基于热泵的大豆低温干燥储存系统设计

方启，张良，李昊玥，周汉涛

基于热泵的大豆低温干燥储存系统设计

方启，张良*，李昊玥，周汉涛

（上海理工大学，上海 200093）

针对环境温湿度变化以及大豆种子呼吸作用在储存室内引起的结顶、结块现象，造成储存过程中出现霉变或发芽等问题，基于热泵系统为大豆育种样本设计一套低温干燥储存系统。通过数学模型计算各部件负荷，利用CFD模拟仿真技术选择合适的气流组织形式，然后对设计的系统送风温湿度稳定性、储存室内送风均匀性以及温度均匀性进行试验分析。基于单侧送风+对侧回风气流组织设计的系统，在工作过程中，送风温度波动范围为±1 ℃，相对湿度波动范围为±4%，室内最大温度偏差为1.8 ℃，室内送风速度小于2 m/s。基于合理的选型设计计算以及送风组织布置，结合育种样本长期储存的环境需求，设计了能够提供理想环境的控制系统，均匀的温度场以及气流分布在确保了样本储存质量的同时，有效降低了人工倒仓成本。这一设计能够为育种研究提供可靠的技术支持，对推动农业发展产生积极影响。

热泵；恒温；品质；干燥；数值模拟；育种

中国是重要的粮食生产与消费大国[1]，育种在我国农业中扮演着关键角色，为国家的粮食安全和农业的可持续发展做出重要贡献。随着我国大豆储量增加以及育种技术发展，对储存处理的环境精度需求日益增加[2]。在大豆种子本身呼吸作用、环境温湿度变化等多方面因素的共同作用下，育种储存室内易发生结露、结顶等问题，导致大豆批量出现提前发芽或者霉变的现象[3]，造成大量经济损失，对育种研究造成严重的影响。因此，为缓解发芽以及霉变[4]现象，传统存储过程中需定期进行倒仓和灭菌[5]从而避免储存室内温湿度的大幅度波动，防止仓壁出现结块结顶，但是，这种方式在消耗大量人工成本后仍无法保证育种样本的长期储存安全[6]，并不适合育种等储存需求的环境[7]。因此，当前急需一套低能耗的恒温储存系统，提高育种贮存质量、降低系统能耗、减少储存过程中的损耗。这不仅有利于减少储存过程中的人工投入成本，对国家的粮食安全也有着重要的意义。

热泵是一种将低品位热能转化为高品位热能的高效设备[8]，较高的能源利用效率使其在建筑和工业等恒温控制领域得到广泛应用。众多学者针对恒温热泵系统提出了大量优化方案[9-10]。王江标等[11]借助CFD（Computational Fluid Dynamics）软件对恒温室内气流分布进行了气流分布模拟，提出了水平单向送风以及分区送风对室内温度均匀性有着积极意义。Zhang等[12]基于分程控制策略研制了一种新型THIC（Temperature and Humidity Independent Control）装置，实现了30%～50%的节能效果。刘晓宇等[13]通过理论分析和CFD模拟，针对高大空间空气流场组织优化，提出了风管伸入静压箱、从底部向上送风等优化气流组织和获得均匀速度场的方法。Huang等[14]利用CFD软件对干燥间的气流传热情况进行数值模拟，提出了显著缩短死角处干燥时间的优化设计方法，有效提高干燥效率。国内外学者的研究指出，要实现温度控制的稳定、高效和节能，合理的热泵系统设计是关键，热泵系统能有效地组织系统产生的热能，提高能源品味并加以利用，而有效的送风设计能确保气流速度和温度在空间里均匀分布，这两方面都是实现恒温控制的重要基础。随着近年来高效节能恒温热泵系统技术的逐步成熟，技术成本的下沉为其引入育种储存工艺创造了有利条件[15]。

因此，本文针对大豆育种样本储存环境的温湿度需求，基于热泵设计一套低温干燥储存系统，提高大豆育种样本储存周期的同时，以较低的能耗避免了倒仓的人工成本，减少了样本存储损耗。该系统采用半开式空气循环，通过合理组织热泵蒸发器冷源以及冷凝器热源，保证系统高效的同时降低了使用能耗；通过合理的气流组织，控制干燥储存室内气流场温湿度的均匀性，确保种子的储存品质。这一设计能够为育种研究提供可靠的技术支持，对推动农业发展产生积极影响。

1 系统原理

恒温干燥储存系统主要由热泵系统、干燥储存室两部分组成，系统原理如图1所示。干燥空气自储存室侧上方进入，在托盘内种子表面形成扰动，通过破坏表面边界层，推动大豆种子样本与空气间的水分迁移，保证大豆种子样本处于干燥，空气自下侧方排气口流出后，空气首先在蒸发器作用下降温至露点实现除湿，同时为保证种子细胞活性以及耐储性，空气在冷凝器作用下，再次升温至干燥储存所需温度。

图1 低温干燥储存系统

2 系统设计

2.1 设计要求

本文设计的热泵系统为满足大豆育种样本储存需求，具备干燥、恒温等功能，使得样本获得准确、均匀的储存条件，满足储存环境需求，储藏室结构如图2所示。

图2 干燥储存室结构

干燥储存室尺寸为4.5 m×2.5 m×5 m（长×宽×高），主要用于育种样本长期储存过程，配置有用于集件和循环运输的辊式孔板托盘运输系统，利于内部空气循环流动。在储存过程中，室内送风参数稳定性以及温度场的均匀性是保证样本储存品质的关键，准确的温湿度控制是预期工艺效果实现的保障。因此，热泵系统需要向干燥储存室内提供稳定的送风参数，保证储存室内温度场以及气流场的均匀，减少环境参数变化造成的损失，保证大豆样本活性。干燥系统技术要求如表1所示。

表1 干燥系统技术要求

Tab.1 Technical requirements for drying system

2.2 空气循环数学模型

空气处理的目的是为干燥储存提供合适的温湿度送风参数，并及时排走储存室内的余热余湿。由于环境参数随季节不断变化，在高温高湿的条件下，储存室湿负荷增加，易出现样本增湿结块的现象。为了提高系统的经济性以及环保性，设计为一次回风系统，新风仅作为补充正压所用，将室内回风（N）与新风（W）预混后，经过蒸发器进行降温除湿（L）后，在冷凝器等湿加热至送风状态点（O）后送至室内。

图3 空气处理过程

干燥储存室热负荷：

室内热负荷要求的风量：

室内湿负荷要求的风量：

送风风量：

式中：1为传动机架等设备散热，约为0.3 kW；2为种子呼吸作用，W；3为围护结构漏热，W；4为水蒸气潜热，W；1为室内热负荷要求的风量，m3/h；p为送风气流的比定压热容，kJ/(kg·K)；为送风气流的密度，kg/m3；Δ为送风温差，取3 ℃[17]；2为室内湿负荷要求的风量，m3/h；Δ为送风含湿量差，g/kg；为设计送风量，m3/h；为取最大值；Δ为维持正压所需补风量，m3/h。

2.3 热泵系统数学模型

蒸发器最大所需冷量：

冷凝器最大所需热量：

制冷剂循环质量流量：

理论能效比：

系统能效比：

式中：g为冷凝器最大所需热量，kW；w为新风空气焓值，kJ/kg；o为送风空气焓值，kJ/kg；d为蒸发器最大所需冷量，kW；c为新风与回风混合后空气焓值，kJ/kg；L为除湿后空气焓值，kJ/kg；0为单位质量制冷量，kJ/kg；1为蒸发器出口制冷剂焓值，kJ/kg；4为蒸发器入口制冷剂焓值，kJ/kg；0为压缩机单位理论功，kJ/kg；k为单位质量冷凝热，kJ/kg；m为制冷剂循环质量流量，kg/s；为热泵系统理论制热系数；el为压缩机输入功，kW；i为压缩机指示效率；m为压缩机械效率；mo为电动机效率。

3 系统参数

3.1 空气循环

依据上述系统数学模型，参考极限使用环境参数，对影响系统功能的主要参数：干燥储存室热湿负荷、最小需求循环风量、空气循环以及热泵制冷剂循环参数进行确认，为系统各部件选型提供理论依据。设计参数如表2所示。

表2 设计参数

Tab.2 Design parameters

基于储存温度、环境温度以及散湿量等给定参数，通过上述数学模型计算干燥室内热湿负荷为1.25 kW，送风量为2 200 m3/h。在此基础上，确认空气循环参数如表3所示。

3.2 热泵系统

基于上述空气循环参数需求，确定热泵系统运行状态中的蒸发以及冷凝温度，保证蒸发器除湿能力的同时适应变温热源，最终选用循环工质为非共沸低温制冷剂R404A（R125a/R43a/R34a，44/4/52）。考虑传热温差，故选取蒸发温度为−5 ℃、冷凝温度为48 ℃，取过冷度为8 ℃、过热度为5 ℃，理论制冷循环详细参数及压焓图[18-21]如表4和图3所示。

表3 空气处理过程各点状态参数

Tab.3 State parameters of each point in air treatment

表4 理论制冷循环详细参数

Tab.4 Detailed parameters of theoretical refrigeration cycle

图3 理论制冷循环压焓

Fig.3 Theoretical refrigeration cycle pressure enthalpy

4 送风设计

为了满足恒温以及充分除湿的设计需求，干燥储存室初步选择上送下回、顶送侧回的气流组织方式。为保证储存室内速度场、温度场均匀性，送风口设计为满布率孔板，回风口采用条缝形[22]。初步设计为如图4所示的5种气流组织形式。

利用CFD数值模拟对上述设计方案进行选型，对模型进行了合理假设和简化，房间尺寸为5 000 mm× 2 500 mm×4 500 mm，空气通过送风口均速流入，托盘尺寸为4 700 mm×1 700 mm，居中放置，堆放厚度为10 mm，板间距为100 mm，忽略门窗漏风和机械传动结构，且考虑气体参数变化较小，将各项参数满足理想气体状态方程。在模拟中，最大尺寸及这些假设和简化旨在保证结果可靠性的同时提高模拟计算效率。

借助CFD仿真软件模拟气流组织形式对储存室内气流场均匀性的影响，计算结果如图5～9所示。图5～9为=1.25 m截面的速度矢量图。图5为顶部送风+两侧底回风的速度矢量图。由于屋顶空间受限，顶部两侧布置送风口在稳压层内形成涡流，涡流区域所对应孔板处的气流方向与孔板的夹角小于90°，这就导致经过孔板后的气体流速均匀性较差。图6为单侧送风+两侧底回风的速度矢量图。由于风量要求和室间结构限制，单侧送风变为受限射流，具有贴附射流的特征，在靠近送风口处这就易造成如图6左上角所示的涡流，严重影响气流分布的均匀性。图7为两侧送风+两侧底回风的速度矢量图。由于回风口设置在室两侧，中间气流易造成短路现象，导致除顶层样本外的上层样本中心区域基本没有气流流过，对气流分布均匀性产生不利影响。图8为单侧送风+同侧回风的速度矢量图，尽管在送风口下方会产生涡流，但这种方案对干燥储存室内送风的大小和方向在均匀性上明显改善。图9为单侧送风+对侧回风的速度矢量图。由于送风气流无法达到斜送的效果，加之样本对空气流动的阻碍，气流未能完全形成“斜推”的活塞流，靠近侧送风口的一侧气流速度略为降低，但这种方案对干燥储存室内送风大小及方向的均匀性也有所改善。综上，单侧送风+对侧回风与单侧送风+同侧回风的气流组织形式整体效果均可达到设计要求，接下来结合实际干燥储存工艺流程，对这2种气流组织下的温度场均匀性做进一步比选。

图4 几种方案气流组织示意图

图5 顶部送风+两侧底回风

图6 单侧送风+两侧底回风

图7 两侧送风+两侧底回风

图8 单侧送风+同侧回风

图9 单侧送风+对侧回风

图10～11分别为单侧送风+同侧回风和单侧送风+对侧回风各层储存托盘内温度云图。整体而言，单侧送风+同侧回风方案中各层托盘内温度场均匀性控制均优于单侧送风+对侧回风方案。单侧送风+同侧回风在气流场均匀性以及温度场均匀性中表现均优于其他组织方案。因此，最终选择单侧送风+同侧回风方案的气流组织形式作为大豆育种样本干燥存储恒温室内的气流组织形式。

图10 单侧送风+同侧回风各层样本温度云图

图11 单侧送风+对侧回风各层样本温度云图

5 热泵干燥储存系统试验分析

根据系统技术要求设计性能实验，验证热泵系统能否满足样本存储要求。本文选取大豆作为实验材料，大豆平均堆积厚度为（10±1）mm，经卤素水分测定仪（测量精度0.1 mg）测量，存储大豆育种样本含水率为（13±1）%。测量系统稳定运行后进出口空气温度和含湿量，以及房间内不同位置的温度等关键参数，并进行数据处理。对实验结果进行分析，验证设计系统工况的稳定性、温度场的均匀性。实验结果如下所示。

5.1 热泵系统稳定性

房间送风口布置精度为±0.2 ℃、±1%的温湿度传感器，基于labview编写采集控制程序，数据记录结果如图12所示。试验结果表明，当系统处于启动状态时，室内温度在15 min内由33.40 ℃快速降至21.9 ℃，降温速率约为0.76 ℃/min，存在一定的降温过冲；随后，在18 min内送风温度快速上升至26.5 ℃，升温速率约为0.26 ℃/min；随即室内温度稳定在设定值25 ℃，存在轻微的温度波动，波动小于±1 ℃。经过长时间的运行，热泵系统能够在试验工况下保持长时间的稳定运行。此外，室内相对湿度同样呈现相应的变化趋势，含湿量由初始时的20.62 g/kg持续下降至6.55 g/kg，并且能够稳定在（6±1）g/kg范围内。因此，经试验测定，设计的热泵系统能够为大豆育种样本干燥储存环境提供稳定的送风条件，且送风参数满足设计要求。

图12 工况稳定性温湿度曲线

5.2 储存室温度场均匀性

为了更好地监测干燥储存室内温度场均匀性，验证育种样本储存系统送风设计的可靠性，本文结合干燥室内实际情况，在室内高度方向等间距选取15个具有代表性的测量点进行试验测试。测量点布置图如图13a所示。试验过程中各点温度随时间的变化关系如图13b所示。

图13 温度测点布置（a）及均匀性测试结果（b）

试验过程中，将干燥储存室内的目标温度设定为25 ℃，等待室内温度场参数基本稳定后，开始监测各测量点温度随时间的变化关系，数据采集速率为3 min/次，通过对比不同位置采集到的温度参数，对室内温度场的均匀性进行研究分析，不同空间位置测点温度分布随时间的变化关系如图13所示。由各点温度随时间变化关系的测试结果可知，储存室内各测点温度随时间的波动范围为0.2～0.6 ℃，验证了单侧送风+同侧回风方案的气流组织形式能够控制室内温度场稳定，为大豆育种样本储存提供舒适的环境参数；观察室内同一时间各测点位置以及采集温度，生成的温度场自上而下呈现出逐级降低的趋势。上部测点温度平均值为25.436 ℃，中部测点温度平均值为24.65 ℃，下部测点温度平均值为24.246 ℃；测量最高值出现在点15，为25.9 ℃，测量最低值出现在点2和点3，为24.1 ℃，测试结果与数值模拟结果基本一致。室内温度基本处于24.1～25.9 ℃，温度场最大偏差范围满足（25±1）℃，满足设计要求，保证了不同储存位置的大豆育种样本均处于适宜的储存环境，减少了由于温湿度不均引起的部分样本损毁的问题。

6 结语

基于热泵设计的恒温干燥储存系统满足大豆育种样本存储过程中对温度湿度的要求。储存过程中，通过调整压缩机频率实现冷媒的循环参数控制，实现送风温湿度稳定，温度波动≤±1 ℃、相对湿度波动＜±4%；通过单侧送风+同侧回风的气流组织方案，提高了干燥储存室内气流场均匀性，保证了储存室内的温湿度均匀性，最大温度差为1.8 ℃。因此，设计的恒温干燥储存室为育种样本的长期储存提供了温湿度均匀稳定的理想环境，减少了环境参数变动以及种子呼吸作用导致的结顶、结露等现象，控制了种子霉变以及提前发芽现象的发生，不仅有效地降低了人工倒仓成本，还对样本存储质量的保证有着积极重要的意义。这一设计能够为育种研究提供可靠的技术支持，对推动农业发展产生积极影响。

[1] 王晨, 张文博, 王济民. 我国粮食供给时空变迁及产能提升路径分析[J/OL]. 中国农业资源与区划, 1-15[2023-11-29]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.3513. S.20231117.1641.004.html.

