环境湿度场与不同包装种子含水率的研究

段洁利，吕恩利，邱 汉，张馨予，赵文锋，刘 伟，陆华忠,2

(1.华南农业大学 a.工程基础教学与训练中心；b.工程学院；c.电子工程学院，广州 510642；2.广东省农业科学院，广州 510640)

0 引言

空气湿度控制是仓储生产中的重要环节，尤其在南方多湿条件下，仓储除湿可有效保证物资贮藏质量[1]。谷物及种子对贮藏环境湿度有较为严格的要求，种子的含水量直接受环境中相对湿度的影响，控制环境的相对湿度、降低种子的含水量可适当保持种子活性，延长种子贮藏寿命[2-4]。种子贮藏环境的降湿比降温相对较易, 造价也低。目前，科研人员大多采用CFD软件模拟库体内温度场和速度场的分布，而有关除湿过程中的湿度场分布情况及贮藏物水分影响因素的文献较少。COMSOL Multiphysics以计算性能高、能进行多物理场耦合等优点近年来得到较多的关注[5-6]。Huang Zhi等人[7]采用COMSOL模拟大豆粉的干燥过程。许明杰等[8]采用COMSOL建立一个耦合CO变换反应传质、传热、动量传递和化学反应的二维轴对称拟均相固定床反应器模型。因此，基于COMSOL Multiphysics可以进行流场数值模拟，了解除湿过程中湿度的变化情况和分布规律。

本文以基于压差原理的贮藏箱体为研究对象，以杂交水稻种子为试验物料，基于COMSOL Multiphysics 5.0，通过k-ε湍流模型、多孔介质模型和稀物质传递模型等对除湿过程湿度场和不同包装种子在不同湿度场中不同时间的含水率进行数值模拟，得出不同包装种子在不同湿度下贮藏7天后的湿度场云图。

1 物理模型

除湿系统试验平台结构如图1所示。箱体尺寸为1.60m×1.10m×1.50m(长×宽×高)。在风机作用下，箱内空气由顶部回风道进入制冷室，通过蒸发器，将降温气体通过开孔隔板进入贮藏室，实现降温循环；同时，空气在除湿机作用下也沿此循环。抽湿机(DY-618LV/A德业除湿机，广州昊德仪器有限公司)靠近开孔隔板，通过箱体外控制电箱调节贮运室中的相对湿度；试验平台主要由执行机构、可编程控制器、温度传感器及相对湿度传感器等组成。通过传感器监测箱体相应的温度和相对湿度，可编程控制器控制执行机构的开启与关闭，从而根据试验要求调节箱内的环境，实现智能化。其中，温度传感器精度±0.3℃，测量范围-20℃～80℃；相对湿度传感器精度±3%，测量范围0～100%。

试验物料为杂交水稻种子，种子外形完好，无病虫害，色彩光泽正常。设定箱体贮藏温度为15℃，设置5个湿度水平(W1为<35%±3%,W2为50%±3%,W3为65%±3%，W4为80%±3%，W5为>95%±3%)，即5个相同的试验平台同时运行，采用不锈钢盘(散装)、牛皮纸袋、编织袋、塑料袋及铝箔袋5种包装形式。每个试验平台内有1个0.83m×0.64m×0.21m(高×长×宽)的5层货架，每层放装1kg的2袋种子，每层包装不同。种子袋布置图如图2所示。每天同一时间在不同湿度的平台内从不同包装的袋内各取样一次，测量其含水率作为试验值。根据邵学良文献[9]，种子含水率选用整粒法来测量，国外文献报道已普遍使用此方法进行测试[10]。种子初始含水率为11.28%，试验中对各湿度环境的能耗进行了统计。

1.回风道 2.压差式箱体 3.进气阀 4.继电器盒 5.可编程控制器 6.无纸记录仪 7.冷凝器 8.压缩机 9.排水管 10.补水箱 11.进水管 12.积水槽 排气阀 13.加湿器 14.开孔隔板 15.检测温度传感器 16.汽化盘管 17.蒸发器 18.风机安装版 19.风机 20.传感器盒 21.抽湿机 22.排气阀 23.气流导轨 24.抽湿机控制箱

1.贮藏室 2.货架 3.不锈钢盘装 4.牛皮纸袋包装 5.编织袋包装 6.塑料袋包装 7.铝箔袋包装

选取箱体所在中纵截面，通过AutoCAD进行二维建模，运用COMSOL Multiphysics5.0软件对模型结构进行网格划分，采用三角形网格和自由网格划分方法离散求解域，如图3所示。

