基于熱泵的大豆低溫干燥儲存系統設計

方啟，張良，李昊玥，周漢濤

基于熱泵的大豆低溫干燥儲存系統設計

方啟，張良*，李昊玥，周漢濤

（上海理工大學，上海 200093）

針對環境溫濕度變化以及大豆種子呼吸作用在儲存室內引起的結頂、結塊現象，造成儲存過程中出現霉變或發芽等問題，基于熱泵系統為大豆育種樣本設計一套低溫干燥儲存系統。通過數學模型計算各部件負荷，利用CFD模擬仿真技術選擇合適的氣流組織形式，然后對設計的系統送風溫濕度穩定性、儲存室內送風均勻性以及溫度均勻性進行試驗分析。基于單側送風+對側回風氣流組織設計的系統，在工作過程中，送風溫度波動范圍為±1 ℃，相對濕度波動范圍為±4%，室內最大溫度偏差為1.8 ℃，室內送風速度小于2 m/s。基于合理的選型設計計算以及送風組織布置，結合育種樣本長期儲存的環境需求，設計了能夠提供理想環境的控制系統，均勻的溫度場以及氣流分布在確保了樣本儲存質量的同時，有效降低了人工倒倉成本。這一設計能夠為育種研究提供可靠的技術支持，對推動農業發展產生積極影響。

熱泵；恒溫；品質；干燥；數值模擬；育種

中國是重要的糧食生產與消費大國[1]，育種在我國農業中扮演著關鍵角色，為國家的糧食安全和農業的可持續發展做出重要貢獻。隨著我國大豆儲量增加以及育種技術發展，對儲存處理的環境精度需求日益增加[2]。在大豆種子本身呼吸作用、環境溫濕度變化等多方面因素的共同作用下，育種儲存室內易發生結露、結頂等問題，導致大豆批量出現提前發芽或者霉變的現象[3]，造成大量經濟損失，對育種研究造成嚴重的影響。因此，為緩解發芽以及霉變[4]現象，傳統存儲過程中需定期進行倒倉和滅菌[5]從而避免儲存室內溫濕度的大幅度波動，防止倉壁出現結塊結頂，但是，這種方式在消耗大量人工成本后仍無法保證育種樣本的長期儲存安全[6]，并不適合育種等儲存需求的環境[7]。因此，當前急需一套低能耗的恒溫儲存系統，提高育種貯存質量、降低系統能耗、減少儲存過程中的損耗。這不僅有利于減少儲存過程中的人工投入成本，對國家的糧食安全也有著重要的意義。

熱泵是一種將低品位熱能轉化為高品位熱能的高效設備[8]，較高的能源利用效率使其在建筑和工業等恒溫控制領域得到廣泛應用。眾多學者針對恒溫熱泵系統提出了大量優化方案[9-10]。王江標等[11]借助CFD（Computational Fluid Dynamics）軟件對恒溫室內氣流分布進行了氣流分布模擬，提出了水平單向送風以及分區送風對室內溫度均勻性有著積極意義。Zhang等[12]基于分程控制策略研制了一種新型THIC（Temperature and Humidity Independent Control）裝置，實現了30%～50%的節能效果。劉曉宇等[13]通過理論分析和CFD模擬，針對高大空間空氣流場組織優化，提出了風管伸入靜壓箱、從底部向上送風等優化氣流組織和獲得均勻速度場的方法。Huang等[14]利用CFD軟件對干燥間的氣流傳熱情況進行數值模擬，提出了顯著縮短死角處干燥時間的優化設計方法，有效提高干燥效率。國內外學者的研究指出，要實現溫度控制的穩定、高效和節能，合理的熱泵系統設計是關鍵，熱泵系統能有效地組織系統產生的熱能，提高能源品味并加以利用，而有效的送風設計能確保氣流速度和溫度在空間里均勻分布，這兩方面都是實現恒溫控制的重要基礎。隨著近年來高效節能恒溫熱泵系統技術的逐步成熟，技術成本的下沉為其引入育種儲存工藝創造了有利條件[15]。

因此，本文針對大豆育種樣本儲存環境的溫濕度需求，基于熱泵設計一套低溫干燥儲存系統，提高大豆育種樣本儲存周期的同時，以較低的能耗避免了倒倉的人工成本，減少了樣本存儲損耗。該系統采用半開式空氣循環，通過合理組織熱泵蒸發器冷源以及冷凝器熱源，保證系統高效的同時降低了使用能耗；通過合理的氣流組織，控制干燥儲存室內氣流場溫濕度的均勻性，確保種子的儲存品質。這一設計能夠為育種研究提供可靠的技術支持，對推動農業發展產生積極影響。