WANG C, ZHANG W B, WANG J M. Analysis of Spatiotemporal Change of Grain Supply and Production Capacity Improvement Path in China[J/OL]. Chinese Journal of Agricultural Resources and Regional Planning, 1-15[2023-11-29]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/ 11.3513.S. 20231117.1641.004. html.

[2] 罗屹, 史畅, 黄汉权, 等. 中国大豆多元化布局和替代战略前景[J]. 中国农业文摘-农业工程, 2023, 35(6): 65-71.

LUO Y, SHI C, HUANG H Q, et al. China Agricultural Abstracts-Agricultural Engineering[J]. Agricultural Science and Engineering in China, 2023, 35(6): 65-71.

[3] BERHE M, SUBRAMANYAM B, DEMISSIE G, et al. Impact of Storage Technologies and Duration on Insect Pest Population, Post-Harvest Losses, and Seed Quality of Stored Chickpea in Ethiopia[J]. Pest Manag Sci, 2024, 80(2): 518-532.

[4] ODJO S, BONGIANINO N, GONZÁLEZ REGALADO J, et al. Effect of Storage Technologies on Postharvest Insect Pest Control and Seed Germination in Mexican Maize Landraces[J]. Insects, 2022, 13(10): 878.

[5] 方胜栋. 立体货架式种子仓库恒温恒湿调控系统设计与试验[D]. 泰安: 山东农业大学, 2023.

FANG S D. Design and Experiment of a Constant Temperature and HumidityControl System for a Three- Dimensional Shelf Type Seed[D]. Tai'an: Shandong Agricultural University, 2023.

[6] 于林平, 朱京立, 曹立新, 等. 大豆在储存过程中预防结露结顶技术探讨[J]. 粮食储藏, 2012, 41(3): 21-25.

YU L P, ZHU J L, CAO L X, et al. The Technology of Condensation Control during Soybean Storage[J]. Grain Storage, 2012, 41(3): 21-25.

[7] JIAN F J. A General Model to Predict Germination and Safe Storage Time of Crop Seeds[J]. Journal of Stored Products Research, 2022, 99: 102041.

[8] 赵娟, 周波涛, 白艺飞, 等. 高原寒冷地区既有建筑节能改造适宜性及经济性分析[J]. 西安建筑科技大学学报(自然科学版), 2023, 55(5): 774-782.

ZHAO J, ZHOU B T, BAI Y F, et al. Suitability and Economic Analysis of Existing Building Energy Saving Reconstruction in Cold Plateau Region[J]. Journal of Xi'an University of Architecture & Technology (Natural Science Edition), 2023, 55(5): 774-782.

[9] 魏智邦. 大型供热锅炉节能改造技术的优化研究[J]. 现代工业经济和信息化, 2023, 13(6): 154-155.

WEI Z B. Optimization Study of Energy-Saving Retrofit Technology for Large Heating Boilers[J]. Modern Industrial Economy and Informationization, 2023, 13(6): 154-155.

[10] 邹月琴, 许钟麟, 郎四维. 恒温恒湿、净化空调技术及建筑节能技术研究综述[J]. 建筑科学, 1996, 12(2): 45-52.

ZOU Y Q, XU Z L, LANG S W. Research Survey on Technologies of Constant Temperature and Relative Humidity, Clean Room and Energy Conservation in Buildings[J]. Building Science, 1996, 12(2): 45-52.

[11] 王江标, 肖红梅, 秦学礼. 高精度恒温实验室气流模拟分析[J]. 洁净与空调技术, 2013(4): 14-17.

WANG J B, XIAO H M, QIN X L. The Simulation and Analysis of High-Precision Constant Temperature Laboratory[J]. Contamination Control & Air-Conditioning Technology, 2013(4): 14-17.

[12] ZHANG X J, XIAO F, LI S. Performance Study of a Constant Temperature and Humidity Air-Conditioning System with Temperature And Humidity Independent Control Device[J]. Energy & Buildings, 2012, 49: 640-646.

