种子库蒸发器冷却除湿过程的数值模拟

甄 仌，孙惠蕾，张 雪，苏格毅，杨红艳，许莹莹

(哈尔滨商业大学 能源与建筑工程学院，哈尔滨 150028)

为了保证种子的发芽率，在保证一定库温的条件下种子库需要保证较低的相对湿度[1].常用的除湿方法包括通风除湿、升温除湿、冷却除湿、吸收除湿、吸附除湿、压缩空气除湿等[2].

杜式秋[3]通过机械制冷的方法，采用制冷压缩机作为主要降温机械，根据季节变化通过人工调节使库内温度保持在8～15 ℃，湿度保持在45%～60%，可较好地保持种子质量.李小彬[4]以协优3550、特优63种子为例，通过对比低温低湿和正常情况下经两年储藏后的含水量与发芽率数据，研究发现经低温低湿储藏后的种子活力得以保持.施灿璨[5]将五优粮4号分别储藏在常温仓(18.3±4.8)℃和自然冷资源低温储藏仓(9.8±0.7)℃中，通过比较储藏后的稻谷含水率、稻谷贮藏品质以及稻谷加工品质，研究认为自然冷资源低温储藏仓的低温环境更有利于储藏稻谷.Afzal[6]分别在正常环境下和低氧低湿的环境下储存玉米种子，通过比较种子的水分含量、发芽率以及黄曲霉素污染率，研究认为适合种子的储藏环境为低氧低湿.Su[7]提出一种两级液体除湿系统，实现了低温热的串级利用.仿真结果表明，与传统的电力驱动冷却除湿系统相比节电率达到96.17%.段洁利[8]利用COMSOL模拟了库内相对湿度为95%，35%以及50%时含水率的状态，结果显示：环境相对湿度越大包,围在种子周围的水汽越大，与种子内低水分含量的种子形成一定的水势差，导致种子含水量的升高；相对湿度过低抽湿的能耗会越高，综合考虑50%的相对湿度环境综合效果较好.

Carvalho[9]分析了温度和相对湿度对密闭储藏(4个月和7个月)大米品质的影响，储存环境温度为14、17、24 ℃，相对湿度为67%，75%和85%.研究表明水稻水分随相对湿度的增加而增加，在较低温度和较低相对湿度的密闭空间储存水稻可以保持大米的黏弹性功能.Gawrysiak-Witulska[10]等在实验条件下模拟工业植物的真实生态系统，评价温度、湿度和静压对油菜种子在贮藏过程中降解植物甾醇的影响.研究表明，温度越高植物甾醇的损失越大，种子水分增加对贮藏过程中甾醇含量影响较大；在低湿条件下油菜种子含水率低，温度的变化对种子内甾醇影响不大.

目前在种子库实际工程中，比较常用的方法是利用库内的蒸发器进行冷却除湿.但在目前的研究工作中，对冷却除湿过程中种子库内温、湿度场的定量变化研究较少.本文将模拟种子库储存过程中的湿度分布变化以及温度分布变化，讨论蒸发器出风口温度为多少更适合储存种子，并通过模拟的结果讨论仅依靠蒸发器冷却除湿的方法能否将冷库的环境达到种子贮藏的适宜环境.

1 种子库的湿度模拟

1.1 物理模型

冷库内蒸发器(冷风机)在制冷时，表面温度低于库房内水蒸气的露点温度，使水蒸气凝结于蒸发器表面，以凝结水的形式流走，从而达到给冷库除湿的目的，这种除湿方法也叫做冷却除湿.

以学院楼一楼冷库为模型，尺寸为8 m×5 m×3 m(长×宽×高)，冷库内设置两部冷风机，两台冷风机尺寸为2.5 m×0.4 m×0.8 m(长×宽×高)，种子堆放居中4 m×2.5 m×1 m，尺寸为具体结构如图1所示.

图1 冷库模型

1.2 数学模型

首先对模型进行简化：

1)将冷库简化为一个立方体，不考虑冷库内搁架等设施；

2)种子堆为多孔介质，但由于在此不研究种子堆内部的水分迁移以及温度变化等，故在设置模型时将种子堆刨去只考虑空气部分的温度湿度分布；

3)库内空气为不可压缩气体且符合Boussinesq假设.

冷却除湿过程采用组分输运模型，k-ε湍流模型，而连续性方程，能量方程，动量方程的通用方程为[9]

(1)

其中：φ为通用变量，Г为对应φ广义扩散系数，S为广义源项.在各个方程里的表达如表1所示.

表1 各控制方程内的参数

k-ε模型中采用的经验常数如表2.

