冷風(fēng)機(jī)的布置形式對(duì)冰溫庫(kù)溫度分布影響的研究

程花蕊 董生懷 劉群生 李志強(qiáng)

冷風(fēng)機(jī)的布置形式對(duì)冰溫庫(kù)溫度分布影響的研究

程花蕊1董生懷1劉群生1李志強(qiáng)2

（1.河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院能源與動(dòng)力工程學(xué)院 鄭州 450011；2.中原工學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 鄭州 450007）

冷風(fēng)機(jī)的布置形式對(duì)冰溫庫(kù)的溫度均勻性有較大的影響，對(duì)實(shí)際使用的冰溫庫(kù)溫度進(jìn)行了模擬分析和實(shí)際測(cè)量。在冷風(fēng)機(jī)分別布置為側(cè)面安裝單出風(fēng)口、吊頂安裝雙出風(fēng)口和吊頂安裝四個(gè)出風(fēng)口時(shí)，利用流體力學(xué)軟件模擬了冰溫庫(kù)在不同的冷風(fēng)機(jī)布置形式下的溫度分布，同時(shí)實(shí)際測(cè)量了冷風(fēng)機(jī)側(cè)面安裝單出風(fēng)口和吊頂安裝雙出風(fēng)口兩種布置形式下不同截面測(cè)點(diǎn)的溫度，并與其模擬溫度進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明：冷風(fēng)機(jī)吊頂安裝四個(gè)出風(fēng)口時(shí)冰溫庫(kù)的溫度分布更均勻。

冷風(fēng)機(jī)；冰溫庫(kù)；CFD；溫度均勻性

0 引言

冰溫貯藏是把易腐食品放置在冰溫環(huán)境的貯藏方法。冰溫貯藏可以高品質(zhì)地保存食品的新鮮度、口感和風(fēng)味。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的物質(zhì)生活品質(zhì)也在不斷提高，消費(fèi)者對(duì)冰溫食品的需求量也越來(lái)越大。冰溫庫(kù)作為冷藏冰溫食品的固定場(chǎng)所，須具有較高的溫度均勻性和控制精度。

目前研究冷庫(kù)的有效手段是計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid dynamics，CFD）方法，湯毅等人對(duì)風(fēng)機(jī)的擺放形式對(duì)冷庫(kù)的影響進(jìn)行了CFD模擬分析[1]，Miroslawa和Kamil等人對(duì)蔬菜保鮮庫(kù)內(nèi)部傳熱傳質(zhì)過(guò)程建立了數(shù)值模型并進(jìn)行了模擬分析[2]；Xie Jing等人基于溫度場(chǎng)對(duì)冷庫(kù)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了CFD優(yōu)化分析[3]；Tian Shen等人采用數(shù)值方法分析了冷庫(kù)空氣滲透過(guò)程[4]；Cheng Xiwen等人采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方法分析了相變材料對(duì)冷庫(kù)效率的提升[5]；李藝哲和謝晶對(duì)冷庫(kù)內(nèi)溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬與優(yōu)化[6]；田紳等人對(duì)冷庫(kù)滲風(fēng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析[7]。應(yīng)用CFD可根據(jù)不同的目的要求靈活改變模型和條件，模擬理想或復(fù)雜過(guò)程下的溫度分布和速度分布，相比實(shí)際試驗(yàn)研究具有節(jié)約試驗(yàn)成本等優(yōu)勢(shì)。

本文針對(duì)目標(biāo)冰溫庫(kù)，研究庫(kù)內(nèi)冷風(fēng)機(jī)分別布置為側(cè)面安裝單出風(fēng)口、吊頂安裝雙出風(fēng)口、吊頂安裝四個(gè)出風(fēng)口三種形式下庫(kù)內(nèi)的溫度分布規(guī)律。首先建立冷風(fēng)機(jī)三種布置形式下的數(shù)值計(jì)算模型，模擬其庫(kù)內(nèi)固定截面溫度的分布；其次，實(shí)際測(cè)量和分析冷風(fēng)機(jī)分別布置為側(cè)面安裝單出風(fēng)口、吊頂安裝雙出風(fēng)口兩種形式下庫(kù)內(nèi)固定截面溫度的分布；通過(guò)研究冰溫庫(kù)固定截面的溫度分布，得出哪一種風(fēng)機(jī)布置形式下庫(kù)內(nèi)的溫度分布更均勻，為實(shí)際冰溫庫(kù)冷風(fēng)機(jī)的優(yōu)化布置提供參考。

