太阳能辅助热泵干燥粮食的数值模拟研究

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1、第41卷太阳能辅助热泵干燥粮食的数值模拟研究·7·殗檱檱檱檱檱檱檱檱殗檱檱粮食储藏技术檱檱殗檱檱檱檱檱檱檱檱殗太阳能辅助热泵干燥粮食的数值模拟研究1211王双凤尹明山郭振宇白忠权(1山东建筑大学热能工程学院山东济南250101)(2山东建筑大学校长办公室山东济南250101)摘要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

2、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。关键词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安全的重要因素。含水率高的粮食容易发生霉变不易［1］方程储藏，所以必须对其进行干燥。目前，国外Gastón［2］A.，IguazA，Junyewang，FreerM.W.等人根据谷粮堆内部热湿耦合传递的控制方程如下:物的水分等温吸附方程和热质平衡理论建立了扩散型连续性方程［7］:的热湿耦合传递模型，把谷物吸湿

3、解吸湿的相变潜热(ερa)+·(ρau)=0(1)作为热湿传递控制方程的源项，模拟分析了塑料袋装［8］水分迁移方程:和仓储土豆或蔗糖的温度和水分随外界气温变化而变(ερaw)－化的规律，模拟结果与实验结果基本相符。国内该方+·(ρauw)=·(ρaDefft［3］面的研究起步较晚，王双林、曹崇文等建立了粮w)+Sw(2)食干燥的数学模型，并对干燥通风过程中粮食水分的能量方程:变化规律进行了模拟研究。杨国锋、代建国［4］等利HwT［ρaεca+ρg(1－ε)(cg+cwW+)］+Tt用谷物的传热传质以及干燥速率方程，建立了低温谷－2ca·(

4、ρauT)=keffT+Sh(3)物干燥模型，分析了空气温度和湿度对谷物干燥过程动量方程:［5～6］的影响。王远成，段海峰等基于多孔介质热质传uPμ递理论对冷却干燥通风过程中粮仓内粮堆温度和水分+(u·)u=－+·(u)+tρaρa的变化规律进行了数值模拟研究。本文采用数值模拟S(4)i的方法，利用太阳能辅助热泵技术进行粮食干燥，采其中，ε为孔隙率，ρa是空气密度，ρg是粮堆用瞬态边界条件研究干燥过程中粮堆内部热湿传递特的密度，u是空气的表观速度或达西速度。P是压性，研究结果有助于把握干燥时机，指导干燥实践。力，t是时间，是微分算子，Si是动量方程

5、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物理模型和数值模拟方法2.1物理模型实验粮仓尺寸为1m×2m×0.

6、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0.05条件，送风温度按太阳能辅助热泵系统的实测温度m的排风口供空气流出，实验粮仓顶各开有采样孔便输入(图4)，输入空气的绝对湿度也按实测数据输于检测粮食温度和水分。采用太阳能辅助热泵系统加入(图5)。初始时间步长是△t=0.5s，待计算稳热空气，如图3。本文的实验仓是依据相

7、似原理设计定后取△t=10s。离散格式时间导数采取一阶迎风而成的，几何尺寸根据实际中的粮食储藏仓按比例缩格式，空间导数采用一阶迎风格式，压力速度耦合小而成，实际仓尺寸为长×宽×高=40m×20m×16采用phase－coupled－simple。m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33风量也按实际工程中25m/(h·t粮食)～40m/(h·t粮食)进行设计。图1实验粮仓模型2.2数值模拟方法图4CFD模拟的温度条件2.2.1初始条件小麦的初始温度为20℃，初始3模拟结果及讨论水分为17.65%(干基)。2

8、.2.2数