冷库不同布置方案对冷库温度均匀性的影响

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　　摘要：利用计算流体力学（CFD）技术对存放甜瓜的冷库中的气流温度场进行模拟研究分析，研究风机间距以及货物间距对冷库温度场的影响，找出较合适的冷库布置方案。通过对比不同方案的制冷效果和冷库温度均匀性等指标，模拟结果显示，在冷库中配有3台风机的情况下，使2侧风机稍微远离中间风机布置时，温度均匀度K值更低，温度均匀性更好;而在摆放货物时要综合考虑货物与冷库墙体的距离和货物与货物之间的距离之间的关系，找出货物布置最合理的方案。通过本研究可以为冷库安装企业提供一个较为清晰的冷库布置设计思路。
　　关键词：冷库;计算流体力学（CFD）;风机;温度场;温度均匀度
　　中图分类号： TB657.1
　　文献标志码： A
　　文章编号：1002-1302（2020）02-0210-11
　　收稿日期：2018-11-04
　　作者简介：张 铭（1994—），男，湖北黄石人，硕士研究生，研究方向为农业生物环境控制。E-mail：838878603@qq.com。
　　通信作者：张天顺，硕士，副教授，硕士生导师，从事农业工程研究。E-mail：351997207@qq.com。
　　随着人们生活水平的不断提高，农业、食品、医药等行业正在迅猛发展，冷库作为冷链物流中的重要组成部分，也在不断的改进发展[1-4]。近年来，我国的冷库数量不断增多，但冷库技术的发展仍然比较缓慢，如何改进冷库的设计方案，降低能耗，提高冷库的制冷效果与温度均匀性，成为冷库发展的重中之重[5-7]。
　　目前，大多数冷库安装企业在设计方案时，设计人员从冷库需要存放的货物、冷库的大小、冷库所在外部环境温度等来计算压缩机的排气量，配出冷凝器、蒸发器，最后设计出冷库方案。在这个过程中设计人员几乎不会考虑风机和货物的布置对冷库温度的影响，很多情况下安装人员仅仅依凭经验布置风机以及摆放货物。然而同一套机组，在同一个冷库中，风机不同的布置方式，货物不同的摆放形式，都会对冷库的制冷效果造成很大的影响。很多企业因为财力物力的限制，同时工期时间较短，使得企业也没有过多的精力去试验哪种风机、货架布置方式比较合理，制冷效果更好[8-10]。
　　现在，随着计算流体力学（CFD）技术的不断发展，CFD技术已经运用到制冷行业。国内外学者利用CFD技术对冷库内的气流分布以及温度场进行模拟分析计算[11-15]。本研究利用SolidWorks flow simulation对冷库内的气流分布进行分析，设计不同的风机间距布置方案以及货物间距布置方案，分析这些方案中冷库内部的气流分布情况与温度变化，通过试验对比，找出各个方案的优缺点，最终得出比较合理的风机布置方案，以期为冷库安装企业提供一个较为清晰的冷库布置设计思路。
　　2 温度场分析
　　2.1 风机间距对温度的影响
　　2.1.1 物理模型 本研究试验在某制冷设备公司开展，以公司其中1个项目作为研究对象，存放的货物是甜瓜，甜瓜在放入冷库储藏前要先预冷至 6 ℃ 左右，但在实际情况中，客户会因为时间以及成本因素减少预冷时间，导致预冷温度未达到指定要求就放入冷库储藏，因此本研究时，甜瓜预冷温度为10 ℃。冷库尺寸长为20.3 m、宽为10 m、高为 3.0 m，冷库壁厚0.15 m，冷库内货物堆放在一起，堆放高度为1.6 m，分3组放置在冷库中，每组有2列货堆，2组货堆间距为 1.52 m，方便货物运输，货物与两边库体间距为0.3 m，货物与库门内侧间距为0.85 m。冷库库板由彩钢板与聚氨酯组成，聚氨酯位于库板中心被彩钢板包住，厚度为0.15 m。因为冷库采用的是冷风机强制空气循环，冷库内部气流应为湍流模式，湍流运动气流十分混乱，运动无规律，采用标准k-ε模型，雷诺数约为106（数量级）[27-28]。冷库模型见图1。