1 數(shù)值計(jì)算

1.1 物理模型

本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)小型冰溫庫(kù)，其外形尺寸為3m×2m×2.8m（長(zhǎng)×寬×高），庫(kù)壁隔熱層為厚0.1m的聚氨酯泡沫塑料。模型一為側(cè)面安裝單面出風(fēng)的冷風(fēng)機(jī)，尺寸為1.56m×0.31m×0.65m（長(zhǎng)×寬×高），模型二為吊頂安裝雙面出風(fēng)的冷風(fēng)機(jī)，尺寸為1.58m×0.35m×0.95m（長(zhǎng)×寬×高），模型三為吊頂安裝四面出風(fēng)的冷風(fēng)機(jī)，尺寸為1.58m×0.35m×0.95m（長(zhǎng)×寬×高），該風(fēng)機(jī)是本文提出的一種新型風(fēng)機(jī)，其進(jìn)、出風(fēng)口總面積與模型二的進(jìn)、出風(fēng)口總面積相同，回風(fēng)口為一個(gè)正方形回風(fēng)口，三種模型的示意圖如圖1所示。

根據(jù)研究目標(biāo)，分別建立了三種數(shù)值計(jì)算模型。數(shù)值模擬主要針對(duì)冰溫庫(kù)內(nèi)的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)，對(duì)冰溫庫(kù)內(nèi)區(qū)進(jìn)行幾何建模。模型一為側(cè)面安裝單面出風(fēng)的冷風(fēng)機(jī)，模型二為吊頂安裝雙面出風(fēng)的冷風(fēng)機(jī)，模型三為吊頂安裝四面出風(fēng)的冷風(fēng)機(jī)。數(shù)值分析計(jì)算的幾何建模和網(wǎng)格劃分在Gambit軟件中實(shí)現(xiàn)。模型一、模型二和模型三計(jì)算域內(nèi)采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格劃分，共計(jì)生成計(jì)算網(wǎng)格單元數(shù)分別為806916個(gè)、806916個(gè)和637250個(gè)。

圖1 三種模型示意圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

針對(duì)冰溫庫(kù)，首先建立適合庫(kù)內(nèi)空氣流動(dòng)換熱的數(shù)學(xué)模型，并作如下假設(shè)：（1）空氣不可壓縮，且符合Boussinesq假設(shè)，即認(rèn)為流體密度變化僅對(duì)浮升力產(chǎn)生影響；（2）冰溫庫(kù)內(nèi)的空氣在風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下的流動(dòng)屬于三維紊流流動(dòng)，可采用SpaldingDB的紊流流場(chǎng)-數(shù)學(xué)模型[8]，在直角坐標(biāo)系下，聯(lián)立連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程、方程以及方程作為計(jì)算方程組[9]。

連續(xù)性方程：

動(dòng)量守恒方程：

能量守恒方程：

方程：

方程：

式中：u為瞬時(shí)速度，m/s；為密度，kg/m3；為時(shí)間，s；為動(dòng)力粘度，Pa﹒s；為壓力，Pa；為溫度，K；為導(dǎo)熱系數(shù)，J﹒m/(s﹒K)；c為比熱容，J/(kg﹒K)；S，S為廣義源項(xiàng)，G和G分別是平均速度梯度和浮力引起的的產(chǎn)生項(xiàng)。

1.3 邊界條件

（1）冷風(fēng)機(jī)出風(fēng)口采用速度型入口（velocity inlet），直接指定入口平面法向速度，速度按照各風(fēng)口理論風(fēng)量和風(fēng)口面積計(jì)算；模型一送風(fēng)溫度采用實(shí)測(cè)值-2.5℃設(shè)定，模型二、模型三送風(fēng)溫度采用實(shí)測(cè)值-3.3℃設(shè)定。