图3 贮藏箱体网格模型图Fig.3 Grid model of storage and transportation chamber

2 数学模型

为简化模型和方便计算，对模型进行了如下假设[11-14]：

1)假设气体为牛顿流体；

2)箱体内部气体在流动过程中不可压缩，符合Boussinesq假设；

3)假设该箱体结构密闭绝热。

通过k-ε模型、多孔介质模型和稀物质传递模型，对各不同湿度箱体的流场变化进行仿真计算。控制方程采用有限体积法的通用控制方程，稀物质传递模型扩散系数为e-9m2/s，其不同包装多孔介质模型扩散系数如表1所示，k-ε模型经验常数如表2所示[15]。

表1 多孔介质模型流体扩散系数Table 1 The fluid diffusion coefficient of porous media model m2/s

表2 k-ε模型中采用的经验常数Table 2 Coefficients of model k-ε

3 边界条件设置及求解

根据求解公式[15]对贮藏箱体进行雷诺数计算，得到雷诺数Re均达到103以上，该模型适用雷诺数紊流模型[16]。

Re=UL/ηk

(1)

其中，U为截面平均速度(m/s)；L为特征长度(m)；ηk为流体运动学黏性系数(m2/s)。

3.1 入口边界条件

箱体内除湿机工作时，从开孔隔板中部出来进入箱体贮藏室的是干空气，定义此口为入口。入口速度为7 m/s，温度15℃。输入紊流参数为湍流强度I和水力直径DH。湍流强度I计算公式为[17]

I=0.16(ReDH)-1/8

(2)

式中ReDH—以水力直径求出的雷诺数。

干空气入口条件采用质量流量，通过试验测得15℃时的除湿量约为0.014g/s。参照文献[13]方法，将相对湿度转化为水蒸气的摩尔浓度输入。

3.2 出口条件

湿空气顺着顶部回风道流出贮藏室，定义回风道口条件为压力出口。

3.3 货物单元

试验物料为不同包装的水稻种子，为简化运算，文章将种子和包装袋看作是一个货物单元，并令该单元为多孔介质模型，货物内部为层流模式。物性参数值如表3所示。

表3 物性参数设置Table 3 Setting of material parameters

3.4 求解设置

运用COMSOL Multiphysics瞬态求解器进行求解，设置环境重力加速度为9.8m/s2，设置时间步长1s。结合试验，设回风口风速为7m/s。在贮藏室前部开孔隔板相应尺寸处设置湿度监测点，当相对湿度达到35%时停止迭代[18]。种子含水率模拟设置环境重力加速度为9.8m/s2，设置时间步长0.2d，贮藏时间到达7d时停止迭代计算。

4 模拟结果分析与试验验证

4.1 箱体内不同包装不同相对湿度种子含水率与湿度场云图分布

4.1.1不同相对湿度环境对相同包装水稻种子含水率的影响

设定贮运环境温度为15℃，所有种子都放在箱体内货架上的不锈钢盘中，依次改变相对湿度环境，通过comsol 迭代计算，到达7d时停止迭代计算。不锈钢盘装的种子在不同相对湿度下种子含水率同湿度场云图如图4所示。

由图4(a)、(b)、(c)可以明显看出：环境相对湿度越大，包围在种子周围的水气浓度越大，与盘内的低水分含量的种子形成一定的水势差；随着时间的变化，环境中的水分就会在此水势差作用下进入到种子内部，导致种子含水量升高。从图4(d)、(e)可看出：随着相对湿度的降低，种子周围的水气含量逐渐降低；当低于种子内部的水分含量时，种子会在水势差的作用下向周围环境失水，从而使种子的含水率逐渐下降；50%以下相对湿度环境下，不锈钢盘装的种子能保持自身的含水率而变化较小。当然，低湿干燥环境利于种子的保存。试验表明：环境相对湿度越低，抽湿的能耗越高。综合考虑， 50%的相对湿度环境综合效果较好。

4.1.295%高湿环境对不同包装水稻种子含水率的影响

为了模拟南方的高湿环境(95%以上)，采用上述同样的方法迭代计算，得其对应的湿度云图,如图5所示。由图5可知：高湿环境下，尽管铝箔袋和塑料袋周围有很高的水汽，但包装内的种子仍能保持较低的含水率。这是因为两种包装对水分有较好的阻隔作用，在此阻挡下包装内外的水势差难以形成通路，包装内种子与环境间的水分交换少，导致种子含水率变化较小。从模拟数据可知，平均吸湿速率仅有0.2×10-2mol/d和0.36×10-2mol/d。不锈钢盘装的种子周围的水汽含量较大，由于敞开着口对水分的阻碍小，种子会在水势差的作用下与环境间的水分进行较多的交换，导致盘内种子的含水率升高，其平均吸湿速率可达1.79×10-2mol/d。在盘界面处出现的低湿是由于模拟是在静止状态下进行，种子吸收界面的水分而使界面处相对湿度较小还没来得及和外界进行交换造成的。因此，高湿环境下，铝箔袋和塑料袋包装可以较好地阻隔湿环境中的水分进入种子内部。

