楊鵬 郭帥帥 賀素艷 趙有信 馬永志 尹義金

摘要： ?針對低溫冷庫進(jìn)行開門存取貨物時(shí)，存在庫門處與外界環(huán)境發(fā)生強(qiáng)烈的熱濕交換，并且隨著時(shí)間的增加造成庫內(nèi)溫度較大波動(dòng)而影響存儲(chǔ)貨物質(zhì)量的問題。本文利用ANSYS Fluent有限元分析軟件，對初始庫溫為243 K冷庫存取貨物開門過程進(jìn)行溫度場分析，同時(shí)對存取結(jié)束后庫內(nèi)降溫過程進(jìn)行溫度場分析。研究結(jié)果表明，在冷庫庫門開啟30 s，冷庫與庫外環(huán)境熱交換比較強(qiáng)烈，庫內(nèi)溫度波動(dòng)較大，且大部分在260 K以上。冷庫冷風(fēng)機(jī)開始工作前10 s，冷庫上部降溫速度要比下部快，在10 s之后冷庫上部和下部降溫速度放緩。冷風(fēng)機(jī)工作30 s時(shí)，庫內(nèi)溫度不能降低到開門以前的溫度，為了消除開門對冷庫溫度波動(dòng)的影響，冷風(fēng)機(jī)工作時(shí)間必須在30 s以上。冷庫開門時(shí)外界環(huán)境的熱濕空氣會(huì)因密度差而聚集在冷庫上部，造成冷庫上部溫度高，下部溫度低的現(xiàn)象，為了消除溫度波動(dòng)帶來的影響，庫內(nèi)冷風(fēng)機(jī)需要工作較長時(shí)間。該研究對有效控制冷庫溫度的波動(dòng)具有重要意義。

關(guān)鍵詞： ?低溫冷庫; 溫度波動(dòng); 數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)： TB661 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

隨著人們生活水平的提高以及醫(yī)療水平的不斷發(fā)展，冷庫憑借可以大規(guī)模儲(chǔ)存冷凍食品和生物樣本的優(yōu)勢成為低溫存儲(chǔ)的最佳選擇[1]。在冷庫使用過程中，由于冷庫開關(guān)門、庫體保溫強(qiáng)度、庫溫控制方式和制冷系統(tǒng)匹配度等諸多因素都會(huì)造成庫內(nèi)溫度的波動(dòng)，工作人員頻繁進(jìn)出也是造成冷庫溫度波動(dòng)的主要因素[24]。冷庫溫度不均勻性加大，會(huì)對溫度變化敏感的食品或藥品帶來不可逆的損壞。濕空氣進(jìn)入到低溫冷庫，庫內(nèi)溫度在空氣露點(diǎn)溫度以下時(shí)還會(huì)造成濕空氣在蒸發(fā)器表面結(jié)霜，降低換熱器的傳熱效率[56]，結(jié)霜嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響庫內(nèi)空氣的流通。為研究影響冷庫溫度波動(dòng)的因素，蒲亮[7]以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立了冷庫溫度場和流場數(shù)學(xué)模型，討論了冷風(fēng)機(jī)送風(fēng)速度、送風(fēng)溫度、冷風(fēng)機(jī)位置、貨物位置及貨物堆積方式對冷庫溫度均勻性的影響。而冷庫開關(guān)門對庫內(nèi)溫度波動(dòng)影響的研究也是近年來研究的重點(diǎn)，顧成華等人[8]利用VALSALA溫濕度變送器對疫苗冷庫在開關(guān)門過程的冷庫溫度場進(jìn)行測量，分析結(jié)果顯示，對于小型疫苗冷庫，開關(guān)門造成的溫度波動(dòng)最大值小于5 K，而通過改善冷風(fēng)機(jī)布置方式，可以達(dá)到疫苗存放的要求;張川等人[9]研究了冷庫開關(guān)門頻率對溫度波動(dòng)的影響，結(jié)果表明每小時(shí)開關(guān)門每減少一次，系統(tǒng)整體能耗就會(huì)降低20%左右。除了利用實(shí)驗(yàn)方法對冷庫溫度場進(jìn)行測量，運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬的方法對冷庫進(jìn)行溫度場分析也越來越普遍，謝晶等人[1011]利用Fluent有限元軟件，對冷庫開門過程進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)定狀態(tài)下的模擬分析，分析結(jié)果表明，冷庫在開關(guān)門的過程中，庫內(nèi)溫度場發(fā)生強(qiáng)烈波動(dòng)，在庫門處和庫門上部波動(dòng)更加強(qiáng)烈，當(dāng)冷庫關(guān)門之后，庫內(nèi)溫度需要很長時(shí)間才能恢復(fù)，但該文并沒有對關(guān)門之后庫內(nèi)的溫度場變化進(jìn)行分析?；谀壳按蟛糠盅芯考性陂_關(guān)門對冷庫溫度的影響上，對開門過程溫度的非穩(wěn)態(tài)變化過程研究較少，同時(shí)對冷庫關(guān)門之后非穩(wěn)態(tài)降溫過程的研究也是空缺。因此，本文基于模擬軟件Fluent，對低溫冷庫在開門過程中內(nèi)部與外界環(huán)境的非穩(wěn)態(tài)溫度變化過程進(jìn)行模擬研究，同時(shí)對存取貨物結(jié)束之后，冷風(fēng)機(jī)工作庫內(nèi)溫度的變化進(jìn)行分析，研究冷庫開關(guān)門后溫度變化規(guī)律。該研究為有效控制冷庫溫度波動(dòng)提供了理論依據(jù)。