1 系統原理

恒溫干燥儲存系統主要由熱泵系統、干燥儲存室兩部分組成，系統原理如圖1所示。干燥空氣自儲存室側上方進入，在托盤內種子表面形成擾動，通過破壞表面邊界層，推動大豆種子樣本與空氣間的水分遷移，保證大豆種子樣本處于干燥，空氣自下側方排氣口流出后，空氣首先在蒸發器作用下降溫至露點實現除濕，同時為保證種子細胞活性以及耐儲性，空氣在冷凝器作用下，再次升溫至干燥儲存所需溫度。

圖1 低溫干燥儲存系統

2 系統設計

2.1 設計要求

本文設計的熱泵系統為滿足大豆育種樣本儲存需求，具備干燥、恒溫等功能，使得樣本獲得準確、均勻的儲存條件，滿足儲存環境需求，儲藏室結構如圖2所示。

圖2 干燥儲存室結構

干燥儲存室尺寸為4.5 m×2.5 m×5 m（長×寬×高），主要用于育種樣本長期儲存過程，配置有用于集件和循環運輸的輥式孔板托盤運輸系統，利于內部空氣循環流動。在儲存過程中，室內送風參數穩定性以及溫度場的均勻性是保證樣本儲存品質的關鍵，準確的溫濕度控制是預期工藝效果實現的保障。因此，熱泵系統需要向干燥儲存室內提供穩定的送風參數，保證儲存室內溫度場以及氣流場的均勻，減少環境參數變化造成的損失，保證大豆樣本活性。干燥系統技術要求如表1所示。

表1 干燥系統技術要求

Tab.1 Technical requirements for drying system

2.2 空氣循環數學模型

空氣處理的目的是為干燥儲存提供合適的溫濕度送風參數，并及時排走儲存室內的余熱余濕。由于環境參數隨季節不斷變化，在高溫高濕的條件下，儲存室濕負荷增加，易出現樣本增濕結塊的現象。為了提高系統的經濟性以及環保性，設計為一次回風系統，新風僅作為補充正壓所用，將室內回風（N）與新風（W）預混后，經過蒸發器進行降溫除濕（L）后，在冷凝器等濕加熱至送風狀態點（O）后送至室內。

圖3 空氣處理過程

干燥儲存室熱負荷：

室內熱負荷要求的風量：

室內濕負荷要求的風量：

送風風量：

式中：1為傳動機架等設備散熱，約為0.3 kW；2為種子呼吸作用，W；3為圍護結構漏熱，W；4為水蒸氣潛熱，W；1為室內熱負荷要求的風量，m3/h；p為送風氣流的比定壓熱容，kJ/(kg·K)；為送風氣流的密度，kg/m3；Δ為送風溫差，取3 ℃[17]；2為室內濕負荷要求的風量，m3/h；Δ為送風含濕量差，g/kg；為設計送風量，m3/h；為取最大值；Δ為維持正壓所需補風量，m3/h。

2.3 熱泵系統數學模型

蒸發器最大所需冷量：

冷凝器最大所需熱量：

制冷劑循環質量流量：

理論能效比：

系統能效比：

式中：g為冷凝器最大所需熱量，kW；w為新風空氣焓值，kJ/kg；o為送風空氣焓值，kJ/kg；d為蒸發器最大所需冷量，kW；c為新風與回風混合后空氣焓值，kJ/kg；L為除濕后空氣焓值，kJ/kg；0為單位質量制冷量，kJ/kg；1為蒸發器出口制冷劑焓值，kJ/kg；4為蒸發器入口制冷劑焓值，kJ/kg；0為壓縮機單位理論功，kJ/kg；k為單位質量冷凝熱，kJ/kg；m為制冷劑循環質量流量，kg/s；為熱泵系統理論制熱系數；el為壓縮機輸入功，kW；i為壓縮機指示效率；m為壓縮機械效率；mo為電動機效率。

3 系統參數

3.1 空氣循環

依據上述系統數學模型，參考極限使用環境參數，對影響系統功能的主要參數：干燥儲存室熱濕負荷、最小需求循環風量、空氣循環以及熱泵制冷劑循環參數進行確認，為系統各部件選型提供理論依據。設計參數如表2所示。

表2 設計參數

Tab.2 Design parameters

基于儲存溫度、環境溫度以及散濕量等給定參數，通過上述數學模型計算干燥室內熱濕負荷為1.25 kW，送風量為2 200 m3/h。在此基礎上，確認空氣循環參數如表3所示。

