段潔利，呂恩利，邱 漢，張馨予，趙文鋒，劉 偉，陸華忠,2

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) a.工程基礎(chǔ)教學(xué)與訓(xùn)練中心；b.工程學(xué)院；c.電子工程學(xué)院，廣州 510642；2.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，廣州 510640)

0 引言

空氣濕度控制是倉儲(chǔ)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，尤其在南方多濕條件下，倉儲(chǔ)除濕可有效保證物資貯藏質(zhì)量[1]。谷物及種子對貯藏環(huán)境濕度有較為嚴(yán)格的要求，種子的含水量直接受環(huán)境中相對濕度的影響，控制環(huán)境的相對濕度、降低種子的含水量可適當(dāng)保持種子活性，延長種子貯藏壽命[2-4]。種子貯藏環(huán)境的降濕比降溫相對較易, 造價(jià)也低。目前，科研人員大多采用CFD軟件模擬庫體內(nèi)溫度場和速度場的分布，而有關(guān)除濕過程中的濕度場分布情況及貯藏物水分影響因素的文獻(xiàn)較少。COMSOL Multiphysics以計(jì)算性能高、能進(jìn)行多物理場耦合等優(yōu)點(diǎn)近年來得到較多的關(guān)注[5-6]。Huang Zhi等人[7]采用COMSOL模擬大豆粉的干燥過程。許明杰等[8]采用COMSOL建立一個(gè)耦合CO變換反應(yīng)傳質(zhì)、傳熱、動(dòng)量傳遞和化學(xué)反應(yīng)的二維軸對稱擬均相固定床反應(yīng)器模型。因此，基于COMSOL Multiphysics可以進(jìn)行流場數(shù)值模擬，了解除濕過程中濕度的變化情況和分布規(guī)律。

本文以基于壓差原理的貯藏箱體為研究對象，以雜交水稻種子為試驗(yàn)物料，基于COMSOL Multiphysics 5.0，通過k-ε湍流模型、多孔介質(zhì)模型和稀物質(zhì)傳遞模型等對除濕過程濕度場和不同包裝種子在不同濕度場中不同時(shí)間的含水率進(jìn)行數(shù)值模擬，得出不同包裝種子在不同濕度下貯藏7天后的濕度場云圖。

1 物理模型

除濕系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。箱體尺寸為1.60m×1.10m×1.50m(長×寬×高)。在風(fēng)機(jī)作用下，箱內(nèi)空氣由頂部回風(fēng)道進(jìn)入制冷室，通過蒸發(fā)器，將降溫氣體通過開孔隔板進(jìn)入貯藏室，實(shí)現(xiàn)降溫循環(huán)；同時(shí)，空氣在除濕機(jī)作用下也沿此循環(huán)。抽濕機(jī)(DY-618LV/A德業(yè)除濕機(jī)，廣州昊德儀器有限公司)靠近開孔隔板，通過箱體外控制電箱調(diào)節(jié)貯運(yùn)室中的相對濕度；試驗(yàn)平臺(tái)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、可編程控制器、溫度傳感器及相對濕度傳感器等組成。通過傳感器監(jiān)測箱體相應(yīng)的溫度和相對濕度，可編程控制器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開啟與關(guān)閉，從而根據(jù)試驗(yàn)要求調(diào)節(jié)箱內(nèi)的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)智能化。其中，溫度傳感器精度±0.3℃，測量范圍-20℃～80℃；相對濕度傳感器精度±3%，測量范圍0～100%。

試驗(yàn)物料為雜交水稻種子，種子外形完好，無病蟲害，色彩光澤正常。設(shè)定箱體貯藏溫度為15℃，設(shè)置5個(gè)濕度水平(W1為<35%±3%,W2為50%±3%,W3為65%±3%，W4為80%±3%，W5為>95%±3%)，即5個(gè)相同的試驗(yàn)平臺(tái)同時(shí)運(yùn)行，采用不銹鋼盤(散裝)、牛皮紙袋、編織袋、塑料袋及鋁箔袋5種包裝形式。每個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)有1個(gè)0.83m×0.64m×0.21m(高×長×寬)的5層貨架，每層放裝1kg的2袋種子，每層包裝不同。種子袋布置圖如圖2所示。每天同一時(shí)間在不同濕度的平臺(tái)內(nèi)從不同包裝的袋內(nèi)各取樣一次，測量其含水率作為試驗(yàn)值。根據(jù)邵學(xué)良文獻(xiàn)[9]，種子含水率選用整粒法來測量，國外文獻(xiàn)報(bào)道已普遍使用此方法進(jìn)行測試[10]。種子初始含水率為11.28%，試驗(yàn)中對各濕度環(huán)境的能耗進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。