1 模型構(gòu)建

1.1 物理模型

本研究以海爾中試?yán)鋷鞕C(jī)組為實(shí)物進(jìn)行模型繪制。保溫庫板選擇150 mm厚的聚氨酯泡沫夾心隔熱板，并在冷庫底部鋪設(shè)槽鋼，起防凍隔熱作用。實(shí)際上，庫體材料導(dǎo)熱系數(shù)很小，因此忽略當(dāng)冷庫門關(guān)閉時(shí)與外界環(huán)境進(jìn)行的熱量交換[1213]。本文重點(diǎn)研究開關(guān)門對冷庫溫度波動(dòng)的影響，而忽略冷庫內(nèi)部結(jié)構(gòu)對氣流分布的影響。模擬所用冷庫實(shí)物圖如圖1所示。冷庫模型尺寸設(shè)置如表1所示。

為了有效表達(dá)冷庫與外界環(huán)境進(jìn)行的熱量交換，在冷庫外部搭建一個(gè)長寬高為3 000 mm×1 500 mm×2 700 mm的環(huán)境區(qū)域。在Gambit軟件中進(jìn)行模型的構(gòu)建及網(wǎng)格的劃分，冷庫模型如圖2所示，網(wǎng)格劃分圖如圖3所示。將劃分網(wǎng)格之后的模型導(dǎo)入Fluent中進(jìn)行仿真計(jì)算。

1.3 邊界條件

設(shè)置外界環(huán)境空氣溫度為300 K，壁面采用第一類邊界條件，且屬于氣體無滑移狀態(tài)。設(shè)置冷庫未開門時(shí)庫內(nèi)溫度為243 K，壁面條件采用第一類邊界條件，并默認(rèn)壁面無滑移[19]。當(dāng)冷庫門打開時(shí)，將冷庫門邊界類型設(shè)為interior;當(dāng)取貨完成后，冷庫門設(shè)為wall邊界。在進(jìn)行冷庫開門溫度模擬時(shí)，其屬于封閉腔內(nèi)的自然對流，符合Boussinesq假設(shè)條件，以便于計(jì)算溫差引起的浮升力項(xiàng)[2021]。風(fēng)機(jī)統(tǒng)一采用速度進(jìn)口邊界類型，風(fēng)速為5 m/s，初始溫度為243 K。湍流強(qiáng)度為10%，水力直徑設(shè)定為0.5 m，回風(fēng)口邊界類型設(shè)置為outflow，計(jì)算過程考慮重力因素，所以勾選重力條件[22]。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 庫門開啟時(shí)間對冷庫溫度波動(dòng)的影響

三維模擬結(jié)果很難清晰得到冷庫內(nèi)部溫度變化規(guī)律，因此為準(zhǔn)確對結(jié)果進(jìn)行分析，選取冷庫中的一個(gè)代表性截面（在庫門中間處取一個(gè)縱向）作為參考面，并分別將庫門開啟10，20，25，30 s時(shí)，對冷庫附近溫度場進(jìn)行模擬和分析。庫門開啟時(shí)冷庫與外界溫度等值線如圖4所示。

由圖4可以看出，當(dāng)冷庫門開啟時(shí)，冷庫與外界高溫環(huán)境發(fā)生激烈熱量交換，庫內(nèi)溫度發(fā)生較劇烈的波動(dòng)。由圖4a可以看出，當(dāng)庫門打開10 s時(shí)，外界環(huán)境的高溫高濕空氣進(jìn)入冷庫后，因?yàn)槊芏容^小往冷庫上部進(jìn)行流動(dòng)。庫門處的溫度交換最劇烈，庫門上部的溫度最高達(dá)到外界環(huán)境的300 K，庫頂最高溫度達(dá)到275 K，同時(shí)在開啟10 s時(shí)，庫內(nèi)溫度大部分還維持在較低水平;由圖4b可以看出，當(dāng)庫門開啟20 s時(shí)，庫內(nèi)原始低溫區(qū)域面積減少一半，庫頂最高溫度達(dá)到285 K，庫內(nèi)溫度大部分在260～270 K之間。開門時(shí)間繼續(xù)延長，當(dāng)達(dá)到25 s時(shí)，庫內(nèi)溫度基本維持在265～285 K之間，原始低溫區(qū)域面積繼續(xù)減小。此時(shí)，對于庫頂位置，因?yàn)槠骄鶞囟壬呒s37 K，會(huì)對存放的貨物造成嚴(yán)重?fù)p害。當(dāng)庫門開啟30 s時(shí)，庫內(nèi)的平均溫度繼續(xù)升高，原始低溫區(qū)域進(jìn)一步減小，庫底的溫度也隨之升高。由此可以看出，當(dāng)冷庫開啟30 s及更長時(shí)間后，庫內(nèi)溫度已不能滿足存儲(chǔ)貨物的要求，為了減小庫門開啟對庫內(nèi)溫度波動(dòng)的影響，應(yīng)將冷門開啟時(shí)間控制在20 s以內(nèi)。

2.2 風(fēng)機(jī)開啟時(shí)間對冷庫溫度波動(dòng)的影響

在冷庫開啟期間，庫內(nèi)的溫度不斷升高，極大損害冷庫內(nèi)存儲(chǔ)貨物的使用價(jià)值，所以當(dāng)庫門開啟30 s之后關(guān)閉庫門，此時(shí)將冷庫門的邊界條件類型由interior改為wall，并對冷風(fēng)機(jī)開啟時(shí)對庫內(nèi)溫度的影響進(jìn)行模擬研究。同時(shí)，為了更好地觀察庫內(nèi)溫度變化規(guī)律，在Z=1 000 mm處進(jìn)行橫截面，Z=1 000 mm截面溫度等值線如圖5所示。

由圖5a可以看出，當(dāng)冷庫門開啟，冷風(fēng)機(jī)未開始工作時(shí)，冷庫Z=1 000 mm橫截面，即冷庫下部區(qū)域溫度都在260 K以上。同時(shí)，庫外溫度比庫內(nèi)溫度低，說明庫內(nèi)外氣體還要進(jìn)行進(jìn)一步的熱量交換，此時(shí)關(guān)閉冷庫門，將庫內(nèi)冷風(fēng)機(jī)打開;由圖5b可以看出，當(dāng)冷風(fēng)機(jī)開啟10 s之后，在冷庫Z=1 000 mm截面，溫度變化不是特別明顯，這是因?yàn)槔滹L(fēng)機(jī)位于冷庫上部，開啟時(shí)由于冷風(fēng)機(jī)的直吹作用，首先對冷庫上部的氣體進(jìn)行降溫，并且在冷庫中形成溫度逐漸增高的同心圓等溫線。當(dāng)冷風(fēng)機(jī)開啟20 s之后，Z=1 000 mm截面冷庫內(nèi)的溫度基本降到260 K以下，當(dāng)時(shí)間達(dá)到30 s時(shí)，溫度降至254～256 K之間，一方面是由冷庫冷風(fēng)機(jī)的降溫作用，使低溫空氣由于密度大而流向冷庫底部;另一方面，因?yàn)槔鋷斓撞康臏囟仍揪捅容^低，所以冷庫底部的降溫效果比較明顯。

同樣，為了更好地觀察庫內(nèi)溫度變化規(guī)律，在Z=2 500 mm處進(jìn)行橫截面，Z=2 500 mm截面溫度等值線圖如圖6所示。

由圖6a可以看出，截面平均溫度比Z=1 000 mm截面的平均溫度高。當(dāng)風(fēng)機(jī)開啟10 s時(shí)，溫度基本維持在260～265 K之間，與圖6b相比，降溫效果比較明顯，這是因?yàn)閆=2 500 mm截面正好位于冷風(fēng)機(jī)處，受冷風(fēng)機(jī)直接降溫的影響比較大;由圖6c和圖6d可以看出，當(dāng)冷風(fēng)機(jī)開啟20 s和30 s之后，其降溫效果不明顯，溫度同樣在255～265 K之間，與圖6b不同的是，溫度在260 K以下的區(qū)域面積增大。

由圖5和圖6可以看出，風(fēng)機(jī)開啟時(shí)，庫底溫度降低較明顯，庫頂降溫比較緩慢，當(dāng)經(jīng)過冷風(fēng)機(jī)工作30 s之后，庫底溫度可以降到256 K以下，而庫頂?shù)臏囟葏s只能降到260 K左右，所以要想達(dá)到庫內(nèi)溫度均勻，需要將冷風(fēng)機(jī)工作時(shí)間延長至30 s以后。

3 結(jié)束語

本文主要利用有限元分析軟件Fluent，對冷庫開門過程庫內(nèi)溫度的變化及關(guān)門之后冷庫冷風(fēng)機(jī)工作對庫內(nèi)溫度的影響進(jìn)行模擬仿真。仿真結(jié)果表明，冷庫開門初期庫內(nèi)冷空氣與外界熱濕空氣在門口處發(fā)生強(qiáng)烈的熱量和質(zhì)量交換，外界溫度較高的氣體會(huì)大量進(jìn)入冷庫，并且因?yàn)槊芏炔畹脑?，氣體聚集在冷庫上部，使冷庫上部溫度升溫劇烈，對位于冷庫上部的存儲(chǔ)貨物影響較大。在冷庫使用過程中，可以降低冷庫上部的貨物堆積密度，將貨物集中在貨架下部存放，同時(shí)將開門時(shí)間控制在20 s以內(nèi)，最大限度降低開門對冷庫溫度波動(dòng)的影響。冷風(fēng)機(jī)工作初始時(shí)刻，冷庫上部降溫比較快，下部因?yàn)槌跏紲囟缺容^低，降溫速度比較慢。對于冷庫后期降溫緩慢的現(xiàn)象，可以適當(dāng)增加冷風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，增強(qiáng)庫內(nèi)氣體流動(dòng)。

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