苹果冷藏库通风模型及冷风机控制策略研究

赵喜梅 南晓红

西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院

苹果属于典型的呼吸跃变型水果，在采后冷藏过程中，呼吸强度会突然上升而后下降直至果实衰老腐败，形成呼吸高峰[1]。研究表明，该高峰是果实中乙烯含量急剧增多的结果，标志着果实从成熟转向衰老[2]。因此，可以通过控制贮藏环境中乙烯浓度，达到推迟呼吸高峰出现的时期提高苹果贮藏质量的目的。为了解决苹果贮藏期间乙烯浓度急剧升高进而影响贮藏质量这一问题，通常采取相关措施抑制贮藏环境中乙烯浓度，如使用1-MCP0、乙烯脱除设备和高锰酸钾吸收剂等。然而，对于一些农民修建的小型私营普通冷库而言，并没有采取任何乙烯浓度控制措施，此时抑制乙烯浓度最简单有效的方法就是通风换气，利用室外新鲜空气来稀释库内乙烯浓度[4]。本文建立苹果冷库通风换气模型，研究了通风换气过程中冷风机启停模式对环境中乙烯浓度排除效果及温度稳定性的影响。

1 CFD 计算模型

1.1 几何模型

本文以陕西省扶风县某230t 冷库为研究对象，冷库尺寸为13 m×10 m×7.1 m（长×宽×高），围护结构为100 mm 厚聚氨酯彩钢板。冷却设备采用DD-15.9/80型吊顶式冷风机，其尺寸为1.92 m×0.61 m×0.65 m（长×宽×高），冷风机设有两个直径均为0.5 m 的圆形送风口，背面设有回风口。冷风机对面的墙上居中设有排风口，排风口离地面6.1 m。苹果码成两垛，每垛尺寸为11 m×4 m×6 m（长×宽×高）。冷库几何模型示意如图1 所示。

图1 冷库几何模型示意图

1.2 控制方程

1.2.1 空气区控制方程

为了简化计算，对空气区进行如下假设：空气的物性参数是常数，为不可压缩理想气体，满足Boussinesq 假设。苹果贮藏环境温度为0依0.5 ℃、相对湿度为85～90%。

本文综合考虑了冷库内流动，传热与传质的情况，控制方程的通用形式为[5]：

1.2.2 苹果区控制方程

为了求解方便，对苹果区进行如下假设：苹果的热物理性质，如比热容，热导率和热扩散率与温度无关。苹果处于低温冷藏，忽略苹果的辐射换热。

1）动量方程

将苹果区视为多孔介质模型时，空气在流动过程中会受到阻力的作用，包括粘性阻力和惯性阻力两部分，可用Ergun 公式表示。

式中：Si为i 方向上动量方程的源项，kg/(m2·s2)；μ 为流体动力粘度，N·s/m2；α 为多孔介质渗透率，m2；υi为i方向上的速度分量，m/s；C2为惯性阻力系数，1/m；ρ 为流体密度，kg/(m3·s)；Dp为多孔介质颗粒的平均直径，m；ε 为多孔介质的孔隙率。

2）能量方程

忽略苹果间的辐射换热，苹果与空气主要依靠导热和对流进行换热，能量方程源项可表示为[6]：

式中：ρp为苹果密度，kg/m3；Qr为苹果呼吸热，W/kg；η为呼吸热转换成热量的转换系数，%，一般约为55%[7]；为苹果的呼吸强度，mol/(kg·h)。

苹果的呼吸强度随着贮藏温度、O2、CO2浓度的变化而变化。研究表明，苹果贮藏在0 时，呼吸强度的计算公式为[8]：

式中：为O2的体积分数，%；为CO2的体积分数，%

3）连续性方程

气体组分在扩散中遵从质量守恒定律，因此，可用组分输运模型描述气体浓度变化：

式中：Γ为多孔介质的质量扩散系数，kg/(m·s)；S 为苹果呼吸作用引起的气体组分浓度源项，kg/(m3·s)；C 对应各组分浓度；D'为多孔介质内部径向和轴向的混合扩散系数，m2/s；D 为分子扩散系数，m2/s。

1.3 边界条件和初始条件

通风模型需要设置的边界条件有围护结构、库门、冷风机和排风口。屋面及四周选择第三类边界，地面选择第三类边界，库门选择速度入口，冷风机送风口选择速度入口，冷风机回风口选择自由出流，排风口选择自由出流。

在前期的实验测量中已获得乙烯高峰出现的时期为70 d，此时环境中乙烯浓度为2162 μL/L。因此，乙烯浓度初始值为2162 μL/L，冷库内初始温度为273.15 K。

1.4 模型与算法

湍流模型：在冷库流场预测方面，国内外学者比较了各种湍流模型的适用性，结果显示SST κ-ω 模型具有较好的预测性能[9]。因此，本文采用的湍流模型为SST κ-ω 模型。

多孔介质模型：对于库容量较大的冷库而言，可将苹果堆视为多孔介质模型，苹果对应于多孔介质中的固体颗粒，空气对应于多孔介质中的流体[10]。多孔介质模型通过经验公式定义多孔介质上的流动阻力，即在动量方程中增加了一个代表动量消耗的源项。