1.回風(fēng)道 2.壓差式箱體 3.進(jìn)氣閥 4.繼電器盒 5.可編程控制器 6.無紙記錄儀 7.冷凝器 8.壓縮機(jī) 9.排水管 10.補(bǔ)水箱 11.進(jìn)水管 12.積水槽 排氣閥 13.加濕器 14.開孔隔板 15.檢測溫度傳感器 16.汽化盤管 17.蒸發(fā)器 18.風(fēng)機(jī)安裝版 19.風(fēng)機(jī) 20.傳感器盒 21.抽濕機(jī) 22.排氣閥 23.氣流導(dǎo)軌 24.抽濕機(jī)控制箱

1.貯藏室 2.貨架 3.不銹鋼盤裝 4.牛皮紙袋包裝 5.編織袋包裝 6.塑料袋包裝 7.鋁箔袋包裝

選取箱體所在中縱截面，通過AutoCAD進(jìn)行二維建模，運(yùn)用COMSOL Multiphysics5.0軟件對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用三角形網(wǎng)格和自由網(wǎng)格劃分方法離散求解域，如圖3所示。

圖3 貯藏箱體網(wǎng)格模型圖Fig.3 Grid model of storage and transportation chamber

2 數(shù)學(xué)模型

為簡化模型和方便計(jì)算，對模型進(jìn)行了如下假設(shè)[11-14]：

1)假設(shè)氣體為牛頓流體；

2)箱體內(nèi)部氣體在流動(dòng)過程中不可壓縮，符合Boussinesq假設(shè)；

3)假設(shè)該箱體結(jié)構(gòu)密閉絕熱。

通過k-ε模型、多孔介質(zhì)模型和稀物質(zhì)傳遞模型，對各不同濕度箱體的流場變化進(jìn)行仿真計(jì)算。控制方程采用有限體積法的通用控制方程，稀物質(zhì)傳遞模型擴(kuò)散系數(shù)為e-9m2/s，其不同包裝多孔介質(zhì)模型擴(kuò)散系數(shù)如表1所示，k-ε模型經(jīng)驗(yàn)常數(shù)如表2所示[15]。

表1 多孔介質(zhì)模型流體擴(kuò)散系數(shù)Table 1 The fluid diffusion coefficient of porous media model m2/s

表2 k-ε模型中采用的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)Table 2 Coefficients of model k-ε

3 邊界條件設(shè)置及求解

根據(jù)求解公式[15]對貯藏箱體進(jìn)行雷諾數(shù)計(jì)算，得到雷諾數(shù)Re均達(dá)到103以上，該模型適用雷諾數(shù)紊流模型[16]。

Re=UL/ηk

(1)

其中，U為截面平均速度(m/s)；L為特征長度(m)；ηk為流體運(yùn)動(dòng)學(xué)黏性系數(shù)(m2/s)。

3.1 入口邊界條件

箱體內(nèi)除濕機(jī)工作時(shí)，從開孔隔板中部出來進(jìn)入箱體貯藏室的是干空氣，定義此口為入口。入口速度為7 m/s，溫度15℃。輸入紊流參數(shù)為湍流強(qiáng)度I和水力直徑DH。湍流強(qiáng)度I計(jì)算公式為[17]

I=0.16(ReDH)-1/8

(2)

式中ReDH—以水力直徑求出的雷諾數(shù)。

干空氣入口條件采用質(zhì)量流量，通過試驗(yàn)測得15℃時(shí)的除濕量約為0.014g/s。參照文獻(xiàn)[13]方法，將相對濕度轉(zhuǎn)化為水蒸氣的摩爾濃度輸入。

3.2 出口條件

濕空氣順著頂部回風(fēng)道流出貯藏室，定義回風(fēng)道口條件為壓力出口。

3.3 貨物單元

試驗(yàn)物料為不同包裝的水稻種子，為簡化運(yùn)算，文章將種子和包裝袋看作是一個(gè)貨物單元，并令該單元為多孔介質(zhì)模型，貨物內(nèi)部為層流模式。物性參數(shù)值如表3所示。