（2）冷風(fēng)機(jī)回風(fēng)口采用出流邊界條件（outflow），按照冰溫庫(kù)內(nèi)風(fēng)量平衡和回風(fēng)口局部壓力狀態(tài)計(jì)算回風(fēng)矢量；模型一回風(fēng)口溫度按照冰溫庫(kù)內(nèi)實(shí)測(cè)平均溫度-1.5℃設(shè)定，模型二、模型三回風(fēng)口溫度按照冰溫庫(kù)內(nèi)實(shí)測(cè)平均溫度-2℃設(shè)定。

（3）冷風(fēng)機(jī)箱體處于冰溫庫(kù)數(shù)值計(jì)算域內(nèi)的部分，動(dòng)量邊界按照無(wú)滑移壁面處理；熱邊界條件按照絕熱壁面設(shè)定。

（4）冰溫庫(kù)壁面動(dòng)量邊界按照無(wú)滑移壁面處理；熱邊界條件按照復(fù)合傳熱邊界設(shè)定：表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)0.25W/(m2·℃)，壁面材料導(dǎo)熱系數(shù)=0.031W/(m·℃)，冰溫庫(kù)外環(huán)境溫度按20℃計(jì)算。

2 數(shù)值模擬結(jié)果

為研究目標(biāo)冰溫庫(kù)在哪種風(fēng)機(jī)布置形式下的溫度分布更均勻，在冷庫(kù)中沿y坐標(biāo)方向的0.5m、0.9m、1.3m位置處選取三個(gè)XZ截面作為研究截面，分別記為截面1、2、3。冷風(fēng)機(jī)不同布置形式下冰溫庫(kù)內(nèi)的速度分布如圖2、圖3和圖4所示。

圖2 模型一冰溫庫(kù)內(nèi)速度分布

從圖2、圖3和圖4可以看出，模型一中心截面中間速度稍低，四周速度較高，速度不均勻性比較明顯；模型二和模型三的出風(fēng)速度相同，模型二中心截面的速度均勻性高于模型三的速度均勻性，主要原因是模型二的出風(fēng)和回風(fēng)是幾何對(duì)稱，氣流在中心截面的擾動(dòng)較小，速度場(chǎng)相對(duì)均勻，模型三的出風(fēng)口是四個(gè)方向，氣流在中間截面的擾動(dòng)比較大，速度場(chǎng)相對(duì)不均勻。

冷風(fēng)機(jī)不同布置形式下冰溫庫(kù)內(nèi)的溫度分布如圖5、圖6和圖7所示。

圖6 模型二冰溫庫(kù)內(nèi)溫度分布

圖7 模型三冰溫庫(kù)內(nèi)溫度分布

根據(jù)模擬結(jié)果，將模擬的溫度數(shù)據(jù)全部導(dǎo)出到Tecplot圖形處理軟件中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。處理的方式是分別計(jì)算出模型一、模型二和模型三三種風(fēng)機(jī)布置形式下其相應(yīng)的截面1、2、3的模擬溫度平均值和均方差。冷風(fēng)機(jī)三種布置形式下三個(gè)截面模擬溫度平均值及其均方差結(jié)果如圖8所示。

圖8 三種冷風(fēng)機(jī)形式下三個(gè)截面模擬平均溫度及其均方差

圖8可看出，冷風(fēng)機(jī)在三種不同的布置形式下，各截面模擬溫度的平均值比較穩(wěn)定，說(shuō)明風(fēng)機(jī)的布置形式對(duì)固定截面平均溫度的影響不大，但是各截面的均方差變化比較大，模型一從截面1到截面3均方差越來(lái)越大，模型二和模型三具有相同的出風(fēng)溫度和出風(fēng)口總面積，模型二各截面的均方差大于模型三各截面的均方差，說(shuō)明模型三中吊頂冷風(fēng)機(jī)四個(gè)出風(fēng)口時(shí)固定截面的平均溫度較一致，庫(kù)內(nèi)的溫度分布較均勻，更利于冰溫庫(kù)內(nèi)的食品貯藏。

圖8的模擬結(jié)果還顯示，模型二吊頂冷風(fēng)機(jī)雙面出風(fēng)時(shí)中間截面的均方差較小，說(shuō)明中間截面的溫度更均勻，雙面出風(fēng)，氣流在中間面相匯進(jìn)入回風(fēng)口，幾何對(duì)稱，氣流場(chǎng)較穩(wěn)定，溫度場(chǎng)也較穩(wěn)定；模型三吊頂冷風(fēng)機(jī)四面出風(fēng)時(shí)中間截面的均方差較大，說(shuō)明中間截面的溫度均勻性差，因?yàn)樗拿娉鲲L(fēng)，氣流在中間面相匯時(shí)擾動(dòng)作用較大，氣流相互影響不穩(wěn)定，溫度場(chǎng)也不穩(wěn)定。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