[13] 刘晓宇, 刘东, 沈辉, 等. 恒温恒湿立体仓库孔板送风的影响因素及参数优化[J]. 能源技术, 2008(6): 381-385.

LIU X Y, LIU D, SHEN H, et al. Analysis of Effect Factors and Parameter Optimization of Perforated Ceiling Air Supply in High Accuracy Constant High-Rack Warehouse[J]. Energy Technology, 2008(6): 381-385.

[14] HUANG S, DING T T, YAN C, et al. Optimal Design of Heating and Ventilation for Drying Room Based on Transient CFD Simulation[J]. Applied Mechanics and Materials, 2013, 64: 524-528.

[15] 朱文学, 赵雅婷, 吴建章, 等. 根茎类中药材干燥技术与装备研究进展[J]. 中国农业大学学报, 2023, 28(1): 153-171.

ZHU W X, ZHAO Y T, WU J Z, et al. Research Progress on Drying Technology and Equipment of Rhizome Traditional Chinese Medicines[J]. Journal of China Agricultural University, 2023, 28(1): 153-171.

[16] 刘春霜. 大豆烘干与储藏技术[J]. 粮油食品科技, 2008, 16(4): 12-14.

LIU C S. Soybean Drying and Storage Technology[J]. Science and Technology of Cereals, Oils and Foods, 2008, 16(4): 12-14.

[17] 薛殿华. 空气调节[M]. 北京: 清华大学出版社, 1991: 58-59.

XUE D H. Air Conditioning[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 1991: 58-59.

[18] SAUCEDO-VELÁZQUEZ J, GUTIÉRREZ-URUETA G, PACHECO-REYES A, et al. Case Study: Design of an Absorption Refrigeration System for Milk Preservation in JALISCO, Mexico[J]. Case Studies in Thermal Engineering, 2023, 44: 1-11.

[19] WU Y Z. Design Guide for Small Refrigeration Devices[D]. Beijing: Mechanical Industry Press,1999.

[20] 郑贤德. 制冷原理与装置[M]. 北京: 机械工业出版社, 2008.

ZHENG X D. Refrigeration Principles and Devices[M]. Beijing: China Machine Press, 2008.

[21] FLORIAN W, MORENO G, VANDEWALLE L A, et al. Optimizing Air Distribution in Floor and Wall Burners of an Industrial Steam Cracking Firebox: A CFD Study[J]. Chemical Engineering Research and Design, 2023, 199: 569-582.

[22] DORRA C, RABEB A, SAFA S, et al. Enhancing Crop Yield in Hydroponic Greenhouses: Integrating Latent Heat Storage and Forced Ventilation Systems for Improved Thermal Stratification[J]. Thermal Science and Engineering Progress, 2023, 45: 102163.

Design of Soybean Low Temperature Drying and Storage System Based on Heat Pump

FANG Qi, ZHANG Liang*, LI Haoyue, ZHOU Hantao

(University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

In response to the changes in environmental temperature and humidity, as well as the phenomenon of soybean seed respiration causing topping and clumping in the seed storage room, which leads to problems such as mold or germination during seed storage, the work aims to design a low temperature drying and storage system for agricultural products based on a heat pump system for soybean breeding samples. The load of each component was calculated through mathematical models. Appropriate airflow organization forms were selected according to CFD simulation technology results. Then an experimental analysis on the stability of the designed system's supply air temperature and humidity, the uniformity of indoor supply air, and the temperature uniformity was conducted. A system based on single side air supply and opposite side return air flow organization was designed. During the drying, the temperature fluctuation range of the air supply was ±1 ℃, the humidity fluctuation range was ± 4% RH, the maximum indoor temperature deviation was 1.8 ℃, and the indoor air supply speed was less than 2 m/s. The conclusion is based on reasonable selection design calculation and air supply organization layout. This design provides an ideal environment for the long-term storage of breeding samples. The uniform temperature field and airflow distribution not only effectively reduce the cost of manual storage, but also ensure the storage quality of samples. This design can provide reliable support for breeding research and have a positive impact on agricultural development.

heat pump; constant temperature; quality; drying; numerical simulation; breeding

TB47

A

1001-3563(2024)07-0104-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.07.014

2023-11-03

上海市动力工程多相流动与传热重点实验室（13DZ2260900）

通信作者