　　2.1.2 边界条件设定 本研究利用SolidWorks flow simulation对冷库进行流体力学仿真分析，边界条件设定如下。
　　初始设置的分析对象为冷库内部。物理特征：固体内热传导，非稳态传热流动分析;壁面条件：绝热壁面，粗糙度为0;库内压力为101 325 Pa（约1个大气压）;库内初始温度：空气温度为283 K（10 ℃），固体温度为283 K（10 ℃）;库板材料：聚氨酯保温库板，真实壁面。风机参数：环境压力为101 325 Pa;送风口温度为270.3 K（-2.7 ℃）;转子速度为22.17 r/s;湍流动能为1 J/kg;湍流耗散为1 W/kg;针对货物存放的属性，冷库要求温度范围为2～8 ℃，因此设定风机在库内温度低于4 ℃时停止运行，在高于6 ℃时启动。
　　冷库网格：初始网格级别设为3，细化级别为4，网格总数为832 895，流体网格数为365 183。
　　甜瓜属性如下：密度为943 kg/m3;比热容为3 935.6 J/kg·℃;热导率为0.5 W/（m·℃）。
　　為了研究冷库内部的温度均匀性，在这里引入温度均匀度指标K，温度均匀度越小说明冷库温度均匀性越好，温度越稳定。
　　式中：K为温度均匀度;t为平均温度;σt为温度的标准差;n为温度测量点个数;ti为第i个测试点的温度。
　　2.1.3 方案对比分析 为研究风机间距对冷库温度均匀性的影响，在保证其他条件相同的情况下，采用3组吊顶式风机，出风形式为双侧出风，风机离库顶距离为0.3 m，出风口直径为0.45 m，风机射程满足要求。共设4种方案，方案1：风机间距为3.308 m;方案2：风机间距为3.984 m;方案3：风机间距为4.484 m;方案4：风机间距为4.984 m;4种方案模型见图2。
　　2.1.4 结果分析 根据货物存放的要求，冷库要求的温度范围为2～8 ℃，为了更好地表示货物存放时的温度效果，取4个方案冷库离中心平面（xOz平面）3 m货架区域的温度切面图进行分析，温度切面图中温度条件范围为2～8 ℃，选取货物区域温度偏高以及温度偏低的几个点测出温度值。4个方案的分析结果见图3。 　　从图3可以看出，2种方案均能满足温度要求，在3 m货物切面区域，温度主要分布趋势为低温区域主要分布在冷库中间，高温区域靠近冷库边缘。
　　方案1和方案2温度变化比较明显，整体温度颜色为3种，而方案2和方案4整体温度颜色基本为2种，温度变化不是很明显。从总的切面图可以看到，方案1最高温度在7.55 ℃左右，最低温度在3.63 ℃左右;方案2最高温度在7.58 ℃左右，最低温度在5.06 ℃左右;方案3最高温度在6.71 ℃左右，最低温度在4.48 ℃左右;方案4最高温度在5.97 ℃左右，最低温度在3.25 ℃左右。可以看出方案1的温差最大，方案3的温差最小，方案4的整体温度偏低。
　　图4是在4个方案中对称选取的72个点的温度。通过计算，方案1：72个点的温度最大值tmax=280.086 7，最小值tmin=277.91，平均值t=278.75，标准差 σt=0.366 6，温度均匀度K=0.001 32;方案2：72个点的温度最大值tmax=280.01，最小值tmin=278.80，平均值t=279.43，标准差σt=0.353 4，温度均匀度K=0.001 26;方案3：72个点的温度最大值tmax=279.54，最小值tmin=278.82，平均值t=279.29，标准差σt=0.253 2，温度均匀度K=0.000 91;方案4：72个点的温度最大值tmax=278.80，最小值tmin=276.28，平均值t=278.20，标准差σt=0.709 1，温度均匀度K=0.002 55。可以看出方案2的温度最高，方案4的温度最低。方案4的温度均匀度值最大，方案3的温度均匀度值最小，4个方案中方案4温度均匀性最差，方案3的冷库温度均匀性最好，方案3最合理。
　　图5是4个方案的温度场分布。