為了研究目標(biāo)冰溫庫(kù)內(nèi)的溫度分布規(guī)律，對(duì)模型一、模型二的庫(kù)內(nèi)實(shí)際溫度進(jìn)行了測(cè)量。在冰溫庫(kù)內(nèi)用細(xì)鋼管作為支架，在庫(kù)內(nèi)1、2、3截面的上、中、下固定位置分別布置12個(gè)溫度傳感器檢測(cè)各點(diǎn)的實(shí)際溫度。在冷風(fēng)機(jī)出風(fēng)口和回風(fēng)口各布置2個(gè)溫度傳感器檢測(cè)實(shí)際出風(fēng)和回風(fēng)溫度。溫度傳感器采用銅-康銅熱電偶，數(shù)據(jù)采集用2700 MULTIMETER/DATA ACQUISITION SYSTEM（2700型萬(wàn)用表/數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）和7702 40 CHAN MULTIPLEX（7702型40通道差分輸入開(kāi)關(guān)卡），用Kickstart軟件實(shí)時(shí)采集冰溫庫(kù)內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)，獲得穩(wěn)態(tài)情況下截面上不同位置的溫度實(shí)際測(cè)量值。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

模型一根據(jù)出風(fēng)口實(shí)際測(cè)量最低溫度-2.5℃進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，模型二根據(jù)出風(fēng)口實(shí)際測(cè)量最低溫度-3.3℃進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在兩種風(fēng)機(jī)布置形式下，根據(jù)出風(fēng)口實(shí)際測(cè)量最低溫度，對(duì)每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)取40組數(shù)據(jù)計(jì)算其平均溫度，然后再根據(jù)截面1、2、3相應(yīng)溫度測(cè)點(diǎn)的平均值再計(jì)算出各截面的平均溫度，使測(cè)量值更接近實(shí)際值。

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)比較

根據(jù)模型一和模型二的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，實(shí)測(cè)得到的庫(kù)內(nèi)三個(gè)截面溫度平均值和模擬得到的三個(gè)截面溫度平均值結(jié)果如圖9所示。圖中可看出模擬溫度和實(shí)測(cè)溫度的變化趨勢(shì)是一致的，說(shuō)明建立的數(shù)學(xué)模型符合實(shí)際情況；各截面的模擬溫度低于實(shí)測(cè)溫度，符合一般規(guī)律，因?yàn)閷?shí)際運(yùn)行的冰溫庫(kù)溫度場(chǎng)會(huì)受到庫(kù)內(nèi)外很多因素的影響，而模擬溫度相對(duì)而言考慮的影響因素較少。

由于條件限制，模型三對(duì)冰溫庫(kù)內(nèi)的溫度影響沒(méi)有進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，但根據(jù)上述兩個(gè)模型下冰溫庫(kù)內(nèi)溫度的模擬結(jié)果，及實(shí)測(cè)結(jié)果和模擬結(jié)果的比較，可推廣應(yīng)用到模型三時(shí)冰溫庫(kù)的溫度變化。

圖9 截面模擬和實(shí)測(cè)平均溫度

4 結(jié)論

在三種冷風(fēng)機(jī)布置形式下，對(duì)于目標(biāo)冰溫庫(kù)，分別研究了三個(gè)固定截面的溫度分布，模擬結(jié)果顯示三種冷風(fēng)機(jī)布置形式下固定截面的平均溫度都比較穩(wěn)定，說(shuō)明冷風(fēng)機(jī)的布置形式對(duì)截面的平均溫度影響不大，但是固定截面的平均溫度均方差變化比較明顯，模型一中截面1的均方差最小、截面3均方差最大，模型二和模型三具有相同的出風(fēng)溫度和出風(fēng)口總面積，但模型二各截面的均方差大于模型三各截面的均方差，說(shuō)明模型三中吊頂冷風(fēng)機(jī)四個(gè)出風(fēng)口時(shí)固定截面的平均溫度一致性較好，庫(kù)內(nèi)的溫度分布均勻性較好。

