冷庫(kù)不同布置方案對(duì)冷庫(kù)溫度均勻性的影響

張銘　艾宇　張少杰　黃峻偉　陸秋芳　鄭元法　李勇　張?zhí)祉?/p>

摘要：利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)對(duì)存放甜瓜的冷庫(kù)中的氣流溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬研究分析，研究風(fēng)機(jī)間距以及貨物間距對(duì)冷庫(kù)溫度場(chǎng)的影響，找出較合適的冷庫(kù)布置方案。通過(guò)對(duì)比不同方案的制冷效果和冷庫(kù)溫度均勻性等指標(biāo)，模擬結(jié)果顯示，在冷庫(kù)中配有3臺(tái)風(fēng)機(jī)的情況下，使2側(cè)風(fēng)機(jī)稍微遠(yuǎn)離中間風(fēng)機(jī)布置時(shí)，溫度均勻度K值更低，溫度均勻性更好;而在擺放貨物時(shí)要綜合考慮貨物與冷庫(kù)墻體的距離和貨物與貨物之間的距離之間的關(guān)系，找出貨物布置最合理的方案。通過(guò)本研究可以為冷庫(kù)安裝企業(yè)提供一個(gè)較為清晰的冷庫(kù)布置設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞：冷庫(kù);計(jì)算流體力學(xué)（CFD）;風(fēng)機(jī);溫度場(chǎng);溫度均勻度

中圖分類(lèi)號(hào)： TB657.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2020）02-0210-11

收稿日期：2018-11-04

作者簡(jiǎn)介：張 銘（1994—），男，湖北黃石人，碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)生物環(huán)境控制。E-mail：838878603@qq.com。

通信作者：張?zhí)祉?，碩士，副教授，碩士生導(dǎo)師，從事農(nóng)業(yè)工程研究。E-mail：351997207@qq.com。

隨著人們生活水平的不斷提高，農(nóng)業(yè)、食品、醫(yī)藥等行業(yè)正在迅猛發(fā)展，冷庫(kù)作為冷鏈物流中的重要組成部分，也在不斷的改進(jìn)發(fā)展[1-4]。近年來(lái)，我國(guó)的冷庫(kù)數(shù)量不斷增多，但冷庫(kù)技術(shù)的發(fā)展仍然比較緩慢，如何改進(jìn)冷庫(kù)的設(shè)計(jì)方案，降低能耗，提高冷庫(kù)的制冷效果與溫度均勻性，成為冷庫(kù)發(fā)展的重中之重[5-7]。

目前，大多數(shù)冷庫(kù)安裝企業(yè)在設(shè)計(jì)方案時(shí)，設(shè)計(jì)人員從冷庫(kù)需要存放的貨物、冷庫(kù)的大小、冷庫(kù)所在外部環(huán)境溫度等來(lái)計(jì)算壓縮機(jī)的排氣量，配出冷凝器、蒸發(fā)器，最后設(shè)計(jì)出冷庫(kù)方案。在這個(gè)過(guò)程中設(shè)計(jì)人員幾乎不會(huì)考慮風(fēng)機(jī)和貨物的布置對(duì)冷庫(kù)溫度的影響，很多情況下安裝人員僅僅依憑經(jīng)驗(yàn)布置風(fēng)機(jī)以及擺放貨物。然而同一套機(jī)組，在同一個(gè)冷庫(kù)中，風(fēng)機(jī)不同的布置方式，貨物不同的擺放形式，都會(huì)對(duì)冷庫(kù)的制冷效果造成很大的影響。很多企業(yè)因?yàn)樨?cái)力物力的限制，同時(shí)工期時(shí)間較短，使得企業(yè)也沒(méi)有過(guò)多的精力去試驗(yàn)?zāi)姆N風(fēng)機(jī)、貨架布置方式比較合理，制冷效果更好[8-10]。

現(xiàn)在，隨著計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)的不斷發(fā)展，CFD技術(shù)已經(jīng)運(yùn)用到制冷行業(yè)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用CFD技術(shù)對(duì)冷庫(kù)內(nèi)的氣流分布以及溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析計(jì)算[11-15]。本研究利用SolidWorks flow simulation對(duì)冷庫(kù)內(nèi)的氣流分布進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)不同的風(fēng)機(jī)間距布置方案以及貨物間距布置方案，分析這些方案中冷庫(kù)內(nèi)部的氣流分布情況與溫度變化，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，找出各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最終得出比較合理的風(fēng)機(jī)布置方案，以期為冷庫(kù)安裝企業(yè)提供一個(gè)較為清晰的冷庫(kù)布置設(shè)計(jì)思路。

