杨巧银 南晓红
西安建筑科技大学环境与市政工程学院
摘 要： 通过建立西安某气调库传热、 传质数学物理模型， 根据影响库内湿环境的因素， 模拟贮藏期间库内相对湿 度分布。本文结合苹果的源项及冷风机的结霜， 通过编写 UDF 程序获得苹果水分散失随库内相对湿度变化及冷 风机回风口与送风口含湿量的实时数据， 采用CFD 软件模拟苹果气调库内热质传递现象。与此同时， 研究加湿器 运行时库内相对湿度的分布， 得出改善库内湿环境的方案。
关键词： 气调库 CFD 相对湿度 冷风机结霜 加湿器
CFD
Simulation of Humidity Field and Impact of Humidification
Equipment in Controlled Atmosphere Store
YANG Qiaoyin,NAN Xiaohong
School of Environment and Municipal Engineering,Xi ’ an University of Architecture and Technology
Abstract: Through the establishment mass transfer,heat transfer mathematical model of Controlled Atmosphere (CA)
cool room storage in Xi ’ an to simulate the impact of the factors of library Relative Humidity (RH)distribution during
refrigerated storage.In this paper,in order to consider the apple ’ s source term and the frost of cooler, UserDefinedFunction (UDF)programs were written to get the data of moisture loss changing along the indoor RH and moisture content of cooler's inlet and outlet,a CFD model was developed to predict the heat transfer and airflow inside the storage room.As the same time,meanwhile,humidifier running to get RH distribution was researched,obtained improve humid environment programs.
Keywords:CA cool room,CFD,RH,Chiller frost,humidifier
收稿日期： 201659
作者简介： 杨巧银 （1989~）， 女， 硕士研究生； 西安市碑林区雁塔路13号西安建筑科技大学环境与市政工程学院 （710055）；
Email:*****************
基金项目： “十一五” 国家科技支撑计划 （2008BAJ08B071）
果蔬内部含水量较多，内部相对湿度可视为 100%，
经过研究表明气调库内相对湿度需满足90%以 上， 才能防止果蔬在长期贮藏期间水分耗散。空气湿
度越大， 库内制冷设备结霜越容易， 也越严重， 研究表 明， 当环境温度在4～+4 益之间且相对湿度>85％的
范围内结霜最为严重
[1]
， 气调贮藏环境在此范围内， 由 于冷风机结霜使得库内的相对湿度难以达到贮藏要 求。为改善库内湿环境， 气调库内设置加湿设备非常
必要，
Delete [23]
研究了冷库内不同加湿参数对库内的 湿环境的影响。Nguyen 等
[4]
研究了气调贮藏过程中库 内环境相对湿度对梨水分散失的影响。
目前研究显示， 冷藏库内相对湿度对果蔬的水分散失起到至关重要 的作用。 果蔬的贮藏要求库内的温度在0 益，
相对湿度 90%，
在此贮藏环境下， 冷风机结霜， 果蔬贮藏期间货 物的自身的水蒸气散失、 阻力作用影响库内的传热、 传 湿， 库内加湿设备的运行亦改变果蔬贮藏期间库内相 对湿度。本文分别对影响库内相对湿度的因素进行研
究， 获得库内的相对湿度变化规律， 并提出增设加湿设 备以满足苹果贮存库内湿度要求的条件。
第36 卷第3 期 2017 年3 月
建 筑 热 能 通 风 空 调
Building Energy &Environment Vol.36No.3 Mar.2017.55~59
文章编号： 10030344 （2017） 030556
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1 物理模型的建立
本文研究对象为西安某设计库容量为 50t 的实 际苹果气调库， 长伊 宽伊
高为 8m 伊 4.6m 伊 6.5m ， 货物区 长伊 宽伊 高为 6.5m 伊 4m 伊 5.2m ，具体的模型如图 1 所 示。 1冷风机； 2货物区； 3y =2.3m 截面
图1 气调库库几何模型
2 数学模型的建立
冷库中的降温与气流流动主要依靠冷风机的运 转， 冷风机出风口的气流为贴附射流， 使得库内空气
强制循环， 气体区的 Re 均能到达 10 5
， 达到紊流状态。 气流流入货物区受到货物的阻碍，气体流速迅速降 低， 通过计算可得 Re 不超过 200， 该状态属于层流状 态， 货物区的传热、 传质主要通过热传导与扩散作用。
库内的湿环境有多方面的因素的影响， 本文针对 冷库中存在降湿、 产湿的因素， 简化库内湿的计算如 下所示：
（1）
制卡式中： W 0 为冷风机的除湿量， kg/h ； W 1 为果蔬水分蒸发 造成的水分流失，
kg/h ； W 2 为加湿器造成的加湿量， kg/h ； W 3 为库内水蒸气扩散造成的水分流失， kg/h 。 2.1 气体区
同温同压下SST k 棕紊流模型控制方程
式中： k 为紊流功能； 棕为紊流比扩散率； 滋
t 为紊流粘 度； 滋为动力粘度； P k ， P k b ， P w b 为中间变量，表示由性力
产生的紊流动能和浮升力对 着 ， 棕方程的影响； 籽
为流 体密度， kg/m
3
。 SST k 棕湍流模型中气体区控制方程参数的确定
如表1所示
[5]
。 表1 SST k -棕模型中的参数
非稳态气体流动的连续性方程、 动量方程及能量 方程可用下列通用微分方程表示：
隐私保护通话式中： 渍 ， 祝 渍 ， S 渍分别是通用变量、 广义扩散系数和广义 源项； 籽 为流体的密度； 为流体的流速。 2.2 货物区
货物区连续性方程、 动量方程、 能量方程与气体区 相同， 由于果蔬自身呼吸作用、 阻碍作用的影响， 产生 热量和阻力。
2.2.1 货物区热源
苹果的呼吸热与库内气体成分、
温度、 货物的贮藏 密度等均有关系，本文库内 O 2 、 CO 2 的体积分数分别 为 21%，
0.3%， 温度为 278.15K ， 通过计算可得苹果的 呼吸热为8.5W/m
3[6] 。 2.2.2 多孔介质阻力
气体在果蔬空隙中流动受到多孔介质的阻力， 具 体包括粘性阻力及惯性阻力。 多孔介质阻力的大小可
用达西定律来表示 [7]
。
式中： 渍为孔隙率； d p 为苹果直径，
mm ； 滋为流体黏力， Pa ·s ； 自 f 为 f 向流速， m/s ； 1/琢为粘性阻力系数， 1/m
2
； C 2 为惯性阻力系数， 1/m ； 滋 为动力黏性系数， N ·s/m 2 ； 籽 f 为 流体密度，
kg/m 3
； 自 mag 为气体速度最大值， m/s 。 本文贮藏的苹果取直径70mm ，
按照实际贮存情 况推算该库货物区作为多孔介质处理时的孔隙率 渍 =0.45
，通过达西公式可得出惯性系数与粘性系数分
0123
W W W W =++ ( ) ( ) 3 t j k k b
j j k j k k U k P k P t x x x r m r m br w s éù
¶ æö ¶¶¶ ¢ +=++-+ êú ç÷ ¶¶¶¶ êú èø ëû
( )
( ) ( ) 3 2
133 2 1 21 t
j j j k j k b
j j
变压器油泵U t x x x k F P P x x k w w rw m w r w m s w w r a b rw s éù ¶ æö ¶¶¶ +=+ êú ç÷ ¶¶¶¶ êú èø ëû
¶¶ +-+-+ ¶¶ （1） （2） 系数 1 , k s 1 ,
电厂脱硫滤布w s 2
, k s 1
a α? β? 1 ,
i b 2
, i b 数值
1.176
2.0
1.0
0.31
1.0
0.09
0.075
0.0828
( )
()() div u div grad S t
j j
rj r j j ¶ +=G + ¶ v
（3）
2 1 2 f f f mag f S C m u r u u a æö
=-+ ç÷
èø
( )
23 2
1501 p
d j a j =
- ( )
2 3
351p
. C d j j - = （4）
（5）
（6）
2017年
建 筑 热 能 通 风 空 调 ·56·. All Rights Reserved.