3.2 熱泵系統

基于上述空氣循環參數需求，確定熱泵系統運行狀態中的蒸發以及冷凝溫度，保證蒸發器除濕能力的同時適應變溫熱源，最終選用循環工質為非共沸低溫制冷劑R404A（R125a/R43a/R34a，44/4/52）。考慮傳熱溫差，故選取蒸發溫度為?5 ℃、冷凝溫度為48 ℃，取過冷度為8 ℃、過熱度為5 ℃，理論制冷循環詳細參數及壓焓圖[18-21]如表4和圖3所示。

表3 空氣處理過程各點狀態參數

Tab.3 State parameters of each point in air treatment

表4 理論制冷循環詳細參數

Tab.4 Detailed parameters of theoretical refrigeration cycle

圖3 理論制冷循環壓焓

Fig.3 Theoretical refrigeration cycle pressure enthalpy

4 送風設計

為了滿足恒溫以及充分除濕的設計需求，干燥儲存室初步選擇上送下回、頂送側回的氣流組織方式。為保證儲存室內速度場、溫度場均勻性，送風口設計為滿布率孔板，回風口采用條縫形[22]。初步設計為如圖4所示的5種氣流組織形式。

利用CFD數值模擬對上述設計方案進行選型，對模型進行了合理假設和簡化，房間尺寸為5 000 mm× 2 500 mm×4 500 mm，空氣通過送風口均速流入，托盤尺寸為4 700 mm×1 700 mm，居中放置，堆放厚度為10 mm，板間距為100 mm，忽略門窗漏風和機械傳動結構，且考慮氣體參數變化較小，將各項參數滿足理想氣體狀態方程。在模擬中，最大尺寸及這些假設和簡化旨在保證結果可靠性的同時提高模擬計算效率。

借助CFD仿真軟件模擬氣流組織形式對儲存室內氣流場均勻性的影響，計算結果如圖5～9所示。圖5～9為=1.25 m截面的速度矢量圖。圖5為頂部送風+兩側底回風的速度矢量圖。由于屋頂空間受限，頂部兩側布置送風口在穩壓層內形成渦流，渦流區域所對應孔板處的氣流方向與孔板的夾角小于90°，這就導致經過孔板后的氣體流速均勻性較差。圖6為單側送風+兩側底回風的速度矢量圖。由于風量要求和室間結構限制，單側送風變為受限射流，具有貼附射流的特征，在靠近送風口處這就易造成如圖6左上角所示的渦流，嚴重影響氣流分布的均勻性。圖7為兩側送風+兩側底回風的速度矢量圖。由于回風口設置在室兩側，中間氣流易造成短路現象，導致除頂層樣本外的上層樣本中心區域基本沒有氣流流過，對氣流分布均勻性產生不利影響。圖8為單側送風+同側回風的速度矢量圖，盡管在送風口下方會產生渦流，但這種方案對干燥儲存室內送風的大小和方向在均勻性上明顯改善。圖9為單側送風+對側回風的速度矢量圖。由于送風氣流無法達到斜送的效果，加之樣本對空氣流動的阻礙，氣流未能完全形成“斜推”的活塞流，靠近側送風口的一側氣流速度略為降低，但這種方案對干燥儲存室內送風大小及方向的均勻性也有所改善。綜上，單側送風+對側回風與單側送風+同側回風的氣流組織形式整體效果均可達到設計要求，接下來結合實際干燥儲存工藝流程，對這2種氣流組織下的溫度場均勻性做進一步比選。

圖4 幾種方案氣流組織示意圖

圖5 頂部送風+兩側底回風

圖6 單側送風+兩側底回風

圖7 兩側送風+兩側底回風

圖8 單側送風+同側回風

圖9 單側送風+對側回風

圖10～11分別為單側送風+同側回風和單側送風+對側回風各層儲存托盤內溫度云圖。整體而言，單側送風+同側回風方案中各層托盤內溫度場均勻性控制均優于單側送風+對側回風方案。單側送風+同側回風在氣流場均勻性以及溫度場均勻性中表現均優于其他組織方案。因此，最終選擇單側送風+同側回風方案的氣流組織形式作為大豆育種樣本干燥存儲恒溫室內的氣流組織形式。

