农产品空气能热泵烘房温度场的数值模拟与验证

李淑国，杨 薇，张付杰，宋瑞凯，郝 铎

（昆明理工大学现代农业工程学院，云南 昆明 650500）

传统农产品烘房主要靠煤、石油等传统能源来制热，存在能耗高、热利用率低、不环保等问题。空气能是空气中所蕴含的低品位热能。农产品空气能热泵烘房是利用空气中的能量来制热，且制热效率高，理论上较传统烘房节能约35%，产生的热量可以对农产品进行高品质的干燥[1-2]。

Ho等[3]研究了热泵辅助干燥取代冷冻干燥，将其应用于种子培养的乳酸菌干燥，发现热泵辅助干燥在投资成本和运行成本方面均低于冷冻干燥。日本科学家对谷物进行了热泵干燥试验研究，发现热泵干燥可提高干燥驱动力，改善产品色泽[4]。华南农业大学李远志、广东省农机研究所郑春明等也对热泵干燥应用于脱水蔬菜加工进行研究。研究表明，利用热泵干燥加工的脱水蔬菜质量好，干燥技术是可行的[5]。目前，一些学者对不同类型烘房的温度场问题进行了数值模拟分析。刘雄文等[6]以某企业茯茶烘房为研究对象，借助Fluent软件平台，采用数值模拟的方法，引入多孔介质模型建立茯茶烘房自然对流流动及传热的三维稳态模型，分析了烘房内部气流不均的问题。王以忠等[7]对冷藏车内的温度场和湿度场进行数值模拟，通过仿真结果合理优化冷藏车的内部结构。洪孝伟等[8]基于Fluent烘房恒温区温度场模拟与优化研究，找出了制约烘房温度均匀性的制约因素。鲁飞等[9]通过对辣椒烘干箱内空气的速度场进行模拟，探究了烘干箱结构对烘干辣椒效果的影响，提出辣椒烘干箱结构优化设计的措施。目前，对于粮食和果蔬贮藏，热泵干燥技术对于产品处理是一种有效的生产工艺，同时热泵干燥机组合理设计问题以及干燥设备的温度、湿度的均匀性对农产品的干燥品质起着重要的约束作用，因此热泵机组和干燥设备的设计越来越受到重视[10-12]。这些研究解决了其针对的具体问题，并不具有一定的普适性，对农产品空气能热泵烘房温度场均匀性仍有许多尚待解决的问题。影响烘房内部温度场均匀性的因素除了风速场外，烘房结构、烘房内部小推车规格及其摆放形式、烘干托盘等均对其内部温度场有重要影响[13-17]。目前对烘房内部温度均匀性的研究中缺乏温度场非稳态研究，同时在烘房结构以及烘房装载条件下温度场均匀性研究存在很多不完善之处。

本文通过计算机模拟软件（CFD），对农产品空气能热泵烘房温度场进行模拟。分别模拟空载时烘房内部的温度场以及箱体内部装载小推车、烘干托盘等配套工具时的内部温度场，通过分析模拟结果，提出烘房内部结构优化措施，为今后农产品空气能热泵烘房的设计提供理论依据。

1 农产品空气能热泵烘房模型建立与分析

1.1 物理模型

本文选用5HGR-35型农产品空气能热泵烘房，其热泵主机功率14.2 kW，额定制热量52 kW，烘房内部尺寸为长×宽×高＝8 100 mm×2 700 mm×2 200 mm，库体内部材料为不锈钢，外部材料为碳钢，中间为100 mm厚的聚氨酯保温材料。箱体内部配置有12辆小推车，小车长（X方向）1495mm，宽（Y方向）620 mm，高（Z方向）1 750 mm，每辆小推车有16层搁架，12辆小推车共配有384个烘干托盘。箱体内部共有24台轴流风机，每台风机的风量为3 000m3/h，全压230 Pa，转速2 800 r/min，频率50 Hz，功率0.25 kW。

以农产品空气能热泵烘房的实际尺寸在UG（Unigraphics NX10.0，Siemens PLM Software） 软件中进行3D（图1）建模，对模型主要以四面体网格划分，在适当的位置进行六面体以及锥形和契型网格划分。为使结果准确，网格步长设为0.05，同时进行网格数量与计算结果无关性的验证，当网格数量满足计算要求可以用于计算。

1.2 数学模型

速度场中气体的流动和传热要遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒定律这三个物理规律，为了更好地模拟农产品空气能热泵烘房内温度场分布情况，需建立基本流体运动控制方程。低速气体压力和温度在流动过程中变化很小，重力和密度变化也很小，当气体流速V＜50 m/s时均可假设为不可压缩流体[14]。本文研究中空气速度V＜50 m/s，假设为不可压缩气体，定常流，应用稳态不可压缩纳维-斯托克斯方程（N-S方程）及k-ε模型作为控制方程。