求解器和算法：本文采用Fluent 默认的分离求解器，求解过程采用隐式格式。同时，经比较SIMPLEC算法具有计算速度快、收敛效果好的优点，故采用SIMPLEC 算法。

2 结果分析

2.1 冷风机启停对库内乙烯浓度影响

由文献[11]可知，苹果冷藏库内乙烯浓度应控制在10 μL/L 以下，而在实际苹果冷库中，库内可接受的乙烯浓度可达到3000 μL/L[12]。本文以2162 μL/L 作为乙烯浓度的初始值，以10 μL/L 作为乙烯浓度的控制目标，同时开启冷风机和库门，研究冷风机的启停对冷藏库内乙烯气体排除效果及库内温度稳定性影响。

图2 为通风换气过程中，冷风机的启停对库内乙烯气体排除效果的影响。从图中可以看出，冷风机关闭时，需要60 min 的通风时长才能满足苹果冷藏技术要求。而冷风机开启时，仅需要20 min 的通风时长就可以满足苹果贮藏技术要求，通风时长缩短了1/3。冷风机开启时乙烯气体排除效率更高，达到贮藏技术要求所需的时间更短。这是由于冷风机的开启，加强了库内流体的扰动，加强了库外新鲜空气和库内高乙烯浓度气体的混合程度，库内高乙烯浓度气体被更充分的稀释，单位时间内通过排风口排出的乙烯量更多。因此，通风换气过程中，冷风机的开启更有利于库内乙烯气体的排除。

图2 冷风机启停对乙烯浓度影响

为了更好的观察和分析模拟结果，选取代表性截面进一步了解库内乙烯气体的空间分布特性。本文选取长度方向X=2.5 m（Y-Z 平面）以及宽度方向Y=7 m（X-Z 平面），如图1 所示。

通过上文研究可以得出，乙烯浓度达到贮藏要求时两种通风模式所需的通风时长不一致。本文针对这两种通风模式分别选取了适宜的通风时长，即冷风机开启时通风20 min，以及冷风机关闭时通风60 min，研究库内乙烯浓度达到贮藏要求后乙烯气体的空间分布特性，如图3 所示。

图3 乙烯分布特性云图

图3（a）与图3（b）为通风换气过程中，冷风机开启通风20 min 后库内乙烯气体的空间分布特性。从图中可以看出，冷风机附近空气区乙烯浓度最低，这是因为顶部中间区域是冷风机作用区域，气流速度最大，气体组分主要靠对流传质。同时可以看出，高乙烯浓度出现在苹果区底部，出现的原因是苹果区底部流动空间小，流动阻力大，组分扩散困难。

图3（c）与图3（d）为冷风机关闭通风60 min 后库内乙烯气体的空间分布特性。从图中可以看出，冷库内乙烯气体高度方向上呈现出由高至低逐渐增多的分层分布情况。形成这种现象的原因是冷风机关闭时，库内气流主要依靠排风作用，气体组分的传递主要依靠浓度差的扩散作用和微弱定向气流的对流作用，库内气流扰动小。

2.2 冷风机启停对库内温度稳定性影响

通风换气是将室外新鲜空气引进室内，同时排除室内有害气体的过程。室外新鲜空气温度高于库内气温，新鲜空气的引进势必会影响库内温度的稳定，造成库内温度波动，影响苹果贮藏质量。《苹果冷藏技术》中规定，苹果冷库内的温度波动不应超过0.5 ℃。因此，本节研究乙烯浓度达到贮藏要求后，冷风机的启停对库内温度稳定性的影响。

图4 为通风换气过程中冷风机的启停对库内温度稳定性的影响。从图中可以看出，通风换气过程中无论冷风机是否开启，库内温度均呈现出在通风换气初期迅速升高后缓慢上升的趋势。这是由于通风换气初期，室外高温气体进入库内引起室内温度迅速上升。但是库温的升高不仅与室外高温气体的侵入有关，还与库内贮藏苹果的冷容量有关，综合考虑这两点因素，库内温度在通风后期呈现出随着通风时长的增加而缓慢增加的趋势。同时可以看出，冷风机开启时，库内平均温度小于0.5 ℃，波动范围也小于0.5 ℃，满足苹果冷藏技术对温度波动的要求。但是冷风机关闭时，通风换气2 min 后库内平均温度超过0.5 ℃，无法满足贮藏要求。这是因为冷风机的开启为库内提供了冷量，抑制了库内温度的升高，而冷风机关闭时则无法满足这一要求。因此，通风换气过程中为了满足苹果冷藏技术对温度稳定性要求，应当开启冷风机。

3 结论

本文基于苹果贮藏期间乙烯浓度急剧升高进而影响贮藏质量这一问题，建立冷库通风换气模型，研究冷风机的启停对乙烯气体排除效果及温度稳定性的影响。具体结果如下：

1）冷风机开启与冷风机关闭相比，可将乙烯浓度达到贮藏要求时的通风时长缩短1/3。表明换气过程中，冷风机的开启更有利于库内乙烯气体的排除。

2）冷风机开启时，可以满足苹果冷藏技术对温度波动的要求，而冷风机关闭则无法满足贮藏要求。表明通风换气过程中，冷风机的开启更有利于维持库内温度稳定。