苹果冷藏库通风换气影响因素研究

胡磊洋 南晓红 洪妮

西安建筑科技大学环境与市政工程学院

苹果贮藏期间，不断释放乙烯和二氧化碳等有害气体。二氧化碳浓度过高会导致苹果产生二氧化碳伤害。乙烯积累到一定程度会促进苹果老化，加快后熟衰老[1]。在贮藏过程中要保持苹果品质、延缓衰老，就必须控制有害气体的比例及作用，通常是对冷库进行通风换气，保证库内气体浓度符合要求，从而达到更好的贮藏效果。然而，由于气体浓度分布的复杂性，以及传统通风换气人为操作的随意性，通风效果不尽理想。国内外学者对气调库气体浓度分布进行了大量研究工作[2-3]，但对普通冷藏库通风换气方面的研究鲜有涉及，因此，研究苹果冷藏库通风换气过程中气体浓度的分布情况，对提高苹果贮藏质量，减少苹果采后损失具有重要意义。

1 物理模型的建立

本文以扶风县某苹果冷藏库为研究对象，冷库内部尺寸为13 m（长）×10 m（宽）×7.1 m（高），保温材料为聚苯乙烯发泡塑料。冷库内的冷风机采用DD-15.9/80型吊顶式冷风机，尺寸为1.92 m（长）×0.61 m（宽）×0.65 m（高），风机有两个直径为0.5 m的圆形送风口，回风口在风机背面。货物分为两堆，每堆尺寸为11 m（长）×4 m（宽）×6 m（高），货物距两侧墙面为0.5 m，距有门墙面为1.5 m。冷库计算模型如图1所示。

图1 冷库物理模型

2 数学模型的建立

2.1 气体区数学模型

根据冷库实际情况，假设冷库内部流场为三维、不可压缩、非稳态、湍流流场。流场的湍流模型选用标准的k-ε模型，与连续性方程、动量方程、能量方程联立求解获得冷库热湿环境，则其流动传热通用微分方程为：

式中：Φ为通用变量；ГΦ为与Φ相对应的广义扩散系数；SΦ为与Φ相对应的广义源项。

2.2 货物区数学模型

1）气体组分浓度方程

苹果在贮藏过程中仍然是有生命的活体，不断进行各种各样的生理代谢。乙烯作为一种植物催熟激素通过一系列的生化反应释放。乙烯从货物区向气体区扩散过程中遵从组分质量守恒原理，因此在模拟计算中，可以用组分输运模型来描述冷库内气体浓度。

式中：Г为多孔介质的质量扩散系数；S为苹果呼吸作用所引起的气体组分浓度源项；C对应各组分浓度。

针对本文所研究的冷藏库，苹果乙烯释放速率可由文献[4]查得，在计算时作为组分输运方程的源项被考虑。

2）货物区阻力

针对苹果冷藏库堆码形式，可将货物区看作多孔介质，将苹果当作固体颗粒，间隙中的气体对应于多孔介质中的流体，该多孔介质的阻力Sf包括粘性阻力和惯性阻力两部分，可用达西定律[5]来表示。

式中：Dp为多孔介质颗粒的平均直径，m，本研究为苹果的直径；ε为多孔介质的孔隙率；μ为流体动力粘性系数，N·s/m2；1/α 为粘性阻力系数，1/m2；C2为惯性阻力系数，1/m；ρf为流体密度，kg/m3；νmag为气体流速最大值，m/s。

2.3 边界条件

本文需要设定的边界条件有冷库墙体，冷风机，库门和排风口。冷库壁面速度采用无滑移边界，外墙和屋顶热边界采用第三类边界条件，其对流换热系数按照冷库设计规范要求取为23 W/(m2·K)。地面采用第一类边界条件，温度为271.15 K。冷风机送风口采用速度进口条件，送风速度为5 m/s，选择紊流强度和水力直径定义紊流，紊流强度设为5%，水力直径为风机特征直径0.5 m，回风口采用outflow边界条件。

不进行通风换气时，库门和排风口关闭，设定为定热流密度的墙面，热流量为9.3 W/m2。进行通风换气时，库门开启，库门和排风口均设定为速度进口条件，选择紊流强度和水力直径定义紊流，排风口紊流强度为5%，水力直径为排风口直径0.5 m，冷库门水利直径为当量直径1.54 m。

3 结果与分析

3.1 排风速度对库内气体浓度分布的影响

为了更好的观察和分析模拟结果，本文选取冷库长度方向的对称中截面作为代表性切面，来进一步分析库内有害气体的分布规律。研究发现苹果入库24 h后，库内有害气体浓度分布均匀，且浓度较高。以乙烯为例，货物区乙烯浓度高达15.7 μL/L，已超苹果冷藏贮存要求（乙烯浓度 ＜1 μL/L）[6]。

本文改变排风速度，分别对7 m/s，8 m/s和9 m/s三种情况的通风换气进行模拟研究，分析不同排风速度对库内气体浓度分布的影响。

图2为不同排风速度，通风换气1 h时Y=6.5 m截面处乙烯浓度分布。由图可知：通风时间相同、排风速度不同时货物区有害气体浓度分布情况基本相同，即有害气体浓度由中心向四周逐渐降低。排风速度为7 m/s，8 m/s和 9 m/s时乙烯对应最高浓度分别为1.1 μL/L，0.9 μL/L，0.7 μL/L，可见排风速度越大，库内货物区有害气体浓度越低。与排风速度为7 m/s相比，排风速度9 m/s时货物区乙烯最大浓度降低了36.4%。由此证明排风速度越大越有利于有害气体的排除。

图2 不同排风速度下Y=6.5m截面处乙烯浓度分布

图3 不同排风速度下点X=2.5 m，Y=8 m，Z=3.6 m处乙烯浓度变化曲线图

图3为根据非稳态模拟结果得到的通风换气过程中排风速度为 7 m/s，8 m/s，9 m/s时点 X=2.5 m，Y=8 m，Z=3.6 m（货物区浓度较高处）处乙烯浓度随时间变化的曲线图。如图所示，不同排风速度时，该点处乙烯浓度随时间变化的趋势基本一致。排风速度为9 m/s时，货物区乙烯浓度降低速率最大，最快将乙烯浓度降到贮藏要求。说明合理增大排风速度有利于有害气体的排除。

3.2 排风口数量对库内气体浓度分布的影响

排风口数量的改变同样也影响着库内气体浓度的分布。本文在原有冷库的基础上仅增加排风扇的数量，研究双排风口对库内气体浓度分布的影响，并与单排风口通风换气效果进行对比。双排风口冷库物理模型如图4所示。

图4 双排风扇冷库物理模型

单排风扇冷库排风速度为8 m/s时，库内有害气体可以在1 h内降到贮藏要求，为了保证通风换气量相同，双排风扇冷库排风速度设为4 m/s。图5为点X=2.5 m，Y=8 m，Z=3.6 m处单、双排风形式下乙烯浓度随时间变化的曲线图。从图中可以看出单台排风扇形式下该点乙烯浓度60 min后降到1 ppm以下，双台排风扇形式下30 min时该点乙烯浓度已低于1 ppm，双排风扇形式明显优于单排风扇形式。双排风扇形式下，通风30 min后库内乙烯浓度降低并不明显，并且会随着时间的增加导致库温升高，因此通风时间并不是越长越好。

图5 单、双排风扇形式下点X=2.5 m，Y=8 m，Z=3.6 m处乙烯浓度变化曲线图

4 结论

本文以陕西某苹果冷藏库为研究对象，通过建立气体流动，传质的三维数学耦合模型及组分输运模型，用CFD软件模拟研究了库内有害气体的分布规律，探究了通风换气过程的影响因素。

结果表明在冷库实际通风换气过程中，存在适宜的通风量，使得库内有害气体浓度在规定的时间内降低到贮藏要求，本文研究冷库最适排风速度为8 m/s。双排风扇形式换气效果优于单排风扇形式。适当增加通风时间可以降低有害气体浓度，当通风一定时间后，库内有害气体浓度降低并不明显，且导致库温升高，因此通风时间并不是越长越好。