空气能热泵烘房箱体内紊流流动和传热控制方程如下[5]：

式中：β为空气密度，kg/m3；V为空气速度矢量；φ为因变量，φ 分别表示 μ，ν，ω，ε，T，k；μ 为X方向速度，m/s；ν为Y方向速度，m/s；ω 为Z方向速度，m/s；ε 为紊流动能耗散率；T为能量；k为紊流动能；Γφ为对应φ的扩散系数；Sφ为源项。

φ、Γφ、Sφ表达式见表 1。

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

1.3 边界条件

根据昆明地区夏季标准温度，烘房与外界接触的温度定为20℃，烘房初始温度与环境温度相同为20℃，热泵工作恒温设定为65℃，烘房箱体底面设为绝热边界，送风口设置为VELOCITY-INLET，回风口为OUTFLOW。

1.4 数值求解

采用Fluent（ANSYS17.0，美国ANSYS公司）软件进行数值求解，选用RNG-k-ε湍流模型，近壁区的模拟采用标准壁面函数，流体运动控制方程采用基于有限体积的离散方法，温度-速度耦合选用SIMPLEC算法，动量和湍流动能选用一阶迎风离散格式。

2 烘房温度场模拟结果及分析

2.1 烘房空载时温度场模拟结果

烘房处于空载环境下工作，根据热风干燥物料通风速度越快越有利于干燥，通过变频器调节装置将进风口风速分别调节为8、11、21 m/s，热泵工作恒温设置为65℃，热泵运行时间分别设定为5、10、15 min，将温度场均匀性作为评价指标，研究风速、时间对温度场的影响以及烘房不同截面位置温度场的分布。

2.1.1 风速对温度场的影响

图2分别表示进风口速度为8、11、21 m/s，空气能热泵运行5 min时Y=0.7 m的截面温度云图。由图2可知：V=8 m/s时，热风射流短，等温线密集，温度梯度变化大，烘房内温差较大，温度最高处与温度最低处温差为12℃左右；V=11 m/s时，整个界面热风温度更新明显；V=21 m/s时，整个界面温度更新最快，温度场在烘房内的分布最均匀，并且烘房内部温差最小，为1～2℃左右。

图3分别表示进风口速度为8、11、21 m/s，空气能热泵运行10 min时Y=0.7 m的截面温度云图。由图3可知：V=8 m/s时，热风射流短，烘房内温差依然较大，最大温差为12℃左右；当V=11、21 m/s时，整个界面温度更新最快，但烘房内在多个位置依然存在1℃左右的温差。

图4分别表示进风口速度为8、11、21 m/s，空气能热泵运行15 min时Y=0.7 m的截面温度云图。随着热泵工作时间的增长，三种风速下烘房内部的温差都逐步减小，温差为1℃左右。

由此可知，送风速度会影响烘房内温度变化速率，送风速度越大，烘房内温度越容易达到设定的工作温度。时间一定时，风速越大，对应的风机能耗越高，风速为21 m/s时，风速扰流现象严重，不利于农产品烘干。综合上述模拟结果，认为烘房内风速设定为11 m/s更合理。

2.1.2 时间对温度场的影响

由“2.1.1”部分可知，烘房内风速设定为11 m/s更有利于烘房内温度场的均匀性。图2（B）、图3（B）、图 4（B）分别表示风速为 11 m/s，热泵运行 5、10、15 min时烘房在Y=0.7 m的截面温度云图。通过对图3（B）、图4（B）与图2（B）比较可知，热泵烘房工作时间越长，其内部温度场分布改善越明显，烘房内部温差越小。由图4（B）可知，风速V=11 m/s，热泵工作15 min时，烘房温度基本接近设定温度（65℃），烘房内温差为1℃。

2.1.3 不同截面位置温度场的分布

由图4（B）可知，速度为11 m/s，烘房热泵运行15 min，烘房内温度场在Z方向和X方向，也就是烘房的高度和长度方向存在温度场的不均匀性。在密闭空间里冷空气下沉，热空气上浮，所以烘房在Z方向存在温度场的不均匀，在热泵的出风口与回风口速度较烘房的其他位置高，所以温度较其他位置高。

2.2 烘房装载时温度场模拟结果及分析

2.2.1 烘房装载小推车时温度场模拟结果

烘干小车长（X方向）1495mm，宽（Y方向）620mm，高度（Z方向）1 750 mm，整体用25 mm×25 mm的不锈钢方管焊接，设计为16层，层间距为59 mm，每层搁架可放置两个物料盘。烘干台车顶部距烘房顶部距离为360 mm，小车底部与烘房地面间隙为220 mm。烘房内摆置12辆小推车。

