太阳能辅助热泵干燥粮食的数值模拟研究

第41卷檱檱殗

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太阳能辅助热泵干燥粮食的数值模拟研究

·7·

粮食储藏技术

安全的重要因素。含水率高的粮食容易发生霉变不易

［1］

储藏，所以必须对其进行干燥。目前，国外Gastón

A.，IguazA，Junyewang，FreerM.W.［2］等人根据谷物的水分等温吸附方程和热质平衡理论建立了扩散型的热湿耦合传递模型，把谷物吸湿解吸湿的相变潜热作为热湿传递控制方程的源项，模拟分析了塑料袋装和仓储土豆或蔗糖的温度和水分随外界气温变化而变化的规律，模拟结果与实验结果基本相符。国内该方

［3］

面的研究起步较晚，王双林、曹崇文等建立了粮

食干燥的数学模型，并对干燥通风过程中粮食水分的

［4］

变化规律进行了模拟研究。杨国锋、代建国等利

用谷物的传热传质以及干燥速率方程，建立了低温谷物干燥模型，分析了空气温度和湿度对谷物干燥过程的影响。王远成，段海峰

［5～6］

递理论对冷却干燥通风过程中粮仓内粮堆温度和水分的变化规律进行了数值模拟研究。本文采用数值模拟的方法，利用太阳能辅助热泵技术进行粮食干燥，采用瞬态边界条件研究干燥过程中粮堆内部热湿传递特性，研究结果有助于把握干燥时机，指导干燥实践。

Si

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摘

要关键词

*

太阳能辅助热泵干燥粮食的数值模拟研究

王双凤

(1(2

1

*

尹明山

2

郭振宇

1

白忠权

1

山东建筑大学热能工程学院山东建筑大学校长办公室

山东山东

济南250101)济南250101)

粮食的干燥过程实质上是多孔介质热湿耦合传递的过程。基于多孔介质热质传

递理论，通过数值模拟的方法，针对利用太阳能辅助热泵干燥粮食时热风随时间变化的情况，采用综合温度和空气绝对湿度作为瞬态边界条件来对干燥过程中粮食内部温度和水分的变化进行模拟研究。模拟结果显示小麦水分在干燥150h后达到安全水分13.6%(干基)，而实验结果显示小麦水分在干燥135h后达到安全水分13.6%(干基)，二者对比相差不大，并且模拟温度与试验温度吻合较好。

粮堆

太阳能

热泵

热湿传递

数值模拟

瞬态边界

粮食干燥是粮食储藏的重要环节，也是关乎储粮

1粮堆内部热湿耦合传递过程的控制

粮堆内部热湿耦合传递的控制方程如下:

方程

［7］

连续性方程:(ερa)

+·(ρau)=0(1)

［8］

水分迁移方程:(ερaw)－

+·(ρauw)=·(ρaDeff

t

w)+Sw(2)

能量方程:

HwT

［］+ρaεca+ρg(1－ε)(cg+cwW+

Tt

ca·(ρauT)

动量方程:

－

=keff2T+Sh

(3)

等基于多孔介质热质传

uPμ

+(u·)u=－+·(u)tρaρa

+(4)

其中，ε为孔隙率，ρa是空气密度，ρg是粮堆的密度，u是空气的表观速度或达西速度。P是压力，t是时间，是微分算子，Si是动量方程的源项，即粮堆中空气流动的阻力。T是粮堆温度，ca、

基金项目:山东省自然基金项目(ZR2011EEM011)，济南市科技发展计划项目(No.200906044)

通讯地址:山东省济南市历城区凤鸣路1000号

·8·

粮食储藏2012(2)

cg、cw分别是空气、粮食和水的比热，W是粮堆的水分，Hw是谷物吸湿的总热，keff是粮堆的有效导热系数，Sh是热源项，即粮粒吸附或解吸附水分时而产生的热量。w是粮粒间空气中的含湿量，Deff是粮粒间空气中的含湿量通过粮堆的有效扩散系数，Sw是谷粒解吸或吸附水分的源项。

2

2.1

物理模型和数值模拟方法

物理模型

实验粮仓尺寸为1m×2m×0.8m(X×Z×Y)

如图1，三维计算区域的网格划分如图2。实验粮仓分成三部分，底部为风道，高度是0.15m，底部开有两个直径为0.05m的进风口;中部填充小麦，厚度为0.5m，粮食的底部装有穿孔板以保证空气可以从底部进入，穿孔板上铺设细网防止粮食漏入底部风道中;上部为空气区，两侧各开有三个直径为0.05m的排风口供空气流出，实验粮仓顶各开有采样孔便于检测粮食温度和水分。采用太阳能辅助热泵系统加热空气，如图3。本文的实验仓是依据相似原理设计而成的，几何尺寸根据实际中的粮食储藏仓按比例缩小而成，实际仓尺寸为长×宽×高=40m×20m×16m缩尺比例采用20∶1得到实验仓的尺寸为2m×1m×0.8m。考虑到流动的运动相似和动力相似，通

3

风量也按实际工程中25m/(h·t粮食)

条件，送风温度按太阳能辅助热泵系统的实测温度输入(图4)，输入空气的绝对湿度也按实测数据输入(图5)。初始时间步长是△t=0.5s，待计算稳定后取△t=10s。离散格式时间导数采取一阶迎风格式，空间导数采用一阶迎风格式，压力速度耦合采用phase－coupled－simple