　　从图5的温度场中可以发现，方案4的整体气流温度要低于前3个方案。4个方案的温度场分布基本相同，方案1 x方向上两边区域温度较高，而冷库中间区域温度较低;方案4在x方向上两边区域温度较低，而冷库中间区域温度较高，方案2和方案3气流分布以及温度分布都比较平均。
　　2.2 货物间距对温度的影响
　　2.2.1 物理模型 通过以上分析，可以确定方案3风机间距方案更合理，冷库温度均匀性更优，在此基础上，通过改变货物间距来研究货物间距对冷库温度的影响，设方案1：货物与冷库墙体间距0.3 m，货物之间间距1.52 m;方案2：货物与冷库墙体间距0.4 m，货物之间间距1.42 m;方案3：货物与冷库墙体间距0.5 m，货物之间间距1.32 m，其他条件不变。3种方案的模型见图6。
　　2.2.2 结果分析 同样分别取3个方案冷库离中心3 m货架区域的温度切面图进行分析，温度切面图中温度条范围为2～8 ℃，选取货物区域温度偏高以及温度偏低的几个点测出温度值。2个方案分析的结果见图7。
　　从图7可以看出，3种方案中方案2的整体温度较低，方案1和方案3的温度较高，方案1整个货物区域最低温度在4.48 ℃左右，最高温度在6.71 ℃左右;方案2整个货物区域最低温度在4.00 ℃左右，最高温度在6.46 ℃左右;方案3整个货物区域最低温度在4.48 ℃左右，最高温度在6.74 ℃左右。
　　图8是在3种方案中对称选取的72个点的温度。通过计算，方案1：72个点的温度最大值tmax=279.54，最小值tmin=278.82，平均值t=279.29，标准差σt=0.253 2，温度均匀度K=0.000 91;方案2：72个点的温度最大值tmax=278.41，最小值tmin=278.40，平均值t=278.75，标准差σt=0.158 9，温度均匀度K=0.000 57;方案3：72个点的温度最大值tmax=278.60，最小值tmin=278.84，平均值t=279.30，标准差σt=0.267 6，温度均匀度K=0.000 96。可以看出方案2的温度要小于方案1和方案3，方案1和方案3的温度基本相同，方案1和方案3的温度均匀度基本相同，方案2温度均匀度最小，因此方案2的冷库温度均匀性最好。
　　3个方案的温度场分布见图9。本研究的内容是货物间距的不同对于冷库温度均匀性的影响，选取了3个货物间距方案，3个方案的风机风速，整体风量，出风温度等参数均相同。经研究分析后发现，方案2货物间距大小的冷库，冷库内部温度能够达到货物存储要求，其温度均匀性更优，方案2货物间距大小在3个方案中适中，方案1虽然货物与货物之间间距最大，但是货物与冷库墙体间距较小，而方案3的货物与冷库墙体间距最大，但相应的货物与货物之间间距则变小了，因此最适中的方案2制冷效果最好，冷库温度均匀性最佳。
　　3 结论
　　通过对冷库不同风机间距方案以及货物间距方案进行对比分析，发现了各个方案的優势与缺点，通过整理分析得到如下结论。
　　一般方案设计人员以及施工人员在放置风机时，基本都会按照冷库的长度等距离均匀布置风机，然而通过分析得出，本研究的冷库中，风机间距为4.484 m，使两侧风机稍微远离中间风机布置时，冷库整体平均温度更低，货物存放区域的温度均匀性更好。
　　冷库中存放货物时，并不是货物与冷库墙体的距离或者货物与货物之间的距离越大越好，要综合考虑二者的因素，找出货物布置最合理的方案。
　　以上结论可以为各个冷库安装企业提供冷库风机布置的参考依据，同时在今后的研究中，为了使冷库布置的更加合理， 制冷效果以及温度均匀性更好，今后应从以下几个方面对冷风机式冷库进行深入的研究。（1）是否有更好的风机布置方案;（2）风机送风口数量对于冷库温度均匀性的影响;（3）风机类型对于冷库温度均匀性的影响。
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