2 溫度場(chǎng)分析

2.1 風(fēng)機(jī)間距對(duì)溫度的影響

2.1.1 物理模型 本研究試驗(yàn)在某制冷設(shè)備公司開(kāi)展，以公司其中1個(gè)項(xiàng)目作為研究對(duì)象，存放的貨物是甜瓜，甜瓜在放入冷庫(kù)儲(chǔ)藏前要先預(yù)冷至 6 ℃ 左右，但在實(shí)際情況中，客戶(hù)會(huì)因?yàn)闀r(shí)間以及成本因素減少預(yù)冷時(shí)間，導(dǎo)致預(yù)冷溫度未達(dá)到指定要求就放入冷庫(kù)儲(chǔ)藏，因此本研究時(shí)，甜瓜預(yù)冷溫度為10 ℃。冷庫(kù)尺寸長(zhǎng)為20.3 m、寬為10 m、高為 3.0 m，冷庫(kù)壁厚0.15 m，冷庫(kù)內(nèi)貨物堆放在一起，堆放高度為1.6 m，分3組放置在冷庫(kù)中，每組有2列貨堆，2組貨堆間距為 1.52 m，方便貨物運(yùn)輸，貨物與兩邊庫(kù)體間距為0.3 m，貨物與庫(kù)門(mén)內(nèi)側(cè)間距為0.85 m。冷庫(kù)庫(kù)板由彩鋼板與聚氨酯組成，聚氨酯位于庫(kù)板中心被彩鋼板包住，厚度為0.15 m。因?yàn)槔鋷?kù)采用的是冷風(fēng)機(jī)強(qiáng)制空氣循環(huán)，冷庫(kù)內(nèi)部氣流應(yīng)為湍流模式，湍流運(yùn)動(dòng)氣流十分混亂，運(yùn)動(dòng)無(wú)規(guī)律，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，雷諾數(shù)約為106（數(shù)量級(jí)）[27-28]。冷庫(kù)模型見(jiàn)圖1。

2.1.2 邊界條件設(shè)定 本研究利用SolidWorks flow simulation對(duì)冷庫(kù)進(jìn)行流體力學(xué)仿真分析，邊界條件設(shè)定如下。

初始設(shè)置的分析對(duì)象為冷庫(kù)內(nèi)部。物理特征：固體內(nèi)熱傳導(dǎo)，非穩(wěn)態(tài)傳熱流動(dòng)分析;壁面條件：絕熱壁面，粗糙度為0;庫(kù)內(nèi)壓力為101 325 Pa（約1個(gè)大氣壓）;庫(kù)內(nèi)初始溫度：空氣溫度為283 K（10 ℃），固體溫度為283 K（10 ℃）;庫(kù)板材料：聚氨酯保溫庫(kù)板，真實(shí)壁面。風(fēng)機(jī)參數(shù)：環(huán)境壓力為101 325 Pa;送風(fēng)口溫度為270.3 K（-2.7 ℃）;轉(zhuǎn)子速度為22.17 r/s;湍流動(dòng)能為1 J/kg;湍流耗散為1 W/kg;針對(duì)貨物存放的屬性，冷庫(kù)要求溫度范圍為2～8 ℃，因此設(shè)定風(fēng)機(jī)在庫(kù)內(nèi)溫度低于4 ℃時(shí)停止運(yùn)行，在高于6 ℃時(shí)啟動(dòng)。

冷庫(kù)網(wǎng)格：初始網(wǎng)格級(jí)別設(shè)為3，細(xì)化級(jí)別為4，網(wǎng)格總數(shù)為832 895，流體網(wǎng)格數(shù)為365 183。

甜瓜屬性如下：密度為943 kg/m3;比熱容為3 935.6 J/kg·℃;熱導(dǎo)率為0.5 W/（m·℃）。

為了研究冷庫(kù)內(nèi)部的溫度均勻性，在這里引入溫度均勻度指標(biāo)K，溫度均勻度越小說(shuō)明冷庫(kù)溫度均勻性越好，溫度越穩(wěn)定。

式中：K為溫度均勻度;t為平均溫度;σt為溫度的標(biāo)準(zhǔn)差;n為溫度測(cè)量點(diǎn)個(gè)數(shù);ti為第i個(gè)測(cè)試點(diