙排風口冷庫物理模型如圖4所示。

圖4 雙排風扇冷庫物理模型

單排風扇冷庫排風速度為8 m/s時，庫內有害氣體可以在1 h內降到貯藏要求，為了保證通風換氣量相同，雙排風扇冷庫排風速度設為4 m/s。圖5為點X=2.5 m，Y=8 m，Z=3.6 m處單、雙排風形式下乙烯濃度隨時間變化的曲線圖。從圖中可以看出單臺排風扇形式下該點乙烯濃度60 min后降到1 ppm以下，雙臺排風扇形式下30 min時該點乙烯濃度已低于1 ppm，雙排風扇形式明顯優(yōu)于單排風扇形式。雙排風扇形式下，通風30 min后庫內乙烯濃度降低并不明顯，并且會隨著時間的增加導致庫溫升高，因此通風時間并不是越長越好。

圖5 單、雙排風扇形式下點X=2.5 m，Y=8 m，Z=3.6 m處乙烯濃度變化曲線圖

4 結論

本文以陜西某蘋果冷藏庫為研究對象，通過建立氣體流動，傳質的三維數(shù)學耦合模型及組分輸運模型，用CFD軟件模擬研究了庫內有害氣體的分布規(guī)律，探究了通風換氣過程的影響因素。

結果表明在冷庫實際通風換氣過程中，存在適宜的通風量，使得庫內有害氣體濃度在規(guī)定的時間內降低到貯藏要求，本文研究冷庫最適排風速度為8 m/s。雙排風扇形式換氣效果優(yōu)于單排風扇形式。適當增加通風時間可以降低有害氣體濃度，當通風一定時間后，庫內有害氣體濃度降低并不明顯，且導致庫溫升高，因此通風時間并不是越長越好。