。

～40m3/

(h·t粮食)进行设计

。

图1

2.22.2.12.2.2

数值模拟方法初始条件

实验粮仓模型

图4

小麦的初始温度为20℃，初始

数值模拟中进风口采用速

CFD模拟的温度条件

水分为17.65%(干基)。

数值模拟方法

度进口边界条件，送风速度为1.5m/s，排风口采用自由出流边界条件，粮仓的外壁采用壁面边界条件。模拟时送风温度和空气绝对湿度采用瞬态边界

3模拟结果及讨论

图6是通风12h粮仓内部温度场X方向0.1m、

0.3m、0.5m、0.9m处的剖面图，发现靠近粮仓壁面的空气温度较低，这是由于此时外部综合温度低，粮仓向外部传热的缘故，此时只有底部粮食的

第41卷太阳能辅助热泵干燥粮食的数值模拟研究·9·

处的剖面图，图中空气绝对湿度大的地方表明干燥

进行强烈，大量的水分蒸发变成水蒸气进入空气

中。图9是通风12hZ=0.5m处空气绝对湿度，

粮仓两侧壁处的空气绝对湿度较低是出风口的缘

故

。

温度略有上升，空气流过粮食后温度迅速下降。图

7是Z=0.5m处的温度场，从图中可以看出空气在

入口处温度最高，进入粮食层时近似相等，粮食温

升及水分蒸发需要的热量全部来自空气，空气温度

迅速降低，当空气与粮食达到热湿平衡后，温度不

再降低，空气离开粮食层后由于外部温度较低，将

热量传递给外部环境。图8是通风12h粮仓内部空

气绝对湿度X方向0.1m、0.3m、0.5m、0.9

m图10通风150hZ=0.5m处温度场图10是通风150hZ=0.5m处温度场，从中可以看出送风口处的温度低于风道内的温度且不是初始送风温度303K，这说明送风温度开始降低，所以模型中设定变化的送风温度是有效的，此时粮食平均温度为295K。图11是通风150hZ=0.5m

·10·粮食储藏2012(2

)

基)对应的湿基水分为12%，工程上一般认为12%(湿基)为粮食的安全储藏水分，此时可以发现粮食水分分层现象，下部粮食过干，而上部还未达到干燥要求

。

处速度场，速度分布表明实验仓底部预留的风道很好的起到了静压箱的作用使进入粮食的空气尽可能均匀，有效保证处于相同高度的粮食干燥环境一致。图12是通风150hZ=0.5m处空气绝对湿度，入口处的绝对湿度比风道内高，底层小麦温度和小麦间空气的绝对湿度与风道内空气温度和相对湿度是相同的，可以判断出此时底层小麦所含的水分是平衡水分。图13是通风150hZ=0.5m处小麦的水分分布，此时小麦的平均水分含量为13.6%(干图14是通风482h小麦水分剖面图，从中可以看出此时小麦的最大水分含量是12%，图中左右两个壁面处上层的小麦水分比中间处上层的小麦水分高，这主要是由于壁面温度较低使靠近壁面处的干燥速率较低造成的。图15是通风482hZ=0.5处的小麦水分场，从中可以看出小麦的水分由底层向高层逐渐升高，图中底层的小麦水分含量已经远远低于12%，处于过干状态。图16是通风482h空气

第41卷太阳能辅助热泵干燥粮食的数值模拟

研究

·11·

通风482hZ=0.5m处空气绝对湿度

绝对湿度剖面图，从中可以看出送风口的空气绝对湿度最低，小麦层上部空气绝对湿度较高。图17是通风482hZ=0.5空气绝对湿度，底层风道内的空气绝对湿度不相同。粮仓顶部空气绝对湿度较大是由于空气向上扩散，在顶部聚集，仓顶外部综合温度较低，且出风口位置较低使上部空气流速较低造成的。

小麦平均水分模拟值与实验值对比

最大差值为1℃，满足工程上的要求。误差产生的原因是温度测量时有误差，而且模拟过程中使用的小麦的有效导热系数、比热容都是定值，但实际情况中小麦的导热系数与小麦的含水率和温度有关，小麦的比热容也与小麦的含水率有关，模拟过程中考虑了送风温湿度的变化，但与实际情形还是有一定的差距，并且模拟过程中没有考虑小麦自身的产热问题。

图19是小麦平均水分模拟值与实验值对比，从中可以看出前200h实验结果与模拟结果吻合较好，200h后实验结果开始偏离模拟结果，模拟结果显示通风150h后小麦达到安全水分13.6%(干基)，而实验结果在135h后达到13.6%(干基)。实验结果偏离模拟结果的原因是模拟过程中空气流过小麦，干燥假设瞬间完成而实际情形中空气流过小麦并没有达到热湿平衡，即实际干燥过程比模拟过程进行的慢，再加上小麦从实验仓中取出时由于温度的降低，空气相对湿度变大导致小麦吸湿，这样使得实验结果比模拟结果偏大。

图19

图17

4实验结果与模拟结果对比

粮食温度采用粮食数字测温仪测定，每天早上

6时到晚上18时每隔2个小时测量1次。粮食水分采用扦样器从实验仓中取样然后用粮食水分测定仪快速测定粮食水分，同样是每天早上6时到晚上18时每隔2个小时测量1次

。

5

图18

小麦平均温度模拟值与实验值对比

5.1

结论

本文运用CFD方法模拟了太阳能辅助热泵干

图18是小麦平均温度模拟值与实验值对比，从中可以看出前100h实验结果与模拟结果吻合较好，100h后实验结果开始偏离模拟结果，且最后模拟结果比实验结果略高。实验结果与模拟结果的总趋势基本相同，而且图中实验结果与模拟结果

的

燥小麦过程中温度和水分变化的情况，模拟过程采用瞬态边界条件，输入的送风温度、空气绝对湿度和室外综合温度都是变化的，这在很大程度上再现了干燥过程所处的真实情况，使得模拟结果更加准确。5.2

通过对模拟结果分析发现，由于粮食是静止