空气能热泵烘房现有结构装载小推车在Y=0.7m，Z=1.2 m处的截面温度云图如图5所示。现有结构下温度场分布规律明显，烘房内部近壁面区域温度较高，接近60℃，X方向烘房前后区域温度较高，小推车摆放位置温度相对较低。小推车对室内的空气流造成影响，当气流流动遇到阻碍物时，空气射流会在阻碍物影响下增强，气流向室内没有阻碍物的区域流动趋势加强，出现室内温度场分布不均匀，最大温差可达10℃左右，局部高温处会造成烘干物料损坏。同时这种温度分布具有极大的资源浪费性，当气流遇到小推车时，不能很好地从不同烘盘之间的摆放间隙流过，阻碍了气流与物料间的对流换热，增长了对物料的烘干时间，即提高了物料干燥成本。

2.2.2 小推车规格及摆放形式改进后的温度场模拟结果

鉴于以上分析结果，将小推车规格即摆放形式进行如下改进：①小推车在原有高度上增加300 mm，将小车顶部与烘房顶部之间的空隙控制在50～60 mm[12]；②现有结构下烘房内部小推车之间的摆放距离过小，即小推车之间的相互距离仅为10 mm左右，小推车与烘房壁之间间隔仅为5 mm；现改为小推车之间在X方向和Y方向之间的摆放间隙为30 mm左右，小推车与烘房壁之间的间隙为30 mm左右。

图6为小推车规格及摆放形式改进后在Y=0.7 m截面处的温度云图。由图6可见，与图5相比，改进后的烘房在顶部及底部的温度场更加均匀，避免了在烘房的顶部及底部出现过热位置，造成对干燥产品品质的破坏，改进后烘房温度过热位置处于空气能热泵的出风口及烘房底部局部位置。由此可知，改变烘房内部小推车规格及摆放形式可以有效避免烘房内部过热位置的出现。

2.2.3 烘房顶部设置挡板的温度场模拟结果

在烘房内部适当的位置加入挡风板可以在一定程度上优化烘房内部温度场的分布，当小推车受烘房空间限制不能改变现有规格时，可以采用加入挡板来改变速度场在烘房内的分布均匀性，达到温度场均匀性的目的。基于现有烘房的设计空间，在烘房的顶部均布设置3块长2 900 mm、宽20 mm、高300 mm的挡板[12]。

图7是烘房顶部设置挡板后，烘房在Y=0.7m截面处的温度云图。由图7可知，与图5相比，烘房的顶部、底部的过热死角范围减小，整个烘房内部的温度场更加均匀，65℃的高温出现在空气能热泵的出风口处，加入挡板可以有效地改善烘房内部的温度场分布。

3 试验验证

为了验证农产品空气能热泵烘房内部温度场动态数值模拟结果的正确性，进行了空载试验验证。试验测量截面均匀分布在烘房X方向，截面分别为X=2.1、4.2、6.3 m，每个截面上均匀的布置6个检测点。图8为空气能热泵烘房截面上各个测点的布置图。温度数据采集采用艾维泰科IV3000多路温度数据采集器，测量精度为0.1，测量范围为-200～1 350。选择的温度传感器为T型热电偶（ETA,GG-T-30-SLE）。农产品空气能热泵烘房内初始温度为20℃，送风速度为11 m/s，热泵设定温度65℃，数据采集器每5 s采集一次数据，空气能热泵烘房热泵工作时开始采集温度数据。

图9为农产品空气能热泵烘房测点2处在非稳态时模拟值与试验值对比图。由图9可知：截面测点2处的温度，在X=2.1 m处各个时刻模拟值与试验值平均温度偏差为1.1℃；在X=4.2 m处各个时刻模拟值与试验值平均温度偏差为1.2℃；在X=6.3 m处各个时刻模拟值与试验值平均温度偏差为1.5℃。总体而言，模拟值与试验值差异不大。

4 结论

通过试验，得到如下结论：

（1）空气能热泵烘房内温度场与速度场有紧密联系，送风速度越大，烘房内温度场可以更快地实现均匀，以更短的时间达到设定温度（65℃）；综合考虑能耗、温度场与速度场以及农产品烘干等要求，5HGR-35型空气能热泵烘房内合理的送风速度为11 m/s左右。

（2）将烘房内现有小推车的高度加大300～310mm，可以更好地改善烘房内部温度场；烘房顶部均匀设置3块长×宽×高＝2 900 mm×20 mm×300 mm 的挡板，可更好地优化烘房内部温度场；小推车在烘房的X、Y方向之间保持30 mm左右间隙摆放，更有利于烘房内部温度场的分布。

（3）模拟数值与试验数值吻合良好，验证了农产品空气能热泵烘房非稳态数值模拟的合理性。