農產品空氣能熱泵烘房溫度場的數值模擬與驗證

李淑國，楊 薇，張付杰，宋瑞凱，郝 鐸

（昆明理工大學現代農業工程學院，云南 昆明 650500）

傳統農產品烘房主要靠煤、石油等傳統能源來制熱，存在能耗高、熱利用率低、不環保等問題。空氣能是空氣中所蘊含的低品位熱能。農產品空氣能熱泵烘房是利用空氣中的能量來制熱，且制熱效率高，理論上較傳統烘房節能約35%，產生的熱量可以對農產品進行高品質的干燥[1-2]。

Ho等[3]研究了熱泵輔助干燥取代冷凍干燥，將其應用于種子培養的乳酸菌干燥，發現熱泵輔助干燥在投資成本和運行成本方面均低于冷凍干燥。日本科學家對谷物進行了熱泵干燥試驗研究，發現熱泵干燥可提高干燥驅動力，改善產品色澤[4]。華南農業大學李遠志、廣東省農機研究所鄭春明等也對熱泵干燥應用于脫水蔬菜加工進行研究。研究表明，利用熱泵干燥加工的脫水蔬菜質量好，干燥技術是可行的[5]。目前，一些學者對不同類型烘房的溫度場問題進行了數值模擬分析。劉雄文等[6]以某企業茯茶烘房為研究對象，借助Fluent軟件平臺，采用數值模擬的方法，引入多孔介質模型建立茯茶烘房自然對流流動及傳熱的三維穩態模型，分析了烘房內部氣流不均的問題。王以忠等[7]對冷藏車內的溫度場和濕度場進行數值模擬，通過仿真結果合理優化冷藏車的內部結構。洪孝偉等[8]基于Fluent烘房恒溫區溫度場模擬與優化研究，找出了制約烘房溫度均勻性的制約因素。魯飛等[9]通過對辣椒烘干箱內空氣的速度場進行模擬，探究了烘干箱結構對烘干辣椒效果的影響，提出辣椒烘干箱結構優化設計的措施。目前，對于糧食和果蔬貯藏，熱泵干燥技術對于產品處理是一種有效的生產工藝，同時熱泵干燥機組合理設計問題以及干燥設備的溫度、濕度的均勻性對農產品的干燥品質起著重要的約束作用，因此熱泵機組和干燥設備的設計越來越受到重視[10-12]。這些研究解決了其針對的具體問題，并不具有一定的普適性，對農產品空氣能熱泵烘房溫度場均勻性仍有許多尚待解決的問題。影響烘房內部溫度場均勻性的因素除了風速場外，烘房結構、烘房內部小推車規格及其擺放形式、烘干托盤等均對其內部溫度場有重要影響[13-17]。目前對烘房內部溫度均勻性的研究中缺乏溫度場非穩態研究，同時在烘房結構以及烘房裝載條件下溫度場均勻性研究存在很多不完善之處。

本文通過計算機模擬軟件（CFD），對農產品空氣能熱泵烘房溫度場進行模擬。分別模擬空載時烘房內部的溫度場以及箱體內部裝載小推車、烘干托盤等配套工具時的內部溫度場，通過分析模擬結果，提出烘房內部結構優化措施，為今后農產品空氣能熱泵烘房的設計提供理論依據。

1 農產品空氣能熱泵烘房模型建立與分析

1.1 物理模型

本文選用5HGR-35型農產品空氣能熱泵烘房，其熱泵主機功率14.2 kW，額定制熱量52 kW，烘房內部尺寸為長×寬×高＝8 100 mm×2 700 mm×2 200 mm，庫體內部材料為不銹鋼，外部材料為碳鋼，中間為100 mm厚的聚氨酯保溫材料。箱體內部配置有12輛小推車，小車長（X方向）1495mm，寬（Y方向）620 mm，高（Z方向）1 750 mm，每輛小推車有16層擱架，12輛小推車共配有384個烘干托盤。箱體內部共有24臺軸流風機，每臺風機的風量為3 000m3/h，全壓230 Pa，轉速2 800 r/min，頻率50 Hz，功率0.25 kW。

以農產品空氣能熱泵烘房的實際尺寸在UG（Unigraphics NX10.0，Siemens PLM Software） 軟件中進行3D（圖1）建模，對模型主要以四面體網格劃分，在適當的位置進行六面體以及錐形和契型網格劃分。為使結果準確，網格步長設為0.05，同時進行網格數量與計算結果無關性的驗證，當網格數量滿足計算要求可以用于計算。

1.2 數學模型

速度場中氣體的流動和傳熱要遵循質量守恒、動量守恒和能量守恒定律這三個物理規律，為了更好地模擬農產品空氣能熱泵烘房內溫度場分布情況，需建立基本流體運動控制方程。低速氣體壓力和溫度在流動過程中變化很小，重力和密度變化也很小，當氣體流速V＜50 m/s時均可假設為不可壓縮流體[14]。本文研究中空氣速度V＜50 m/s，假設為不可壓縮氣體，定常流，應用穩態不可壓縮納維-斯托克斯方程（N-S方程）及k-ε模型作為控制方程。