對(duì)模型一和模型二研究的三個(gè)固定截面的實(shí)際溫度的檢測(cè)處理，結(jié)果顯示兩種模型的模擬溫度和實(shí)測(cè)溫度的變化趨勢(shì)都一致，說(shuō)明建立的數(shù)學(xué)模型符合實(shí)際情況；各截面的模擬溫度均低于實(shí)測(cè)溫度，符合一般規(guī)律，因此研究的結(jié)論可推廣應(yīng)用到模型三吊頂式冷風(fēng)機(jī)四面出風(fēng)的冰溫庫(kù)。結(jié)合上述的模擬、實(shí)測(cè)結(jié)果，本文提出的吊頂四面出風(fēng)的冰溫庫(kù)庫(kù)內(nèi)的溫度更均勻，更穩(wěn)定，更有利于冰溫食品的貯藏。

[1] 湯毅,謝晶,王金鋒.CFD預(yù)測(cè)風(fēng)機(jī)擺放形式對(duì)冷庫(kù)的影響[J].食品與機(jī)械,2012,28(1):124-128.

[2] Miroslawa Kolodziejczyk, Kamil Smierciew, Jerzy Gagan, et al. Numerical modelling of heat and mass transfer in vegetables cold storage[J]. Procedia Engineering, 2016,157:279-284.

[3] Xie Jing, Qu Xiaohua, Shi Junye, et al. Effects of design parameters on flow and temperature fields of a cold store by CFD simulation[J]. Journal of Food Engineering, 2006,77:355-363.

[4] Tian Shen, Gao Yuping, Shao Shuangquan, et al. Numerical investigation on the buoyancy-driven infiltration airflow through the opening of the cold store[J]. Applied Thermal Engineering, 2017,121:701- 711.

[5] Cheng Xiwen, Zhai Xiaoqiang. Thermal performance analysis of a cascaded cold storage unit using multiple PCMs[J]. Energy, 2018,143:448-457.

[6] 李藝哲,謝晶.大型冷庫(kù)內(nèi)溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬與優(yōu)化[J].食品與機(jī)械,2017,33(6):139-142.

[7] 田紳,邵雙全,張坤竹,等.冷庫(kù)庫(kù)門(mén)的非穩(wěn)態(tài)RANS模型滲風(fēng)研究[J].制冷學(xué)報(bào),2017,38(3):63-69.

[8] 張登春,陳煥新,舒信偉,等.空調(diào)車(chē)內(nèi)三維紊流流動(dòng)與傳熱的模擬研究[J].鐵道學(xué)報(bào),2002,24(6):39-43.

[9] 呂全立,林金庭,陳效建,等.異質(zhì)結(jié)構(gòu)的流體動(dòng)力學(xué)輸運(yùn)模型及其在HBT一維分析中的應(yīng)用[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展,1994,14(2):108-115.

Research on the Influence of the Arrangement of Air Cooler on the Temperature Distribution of Ice Temperature Storage

Cheng Huarui1Dong Shenghuai1Liu Qunsheng1Li Zhiqiang2

( 1.School of Energy and Power Engineering, Henan University of Animal Husbandry and Economy, Zhengzhou, 450011; 2.School of Energy and Environment, Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou, 450007 )

The arrangement of the air cooler has a great influence on the temperature uniformity of the ice temperature storage, and the temperature field of ice temperature storagein the actual use was simulated and measured. When the air cooler has side single air outlet or suspended ceiling double air outlet or suspended ceiling four air outlets respectively, the fluid dynamics software was used to simulate the temperature field distribution of the ice temperature storage in different arrangement form of air cooler, and the temperature of different cross section measuring points is measured, and the temperature then will be compared with the simulated temperature. The results show that the temperature distribution is more uniform in the four air outlets of suspended ceiling.

Air cooler; Ice temperature storage; CFD; Temperature uniformity

TB69

A

1671-6612（2019）04-388-07

2014年度河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目（142102210052）

程花蕊（1963.11-），女，本科，副教授，E-mail：zzmzchr@126.com

董生懷（1965.01-），男，本科，副教授，E-mail：zzmzdsh@126.com

2018-07-05