表2 k-ε模型中的参数设置

1.3 设置求解条件

1)库房内温度.有研究表明，低温环境可以有利于种子长期贮藏并保持它的生命力，但是如果贮藏温度过低的话，会增加运行设备的费用，还要保证围护结构的保温效果；若是贮藏温度过高，种子容易发芽腐烂.有研究表明，当贮藏环境的温度低于15 ℃时[10]，种子的呼吸作用非常微弱，各种微生物的生命活动基本停止，所以在此确定库房内的温度为15 ℃为符合要求.冷库内的初始温度设置为20 ℃，初始相对湿度为90%，讨论冷却除湿的降温过程.

2)库房内初始相对湿度为90%.20 ℃时含饱和水蒸气量为0.018 5 kg/m3，可得到相对湿度为90%时的水蒸气，并且根据状态方程PV=nRT推导得出20 ℃时的水蒸气密度为0.75 kg/m3，可以得到水蒸气的体积分数为0.022(以下推导相对湿度方法与此一致).

3)冷风机风速为6 m/s.

4)冷风机出风口[11-12].冷风机的出风口温度分别取5、10、15 ℃，讨论在不同蒸发器出风口温度下冷库内的降温情况.

5)种子堆散湿面设置为质量流量入口，根据各个文献中的实验数据计算得到该面的质量流量为1.2×10-4kg/s.

6)水蒸气入口温度.根据安全水分粮食准低温贮藏，粮食温度在25 ℃以内，所以粮食的入库温度，即水蒸气的温度25 ℃.

1.4 仿真求解

为了可以更好的观察整个库房内的相对湿度分布，在此取两个平面进行观察，分别是x=4 m和y=2.5 m的位置，即可以观察到冷风机和种子堆的截面，另取y=2.5 m截面中的两条线，分别为可以观察到冷风机和种子堆截面.

在蒸发器温度为5 ℃，初始相对湿度为90%的环境下，冷风机的风速为6 m/s的情况下，运行一段时间后，温度分布如图2、3.

图2 5 ℃下y=2.5 m平面的温度分布

图3 5 ℃下x=4 m平面的温度分布

从图2、3可知，当蒸发器进口温度为5 ℃时，压缩机运行200 s后，冷库内种子堆附近的温度可以达到13～14 ℃，符合种子储存的要求.

图4、5为同样运行条件下的水蒸气摩尔分数分布云图.

图4 5 ℃下y=2.5 m平面的水蒸气摩尔分数分布

图5 5 ℃下x=4 m平面的水蒸气摩尔分数分布

可以看到水蒸气摩尔分数分布和温度的分布相似，温度对水蒸气的分布影响较大，温度低于水蒸气的露点温度，水蒸气会凝结，所以会出现温度低的地方水蒸气的摩尔分数也低的情况.

对于气体来说，摩尔分数等于体积分数，由于不能从摩尔分数的云图很直观的表示出相对湿度的分布，采用与设置求解条件中相同的方法由摩尔分数求回相对湿度，此处通过风机截面和种子堆截面的相对湿度分布来讨论，可得到相对湿度的分布如图6、7.

图6 5 ℃下风机截面的相对湿度分布

可以看出，靠近了冷风机方向的相对湿度低，远离冷风机的方向相对湿度高，这就实现了冷却除湿的过程，但由于种子的持续散湿导致种子附近的相对湿度相对较高，种子附近湿度最高为51.4%，也在种子储存的适宜湿度范围内，达到了湿度的要求.

图7 5 ℃下种子截面的相对湿度分布

在蒸发器温度为10 ℃，初始相对湿度为90%的环境下，冷风机的风速为6 m/s，运行200 s的情况下，温度分布如图8.

从图8、9两个温度图可以得知，当蒸发器进口温度为10 ℃时，压缩机运行200 s后，冷库内种子堆附近的温度可以达到14～15 ℃，符合种子储存的要求.

图8 10 ℃下y=2.5 m平面的温度分布

图10、11为同样运行条件下的水蒸气摩尔分数分布云图.

图9 10℃下x=4 m平面的温度分布

图10 10 ℃下y=2.5 m平面的水蒸气摩尔分数分布

以下为与5 ℃工况下的计算方法一致，得到的蒸发器出口温度为10 ℃时两个截面处的相对湿度分布.

图11 10 ℃下x=4 m平面的水蒸气摩尔分数分布

图12 10 ℃下风机截面的相对湿度分布

图13 10 ℃下种子截面的相对湿度分布

根据图12、13中相对湿度分布可以得到，10 ℃工况下结果和5 ℃工况的结果相似.靠近了冷风机方向的相对湿度低，远离冷风机的方向相对湿度高，并且种子附近湿度最高为49.2%也是在种子储存的适宜湿度范围内，也达到了湿度的要求.