空氣能熱泵烘房箱體內紊流流動和傳熱控制方程如下[5]：

式中：β為空氣密度，kg/m3；V為空氣速度矢量；φ為因變量，φ 分別表示 μ，ν，ω，ε，T，k；μ 為X方向速度，m/s；ν為Y方向速度，m/s；ω 為Z方向速度，m/s；ε 為紊流動能耗散率；T為能量；k為紊流動能；Γφ為對應φ的擴散系數；Sφ為源項。

φ、Γφ、Sφ表達式見表 1。

表1 控制方程源項Table 1 Source terms of each governing equation

1.3 邊界條件

根據昆明地區夏季標準溫度，烘房與外界接觸的溫度定為20℃，烘房初始溫度與環境溫度相同為20℃，熱泵工作恒溫設定為65℃，烘房箱體底面設為絕熱邊界，送風口設置為VELOCITY-INLET，回風口為OUTFLOW。

1.4 數值求解

采用Fluent（ANSYS17.0，美國ANSYS公司）軟件進行數值求解，選用RNG-k-ε湍流模型，近壁區的模擬采用標準壁面函數，流體運動控制方程采用基于有限體積的離散方法，溫度-速度耦合選用SIMPLEC算法，動量和湍流動能選用一階迎風離散格式。

2 烘房溫度場模擬結果及分析

2.1 烘房空載時溫度場模擬結果

烘房處于空載環境下工作，根據熱風干燥物料通風速度越快越有利于干燥，通過變頻器調節裝置將進風口風速分別調節為8、11、21 m/s，熱泵工作恒溫設置為65℃，熱泵運行時間分別設定為5、10、15 min，將溫度場均勻性作為評價指標，研究風速、時間對溫度場的影響以及烘房不同截面位置溫度場的分布。

2.1.1 風速對溫度場的影響

圖2分別表示進風口速度為8、11、21 m/s，空氣能熱泵運行5 min時Y=0.7 m的截面溫度云圖。由圖2可知：V=8 m/s時，熱風射流短，等溫線密集，溫度梯度變化大，烘房內溫差較大，溫度最高處與溫度最低處溫差為12℃左右；V=11 m/s時，整個界面熱風溫度更新明顯；V=21 m/s時，整個界面溫度更新最快，溫度場在烘房內的分布最均勻，并且烘房內部溫差最小，為1～2℃左右。

圖3分別表示進風口速度為8、11、21 m/s，空氣能熱泵運行10 min時Y=0.7 m的截面溫度云圖。由圖3可知：V=8 m/s時，熱風射流短，烘房內溫差依然較大，最大溫差為12℃左右；當V=11、21 m/s時，整個界面溫度更新最快，但烘房內在多個位置依然存在1℃左右的溫差。

圖4分別表示進風口速度為8、11、21 m/s，空氣能熱泵運行15 min時Y=0.7 m的截面溫度云圖。隨著熱泵工作時間的增長，三種風速下烘房內部的溫差都逐步減小，溫差為1℃左右。

由此可知，送風速度會影響烘房內溫度變化速率，送風速度越大，烘房內溫度越容易達到設定的工作溫度。時間一定時，風速越大，對應的風機能耗越高，風速為21 m/s時，風速擾流現象嚴重，不利于農產品烘干。綜合上述模擬結果，認為烘房內風速設定為11 m/s更合理。

2.1.2 時間對溫度場的影響

由“2.1.1”部分可知，烘房內風速設定為11 m/s更有利于烘房內溫度場的均勻性。圖2（B）、圖3（B）、圖 4（B）分別表示風速為 11 m/s，熱泵運行 5、10、15 min時烘房在Y=0.7 m的截面溫度云圖。通過對圖3（B）、圖4（B）與圖2（B）比較可知，熱泵烘房工作時間越長，其內部溫度場分布改善越明顯，烘房內部溫差越小。由圖4（B）可知，風速V=11 m/s，熱泵工作15 min時，烘房溫度基本接近設定溫度（65℃），烘房內溫差為1℃。

2.1.3 不同截面位置溫度場的分布

由圖4（B）可知，速度為11 m/s，烘房熱泵運行15 min，烘房內溫度場在Z方向和X方向，也就是烘房的高度和長度方向存在溫度場的不均勻性。在密閉空間里冷空氣下沉，熱空氣上浮，所以烘房在Z方向存在溫度場的不均勻，在熱泵的出風口與回風口速度較烘房的其他位置高，所以溫度較其他位置高。

2.2 烘房裝載時溫度場模擬結果及分析

2.2.1 烘房裝載小推車時溫度場模擬結果

烘干小車長（X方向）1495mm，寬（Y方向）620mm，高度（Z方向）1 750 mm，整體用25 mm×25 mm的不銹鋼方管焊接，設計為16層，層間距為59 mm，每層擱架可放置兩個物料盤。烘干臺車頂部距烘房頂部距離為360 mm，小車底部與烘房地面間隙為220 mm。烘房內擺置12輛小推車。