表3 物性參數(shù)設(shè)置Table 3 Setting of material parameters

3.4 求解設(shè)置

運(yùn)用COMSOL Multiphysics瞬態(tài)求解器進(jìn)行求解，設(shè)置環(huán)境重力加速度為9.8m/s2，設(shè)置時(shí)間步長1s。結(jié)合試驗(yàn)，設(shè)回風(fēng)口風(fēng)速為7m/s。在貯藏室前部開孔隔板相應(yīng)尺寸處設(shè)置濕度監(jiān)測點(diǎn)，當(dāng)相對濕度達(dá)到35%時(shí)停止迭代[18]。種子含水率模擬設(shè)置環(huán)境重力加速度為9.8m/s2，設(shè)置時(shí)間步長0.2d，貯藏時(shí)間到達(dá)7d時(shí)停止迭代計(jì)算。

4 模擬結(jié)果分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 箱體內(nèi)不同包裝不同相對濕度種子含水率與濕度場云圖分布

4.1.1不同相對濕度環(huán)境對相同包裝水稻種子含水率的影響

設(shè)定貯運(yùn)環(huán)境溫度為15℃，所有種子都放在箱體內(nèi)貨架上的不銹鋼盤中，依次改變相對濕度環(huán)境，通過comsol 迭代計(jì)算，到達(dá)7d時(shí)停止迭代計(jì)算。不銹鋼盤裝的種子在不同相對濕度下種子含水率同濕度場云圖如圖4所示。

由圖4(a)、(b)、(c)可以明顯看出：環(huán)境相對濕度越大，包圍在種子周圍的水氣濃度越大，與盤內(nèi)的低水分含量的種子形成一定的水勢差；隨著時(shí)間的變化，環(huán)境中的水分就會(huì)在此水勢差作用下進(jìn)入到種子內(nèi)部，導(dǎo)致種子含水量升高。從圖4(d)、(e)可看出：隨著相對濕度的降低，種子周圍的水氣含量逐漸降低；當(dāng)?shù)陀诜N子內(nèi)部的水分含量時(shí)，種子會(huì)在水勢差的作用下向周圍環(huán)境失水，從而使種子的含水率逐漸下降；50%以下相對濕度環(huán)境下，不銹鋼盤裝的種子能保持自身的含水率而變化較小。當(dāng)然，低濕干燥環(huán)境利于種子的保存。試驗(yàn)表明：環(huán)境相對濕度越低，抽濕的能耗越高。綜合考慮， 50%的相對濕度環(huán)境綜合效果較好。

4.1.295%高濕環(huán)境對不同包裝水稻種子含水率的影響

為了模擬南方的高濕環(huán)境(95%以上)，采用上述同樣的方法迭代計(jì)算，得其對應(yīng)的濕度云圖,如圖5所示。由圖5可知：高濕環(huán)境下，盡管鋁箔袋和塑料袋周圍有很高的水汽，但包裝內(nèi)的種子仍能保持較低的含水率。這是因?yàn)閮煞N包裝對水分有較好的阻隔作用，在此阻擋下包裝內(nèi)外的水勢差難以形成通路，包裝內(nèi)種子與環(huán)境間的水分交換少，導(dǎo)致種子含水率變化較小。從模擬數(shù)據(jù)可知，平均吸濕速率僅有0.2×10-2mol/d和0.36×10-2mol/d。不銹鋼盤裝的種子周圍的水汽含量較大，由于敞開著口對水分的阻礙小，種子會(huì)在水勢差的作用下與環(huán)境間的水分進(jìn)行較多的交換，導(dǎo)致盤內(nèi)種子的含水率升高，其平均吸濕速率可達(dá)1.79×10-2mol/d。在盤界面處出現(xiàn)的低濕是由于模擬是在靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行，種子吸收界面的水分而使界面處相對濕度較小還沒來得及和外界進(jìn)行交換造成的。因此，高濕環(huán)境下，鋁箔袋和塑料袋包裝可以較好地阻隔濕環(huán)境中的水分進(jìn)入種子內(nèi)部。