在蒸发器温度为15 ℃，初始相对湿度为90%的环境下，冷风机的风速为6 m/s，运行200 s的情况下，温度分布如图14、15.

图14 15 ℃下y=2.5m平面的温度分布

图15 15 ℃下x=4 m平面的温度分布

从图14、15可知，当蒸发器进口温度为15 ℃，压缩机运行200 s后，冷库内种子堆附近的温度可以达到17～18 ℃，此温度相对较高，故此工况不适合储存种子.

图16、17为同样运行条件下的水蒸气摩尔分数分布云图.

图16 15 ℃下y=2.5 m平面的水蒸气摩尔分数分布

图18、19为与15 ℃工况下风机截面和种子堆截面的相对湿度分布.

图17 15 ℃下x=4 m平面的水蒸气摩尔分数分布

图18 15 ℃下风机截面的相对湿度分布

如图，靠近了冷风机方向的相对湿度低，远离冷风机的方向相对湿度高，并且种子附近湿度最高为46%，也在种子储存的适宜湿度范围内，达到了湿度的要求.

图19 15 ℃下种子截面的相对湿度分布

1.5 结果讨论

1)通过对比每种工况下的温度和水蒸气的摩尔分数得知，水分的分布和温度的分布密切相关，温度低的位置水蒸气也少，验证了冷却除湿的原理.

2)同为压缩机运行200 s，蒸发器温度为5 ℃时，冷库内的温度降到13～14 ℃；蒸发器温度为10 ℃时，冷库内的温度降到14～15 ℃；蒸发器温度为15 ℃时，冷库内的温度降到17～18 ℃，根据降温时间以及最后达到的温度，蒸发器温度为5 ℃时更适合种子的储藏.

3)蒸发器温度为5 ℃时，库内的相对湿度最高为51.4%；温度为10 ℃时，库内的相对湿度最高为49.2%；温度为15 ℃时，库内的相对湿度最高为46%，湿度都是符合种子的储藏.此外不论是哪种工况，靠近冷风机的湿度低，远离风机的方向湿度高，并且伴随着种子散湿，种子附近的相对湿度也较高，出现了冷库内相对湿度分布不均匀的情况.

综上所述，从冷库内温度和相对湿度的分布综合考虑，5 ℃更适合储存种子.但如果只采用冷却除湿方法来进行除湿的话，冷库内的相对湿度分布不均匀，故应该加入其他辅助除湿方式.

2 湿度分布对比分析

图20是张馨予[15]在15 ℃的环境温度下，送风速度为7 m/s的条件下模拟的相对湿度的云图.可以看到，在温度低、速度快的进风口一侧(进风口在图20的右侧)的相对湿度较低，而在散湿的位置相对湿度较大，与图18中的模拟结果类似.

图20 其他文献中模拟结果

3 结 论

本文主要模拟在库内相对湿度为90%，温度为20 ℃的初始状态下蒸发器冷却除湿的过程，通过改变蒸发器出口温度为5、10、15 ℃，模拟蒸发器冷却除湿过程的温度及湿度分布情况，对三种工况下的结果进行讨论，分析适合储藏种子的工况.

1)蒸发器出风口温度为5 ℃时，冷库内的温度为13～14 ℃，温度为10 ℃时，温度为14～15 ℃，温度为15 ℃时，温度为17～18 ℃，每种工况都是靠近冷风机侧(云图中左侧)温度低，种子附近的温度高.

2)蒸发器出风口温度为5 ℃时，冷库内的相对湿度为15%～51.4%，温度为10 ℃时，相对湿度为11%～49.2%，温度为15 ℃时，相对湿度为8.6%～46%，相对湿度的分布与温度分布相似，靠近冷风机侧低，远离冷风机且靠近种子侧的高，并且可见在种子堆远离冷风机的角落出现死角，此处的温度和相对湿度最高.

分析以上在不同蒸发器出风口温度下的模拟结果，5 ℃时可将温度降得更低一些，且温度是适合种子储藏的温度；蒸发器出口温度为5、10、15 ℃下的冷藏库内的相对湿度虽都已达到种子储存的湿度，但10 ℃和15 ℃情况下最低的相对湿度过低，不利于种子的储藏.所以结论为:5 ℃更适合种子的储存.此外不论哪种工况，相对湿度的分布都不均匀. 所以，为了让冷库内的相对湿度更加均匀，应该除冷却除湿外加入其他辅助除湿方式.