空氣能熱泵烘房現有結構裝載小推車在Y=0.7m，Z=1.2 m處的截面溫度云圖如圖5所示。現有結構下溫度場分布規律明顯，烘房內部近壁面區域溫度較高，接近60℃，X方向烘房前后區域溫度較高，小推車擺放位置溫度相對較低。小推車對室內的空氣流造成影響，當氣流流動遇到阻礙物時，空氣射流會在阻礙物影響下增強，氣流向室內沒有阻礙物的區域流動趨勢加強，出現室內溫度場分布不均勻，最大溫差可達10℃左右，局部高溫處會造成烘干物料損壞。同時這種溫度分布具有極大的資源浪費性，當氣流遇到小推車時，不能很好地從不同烘盤之間的擺放間隙流過，阻礙了氣流與物料間的對流換熱，增長了對物料的烘干時間，即提高了物料干燥成本。

2.2.2 小推車規格及擺放形式改進后的溫度場模擬結果

鑒于以上分析結果，將小推車規格即擺放形式進行如下改進：①小推車在原有高度上增加300 mm，將小車頂部與烘房頂部之間的空隙控制在50～60 mm[12]；②現有結構下烘房內部小推車之間的擺放距離過小，即小推車之間的相互距離僅為10 mm左右，小推車與烘房壁之間間隔僅為5 mm；現改為小推車之間在X方向和Y方向之間的擺放間隙為30 mm左右，小推車與烘房壁之間的間隙為30 mm左右。

圖6為小推車規格及擺放形式改進后在Y=0.7 m截面處的溫度云圖。由圖6可見，與圖5相比，改進后的烘房在頂部及底部的溫度場更加均勻，避免了在烘房的頂部及底部出現過熱位置，造成對干燥產品品質的破壞，改進后烘房溫度過熱位置處于空氣能熱泵的出風口及烘房底部局部位置。由此可知，改變烘房內部小推車規格及擺放形式可以有效避免烘房內部過熱位置的出現。

2.2.3 烘房頂部設置擋板的溫度場模擬結果

在烘房內部適當的位置加入擋風板可以在一定程度上優化烘房內部溫度場的分布，當小推車受烘房空間限制不能改變現有規格時，可以采用加入擋板來改變速度場在烘房內的分布均勻性，達到溫度場均勻性的目的。基于現有烘房的設計空間，在烘房的頂部均布設置3塊長2 900 mm、寬20 mm、高300 mm的擋板[12]。

圖7是烘房頂部設置擋板后，烘房在Y=0.7m截面處的溫度云圖。由圖7可知，與圖5相比，烘房的頂部、底部的過熱死角范圍減小，整個烘房內部的溫度場更加均勻，65℃的高溫出現在空氣能熱泵的出風口處，加入擋板可以有效地改善烘房內部的溫度場分布。

3 試驗驗證

為了驗證農產品空氣能熱泵烘房內部溫度場動態數值模擬結果的正確性，進行了空載試驗驗證。試驗測量截面均勻分布在烘房X方向，截面分別為X=2.1、4.2、6.3 m，每個截面上均勻的布置6個檢測點。圖8為空氣能熱泵烘房截面上各個測點的布置圖。溫度數據采集采用艾維泰科IV3000多路溫度數據采集器，測量精度為0.1，測量范圍為-200～1 350。選擇的溫度傳感器為T型熱電偶（ETA,GG-T-30-SLE）。農產品空氣能熱泵烘房內初始溫度為20℃，送風速度為11 m/s，熱泵設定溫度65℃，數據采集器每5 s采集一次數據，空氣能熱泵烘房熱泵工作時開始采集溫度數據。

圖9為農產品空氣能熱泵烘房測點2處在非穩態時模擬值與試驗值對比圖。由圖9可知：截面測點2處的溫度，在X=2.1 m處各個時刻模擬值與試驗值平均溫度偏差為1.1℃；在X=4.2 m處各個時刻模擬值與試驗值平均溫度偏差為1.2℃；在X=6.3 m處各個時刻模擬值與試驗值平均溫度偏差為1.5℃。總體而言，模擬值與試驗值差異不大。

4 結論

通過試驗，得到如下結論：

（1）空氣能熱泵烘房內溫度場與速度場有緊密聯系，送風速度越大，烘房內溫度場可以更快地實現均勻，以更短的時間達到設定溫度（65℃）；綜合考慮能耗、溫度場與速度場以及農產品烘干等要求，5HGR-35型空氣能熱泵烘房內合理的送風速度為11 m/s左右。

（2）將烘房內現有小推車的高度加大300～310mm，可以更好地改善烘房內部溫度場；烘房頂部均勻設置3塊長×寬×高＝2 900 mm×20 mm×300 mm 的擋板，可更好地優化烘房內部溫度場；小推車在烘房的X、Y方向之間保持30 mm左右間隙擺放，更有利于烘房內部溫度場的分布。

（3）模擬數值與試驗數值吻合良好，驗證了農產品空氣能熱泵烘房非穩態數值模擬的合理性。