别为1/琢 =77803.51/m 2
； C 2
=264.061/m 。 2.2.3 货物区组分输运方程源项
苹果内部与气调库内水蒸气分压力存在差异， 由 传质原理可得由苹果产生的质量源项为：
式中： k m 为综合质传递系数， kg /(m 2
· s · Pa)； P s at 为饱和
蒸气压力， Pa ； a w 为产品表面水的活性，
0.99； RH 为多 孔区内空气的相对湿度，
%； hc 为质传递系数， m/s 2
； A c 为苹果表面面积， m 2 ； h h o 为空气的热传递系数， W /(m 2
· s)； h o m 为空气的质传递系数， kg/(m 2
· s · Pa)； h s 为苹果果 皮传质系数=1.1伊 10
14 kg/(m 2
· s · Pa)； 渍为形状因子。 2.3 边界条件 根据实际运行情况设置冷风机入口为速度入口， 速度为8m/s ， 送风温度为1益。冷风机出口为自由出 流。壁面边界条件如表2，
模型参数如表3。 表2 壁面边界条件
表3 模型参数
UDF 是UserDefined Function 的简称，用户可以
在C 语言程序上编写用户自定义的函数。由于假定气
调库内单位时间冷风机单位面积结霜量为定值， 库内
环境预测采用非稳态求解器， 采用 Simple 算法进行计 算。苹果的失水量与库内的相对湿度直接相关，而库 内相对湿度是变化的量， 编写组分源项的UDF 。 2.4 UDF 程序功能
本文编写的UDF 主要有实现两个功能：
获得货物 区的产湿源相随库内相对湿度的实时变化值以及冷 风机送风口水蒸气质量分数随结霜的实时变值。
货物区的产湿源相 UDF 主要根据监测货物区的 体平均相对湿度的变化， 从而计算出引起的货物区的
产湿源项的变化。根据式 （7） 编写源项 UDF 可以真实 的反映货物区的产湿量对库内相对湿度的影响。
冷风机的出风口边界赋值 UDF 先计算冷风机在 不同的回风相对湿度条件下结霜量， 再用冷风机回风 口的含湿量减去结霜量所对应的除湿量， 即可得到出 风口处的含湿量。
3 模拟结果与分析
3.1 冷风机结霜量对库内相对湿度的影响
根据目前冷风机结霜量的测量分别测出气调库 冷风机运行时蒸发器表面的结霜量会出现单位送风 5.6伊 10 4 kg/s 、 1.4伊 10 3 kg/s 、 1.82伊 10 3 kg/s 三种可能， 分 别预测这三种情况下， 库内的相对湿度分布。
图 2为库内冷风机结霜量为 5.6伊 10 4 kg/s 时库内 相对湿度的分布，由图2 可知，
货物区内部相对湿度较 高， 相对湿度向外逐层降低。货物区的最高相对湿度 能够达到87%，库内的相对湿度在 79%~87%之间。 货物区相对湿度较高，
在82%~87%之间， 这是由于苹 果内部的水分容易向外散失， 散失的水蒸气无法及时 迁移至库内气体区， 库内的相对湿度能够保持较高的
值， 并且该货物区的相对湿度较气流区的相对湿度值 高出了18%。
图2 结霜量5.6伊 10 -4 kg/s 时 y=2.3 m 切面相对湿度分布图
100 m sat w RH S hc Ac P a æ
ö =´´- ç÷
è
ø om
h hs hc 1
1 1 + = ( ) 1
1
062 3
3 219078 1 . ho P
a h d Nu .Re .Re )pr l j j
=+=
- RT
V Le
C h h vsat
O H Pa a ho
om r r 2 3
2
=
（7）
（8）
（9）
（10）
对流传热系数/W/m
2
室外平均温度/K 厚度/m
地面 30 299.65 0.618 顶面 22 299.65 0.40 穿堂壁面 23 293.65 0.618 侧壁面
23
299.65
0.618
位置
参数名称 参数值 空气区
家庭视频电话湍流强度
水力直径/m 比热容/J/(kg∙K) 密度/kg/m
3
5% 0.4 1006 1.225
动力黏度/kg/(m∙s)
1.79×10
5
密度/kg/m
3
790
饱和蒸气压力 P /Pa 7.5×10
2
苹果表面面积 A /m 2
93.4 比热容/J/(kg∙K) 3600 传热系数/W/(m∙K) 0.422
货物区 （苹果）
传质系数/ kg/(m 2
∙s∙Pa)
1.1×10
14
杨巧银等： 气调库湿度场的 CFD 模拟及加湿设备的影响研究 第 36 卷第 3 期 ·57·
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图3为库内冷风机结霜量为1.4伊 10 3 kg/s时库内 相对湿度分布， 由于库内苹果的水分散失与库内的相 对湿度分布有关， 当库内冷风机结霜量增加， 库内相 对湿度降低， 苹果自身的水分散失量增加。库内的相 对湿度在79%~87%之间， 已经不能满足苹果贮存的要 求， 需要对库内进行加湿。
图3 结霜量1.4伊10 -3 kg/s时
y=2.3 m切面相对湿度分布
随着冷风机结霜量的增加，库内相对湿度值越 小。图 4为冷风机结霜量为1.82伊 10 3 kg/s时库内的相 对湿度分布图， 从模拟结果可知， 冷风机送风口的相 对湿度降低至58%，气流区域相对湿度在58%~62%之间。
图4 结霜量1.82伊10 -3 kg/s时
y=2.3 m切面相对湿度分布
通过蒸发器不同的结霜量对库内的相对湿度的 影响可知， 结霜量越大， 库内的相对湿度影响越大， 库 内相对湿度值越小， 苹果自身的水分散失量越多。 3.2加湿时间对库内相对湿度的影响
如不设加湿器气调库内相对湿度由于冷风机结 霜很难达到90%以上， 为保证气调库贮藏时库内的湿 环境满足贮藏的要求， 库内设置加湿设备， 本次选取 的加湿器为CIS1000型工业加湿器， 加湿器的最大流 量为 1.65伊 10 6 kg/s，流速为10m/s，加湿的喷口直径 0.1m， 设置两个喷口， 喷口处于冷风机的送风口， 加湿 器喷口流出的微小水滴在冷风机的作用下扩散并蒸 发。加湿器运行时库内有限的测点不能准确预测库内 各点的相对湿度分布， 当加湿时间过长时， 库内的相对 湿度过大， 果蔬表面会出现结露现象， 因此， 本文采用 CFD模拟研究加湿设备运行对库内相对湿度的影响， 根据库内相对湿度决定该加湿设备合理的加湿时间。
（a） 加湿30s库内相对湿度分布
（b） 加湿60s库内相对湿度分布
（c） 加湿90s库内相对湿度分布
（d） 加湿120s库内相对湿度分布
图5 加湿过程y=2.3 m截面相对湿度分布
3.2.1 冷风机结霜量为 1.4伊10 -3 kg/s 时袁加湿器对库 内湿环境的影响
本文以库内结霜量为 1.4伊 10 3 kg/s时造成的库内 相对湿度值为初始加湿条件，图 5
为气调库加湿时刻
2017年
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库内相对湿度分布， 气调库加湿器运行 30s时， 库内 相对湿度分布在87.3%~89.5%的范围内，均不能达到 苹果的贮藏范围。气调库加湿继续， 当加湿器运行 60s， 送风口处的相对湿度增加， 从加湿器出口处的水 滴蒸发增加了库内的水分质量分数， 货物中心的相对 湿度并没有变化。加湿器运行 90s时， 加湿口处的水
蒸气分压力与冷风机水蒸气分压力相同， 加湿口处的 相对湿度没有继续增加， 气流区的水分已经传入货物 区内部， 货物区的相对湿度逐层递增， 外侧的相对湿 度变化量最高， 向内相对湿度逐层递减。在加湿器运 行120s时， 货物区相对湿度已经能达90%的要求。 3.2.2 气调库内最不利湿环境状态时袁加湿器对湿环 境的影响
气调库长期运行期间，库内冷风机间歇运行， 由 于库内货物产生的热量减少，室外传入的热量不变， 制冷系统运行时间缩短， 为保证库内温度达不到设计 的上限， 制冷系统不运行， 仅靠风机运转
促进气流流 动， 蒸发器结霜量很少， 可以忽略不计。为研究最不利 情况时库内加湿器运行情况， 气调库贮藏期间库内相 对湿度最低降低为该地区最冷月平均相对湿度 67%为初始状态， 对该气调库进行加湿， 通过预测加湿时 间及库内的相对湿度分布。
从图 6~9可知，气调库相对湿度从 67%增加至 90%需要120分钟。 加湿器运行时， 库内相对湿度也随 之增加， 加湿的初始阶段， 库内货物区相对湿度变化 很快， 货物区的温度较高， 水滴流至货物区即可吸热 蒸发， 货物区温度降低、 含湿量增加， 相对湿度也会增 加。加湿器喷出粒径微小， 速度较大的水滴， 水滴进入 库内与库内气流混合， 由于自身的水蒸气分压力与气 流的水蒸气分压力的差值， 水蒸气不断的蒸发， 气流 区的相对湿度也不断增加， 由于库内货物区对气流的 阻碍，气流区含有的水蒸气与货物区的传质作用缓 慢，库内出现相对湿度由内部向外部逐层递增的形 式。随着加湿器的运行， 货物区的相对湿度变化梯度 降低， 相对湿度分布趋于均匀状态。
图6 加湿器运行10分钟y=2.3 m切面相对湿度
图7 加湿器运行40分钟y=2.3 m截面相对湿度
图8 加湿器运性90分钟y=2.3 m截面相对湿度
图9 加湿器运行120分钟y=2.3 m截面相对湿度 4总结
1） 冷风机结霜量不同时， 库内相对湿度的分布差 异很大， 从相对湿度分布特性可知， 冷风机结霜时， 货 物区外侧受到的影响最大。该研究不仅能够得出具体 的结霜量对库内相对湿度的影响， 而且可以得出库内 相对湿度的分布情况。
2） 气调库进行加湿时， 库内货物区的相对湿度由 外侧向内侧逐渐递减。库内的加湿时间与库内的初始 相对湿度直接相关， 加湿的初始阶段， 库内的水蒸气增 加速度快， 随着加湿的继续， 喷出的液滴蒸发速度降 低， 库内相对湿度变化缓慢。
参考文献
[1]王剑锋，陈光明.风冷热泵供热特性研究[J].通风除尘,1996,
(3):711
[2]Delele M A,Schenk A,Ramon H,et al.Evaluation of a chicory
root cold store humidification system using computational fluid dynamics[J].Journal of Food Engineering,2009,94(1):110121.
（下转20页）
杨巧银等： 气调库湿度场的 CFD模拟及加湿设备的影响研究
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