圖10 單側送風+同側回風各層樣本溫度云圖

圖11 單側送風+對側回風各層樣本溫度云圖

5 熱泵干燥儲存系統試驗分析

根據系統技術要求設計性能實驗，驗證熱泵系統能否滿足樣本存儲要求。本文選取大豆作為實驗材料，大豆平均堆積厚度為（10±1）mm，經鹵素水分測定儀（測量精度0.1 mg）測量，存儲大豆育種樣本含水率為（13±1）%。測量系統穩定運行后進出口空氣溫度和含濕量，以及房間內不同位置的溫度等關鍵參數，并進行數據處理。對實驗結果進行分析，驗證設計系統工況的穩定性、溫度場的均勻性。實驗結果如下所示。

5.1 熱泵系統穩定性

房間送風口布置精度為±0.2 ℃、±1%的溫濕度傳感器，基于labview編寫采集控制程序，數據記錄結果如圖12所示。試驗結果表明，當系統處于啟動狀態時，室內溫度在15 min內由33.40 ℃快速降至21.9 ℃，降溫速率約為0.76 ℃/min，存在一定的降溫過沖；隨后，在18 min內送風溫度快速上升至26.5 ℃，升溫速率約為0.26 ℃/min；隨即室內溫度穩定在設定值25 ℃，存在輕微的溫度波動，波動小于±1 ℃。經過長時間的運行，熱泵系統能夠在試驗工況下保持長時間的穩定運行。此外，室內相對濕度同樣呈現相應的變化趨勢，含濕量由初始時的20.62 g/kg持續下降至6.55 g/kg，并且能夠穩定在（6±1）g/kg范圍內。因此，經試驗測定，設計的熱泵系統能夠為大豆育種樣本干燥儲存環境提供穩定的送風條件，且送風參數滿足設計要求。

圖12 工況穩定性溫濕度曲線

5.2 儲存室溫度場均勻性

為了更好地監測干燥儲存室內溫度場均勻性，驗證育種樣本儲存系統送風設計的可靠性，本文結合干燥室內實際情況，在室內高度方向等間距選取15個具有代表性的測量點進行試驗測試。測量點布置圖如圖13a所示。試驗過程中各點溫度隨時間的變化關系如圖13b所示。

圖13 溫度測點布置（a）及均勻性測試結果（b）

試驗過程中，將干燥儲存室內的目標溫度設定為25 ℃，等待室內溫度場參數基本穩定后，開始監測各測量點溫度隨時間的變化關系，數據采集速率為3 min/次，通過對比不同位置采集到的溫度參數，對室內溫度場的均勻性進行研究分析，不同空間位置測點溫度分布隨時間的變化關系如圖13所示。由各點溫度隨時間變化關系的測試結果可知，儲存室內各測點溫度隨時間的波動范圍為0.2～0.6 ℃，驗證了單側送風+同側回風方案的氣流組織形式能夠控制室內溫度場穩定，為大豆育種樣本儲存提供舒適的環境參數；觀察室內同一時間各測點位置以及采集溫度，生成的溫度場自上而下呈現出逐級降低的趨勢。上部測點溫度平均值為25.436 ℃，中部測點溫度平均值為24.65 ℃，下部測點溫度平均值為24.246 ℃；測量最高值出現在點15，為25.9 ℃，測量最低值出現在點2和點3，為24.1 ℃，測試結果與數值模擬結果基本一致。室內溫度基本處于24.1～25.9 ℃，溫度場最大偏差范圍滿足（25±1）℃，滿足設計要求，保證了不同儲存位置的大豆育種樣本均處于適宜的儲存環境，減少了由于溫濕度不均引起的部分樣本損毀的問題。

6 結語

基于熱泵設計的恒溫干燥儲存系統滿足大豆育種樣本存儲過程中對溫度濕度的要求。儲存過程中，通過調整壓縮機頻率實現冷媒的循環參數控制，實現送風溫濕度穩定，溫度波動≤±1 ℃、相對濕度波動＜±4%；通過單側送風+同側回風的氣流組織方案，提高了干燥儲存室內氣流場均勻性，保證了儲存室內的溫濕度均勻性，最大溫度差為1.8 ℃。因此，設計的恒溫干燥儲存室為育種樣本的長期儲存提供了溫濕度均勻穩定的理想環境，減少了環境參數變動以及種子呼吸作用導致的結頂、結露等現象，控制了種子霉變以及提前發芽現象的發生，不僅有效地降低了人工倒倉成本，還對樣本存儲質量的保證有著積極重要的意義。這一設計能夠為育種研究提供可靠的技術支持，對推動農業發展產生積極影響。

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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

上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室（13DZ2260900）

通信作者