4.1.335%超干环境对不同包装水稻种子含水率的影响

对35%超干燥环境进行迭代计算，其对应的湿度云图如图6所示。

由图6可知：不锈钢盘、牛皮纸袋包装的种子颜色与环境颜色没有形成明显的对比，种子内部的水分较多地与周围环境进行了交换进入到周围环境中；界面处之所以水分含量较高，是因为在贮运过程中种子内部释放的水分到达界面处由于接触界面面积较小暂时没来得及与周围环境进行交换造成的；种子的含水率总体表现在逐渐下降，其两种包装的平均除湿速率分别是0.68×10-2mol/d、0.45×10-2mol/d。铝箔袋和塑料袋装的种子含水率基本保持原来状态，水分被隔绝在包装袋内，没有和外界环境进行交换，其阻隔率达97.06%。但无论何种包装，种子的含水率都仍在12%安全贮藏范围内。因此，超干环境下包装对种子含水率的影响较小。贮运7天后发现：此箱的除湿机耗电达91.75kW·h，而50%相对湿度耗电仅为22.04kW·h，前者耗能大概是后者的4倍多。

4.2 试验验证

为验证模拟结果是否准确，通过调节箱体贮运室内温度为15 ℃，湿度为对应的5种湿度，采用5种不同的包装，进行了不同包装、不同湿度环境种子含水量的试验。每天测量1次各种环境下种子的含水率，用无纸记录仪监控记录贮运过程中纵截面上各点的湿度变化。从模拟结果中取出测试点对应的种子含水率值，与试验值进行对比，结果如图7所示。

由图7(a)可知：贮藏过程中，散装种子在不同湿度环境下模拟值与试验值随时间变化的规律基本吻合，模拟值与试验值种子含水率最大偏差值仅为1%；在50%以上的相对湿度环境中，从第1天到第5天，种子含水率模拟值与试验值吻合度较好，最大偏差值小于0.4%。环境湿度越大，种子的吸水速率会越大，50%相对湿度环境下种子的含水率处于一个相对平衡状态。

由图7(b)可知：高湿环境下，包装对种子含水率的影响较大，不同包装种子含水率测试点的模拟值与试验值随时间变化规律基本一致，模拟值与试验值的最大偏差值仅为0.5%；不锈钢盘装的种子平均吸湿速率能达到1.79×10-2mol/d，铝箔袋包装的种子平均吸湿速率仅有0.2×10-2mol/d，两者相差约9倍。

由图7(c)可知：超干环境下，包装对种子含水率的影响没有高湿环境下明显，测试点种子含水率模拟值与试验值出现了一定的偏差，但最大偏差也仅为1.2%。由于塑料袋和铝箔袋的阻隔作用，种子含水率降低速率明显低于其余3种包装。塑料袋和铝箔袋包装种子含水率试验值稍偏高的原因是：除湿机的不停运转使箱体内的空气温度升高，导致这两种包装的袋子内微小环境温度升高，种子内的水气不能及时排出袋子外面，致使种子含水率略有些偏高，而其余3种包装直接与干燥空气进行了交换出现含水率偏低的情况。

5 结论

1)高湿环境下包装对种子含水率的影响较大。95%高湿环境下散装的种子平均吸湿速率可达1.79×10-2mol/d，铝箔袋包装平均吸湿速率仅有0.2×10-2mol/d，是散装包装的1/9；高湿环境下宜采用水分阻隔率较大的铝箔袋或塑料袋包装，利于种子的贮藏。

2)35%超干燥环境下，散装的种子平均解吸速率可达0.68×10-2mol/d，贮运7天后含水量降到9%左右；而50%相对湿度环境水稻种子的含水率基本稳定在11.5%，前者能耗是后者能耗的4倍多。因此，50%相对湿度环境适于种子贮藏。

3)从模拟值与试验值对比来看，不同湿度环境、不同包装种子含水率模拟值与试验值随时间变化的规律基本吻合，模拟值与试验值最大偏差仅为1.2%。由此表明，该模型是有效的。