4.1.335%超干環(huán)境對不同包裝水稻種子含水率的影響

對35%超干燥環(huán)境進(jìn)行迭代計(jì)算，其對應(yīng)的濕度云圖如圖6所示。

由圖6可知：不銹鋼盤、牛皮紙袋包裝的種子顏色與環(huán)境顏色沒有形成明顯的對比，種子內(nèi)部的水分較多地與周圍環(huán)境進(jìn)行了交換進(jìn)入到周圍環(huán)境中；界面處之所以水分含量較高，是因?yàn)樵谫A運(yùn)過程中種子內(nèi)部釋放的水分到達(dá)界面處由于接觸界面面積較小暫時(shí)沒來得及與周圍環(huán)境進(jìn)行交換造成的；種子的含水率總體表現(xiàn)在逐漸下降，其兩種包裝的平均除濕速率分別是0.68×10-2mol/d、0.45×10-2mol/d。鋁箔袋和塑料袋裝的種子含水率基本保持原來狀態(tài)，水分被隔絕在包裝袋內(nèi)，沒有和外界環(huán)境進(jìn)行交換，其阻隔率達(dá)97.06%。但無論何種包裝，種子的含水率都仍在12%安全貯藏范圍內(nèi)。因此，超干環(huán)境下包裝對種子含水率的影響較小。貯運(yùn)7天后發(fā)現(xiàn)：此箱的除濕機(jī)耗電達(dá)91.75kW·h，而50%相對濕度耗電僅為22.04kW·h，前者耗能大概是后者的4倍多。

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證模擬結(jié)果是否準(zhǔn)確，通過調(diào)節(jié)箱體貯運(yùn)室內(nèi)溫度為15 ℃，濕度為對應(yīng)的5種濕度，采用5種不同的包裝，進(jìn)行了不同包裝、不同濕度環(huán)境種子含水量的試驗(yàn)。每天測量1次各種環(huán)境下種子的含水率，用無紙記錄儀監(jiān)控記錄貯運(yùn)過程中縱截面上各點(diǎn)的濕度變化。從模擬結(jié)果中取出測試點(diǎn)對應(yīng)的種子含水率值，與試驗(yàn)值進(jìn)行對比，結(jié)果如圖7所示。

由圖7(a)可知：貯藏過程中，散裝種子在不同濕度環(huán)境下模擬值與試驗(yàn)值隨時(shí)間變化的規(guī)律基本吻合，模擬值與試驗(yàn)值種子含水率最大偏差值僅為1%；在50%以上的相對濕度環(huán)境中，從第1天到第5天，種子含水率模擬值與試驗(yàn)值吻合度較好，最大偏差值小于0.4%。環(huán)境濕度越大，種子的吸水速率會(huì)越大，50%相對濕度環(huán)境下種子的含水率處于一個(gè)相對平衡狀態(tài)。

由圖7(b)可知：高濕環(huán)境下，包裝對種子含水率的影響較大，不同包裝種子含水率測試點(diǎn)的模擬值與試驗(yàn)值隨時(shí)間變化規(guī)律基本一致，模擬值與試驗(yàn)值的最大偏差值僅為0.5%；不銹鋼盤裝的種子平均吸濕速率能達(dá)到1.79×10-2mol/d，鋁箔袋包裝的種子平均吸濕速率僅有0.2×10-2mol/d，兩者相差約9倍。

由圖7(c)可知：超干環(huán)境下，包裝對種子含水率的影響沒有高濕環(huán)境下明顯，測試點(diǎn)種子含水率模擬值與試驗(yàn)值出現(xiàn)了一定的偏差，但最大偏差也僅為1.2%。由于塑料袋和鋁箔袋的阻隔作用，種子含水率降低速率明顯低于其余3種包裝。塑料袋和鋁箔袋包裝種子含水率試驗(yàn)值稍偏高的原因是：除濕機(jī)的不停運(yùn)轉(zhuǎn)使箱體內(nèi)的空氣溫度升高，導(dǎo)致這兩種包裝的袋子內(nèi)微小環(huán)境溫度升高，種子內(nèi)的水氣不能及時(shí)排出袋子外面，致使種子含水率略有些偏高，而其余3種包裝直接與干燥空氣進(jìn)行了交換出現(xiàn)含水率偏低的情況。

5 結(jié)論

1)高濕環(huán)境下包裝對種子含水率的影響較大。95%高濕環(huán)境下散裝的種子平均吸濕速率可達(dá)1.79×10-2mol/d，鋁箔袋包裝平均吸濕速率僅有0.2×10-2mol/d，是散裝包裝的1/9；高濕環(huán)境下宜采用水分阻隔率較大的鋁箔袋或塑料袋包裝，利于種子的貯藏。

2)35%超干燥環(huán)境下，散裝的種子平均解吸速率可達(dá)0.68×10-2mol/d，貯運(yùn)7天后含水量降到9%左右；而50%相對濕度環(huán)境水稻種子的含水率基本穩(wěn)定在11.5%，前者能耗是后者能耗的4倍多。因此，50%相對濕度環(huán)境適于種子貯藏。

3)從模擬值與試驗(yàn)值對比來看，不同濕度環(huán)境、不同包裝種子含水率模擬值與試驗(yàn)值隨時(shí)間變化的規(guī)律基本吻合，模擬值與試驗(yàn)值最大偏差僅為1.2%。由此表明，該模型是有效的。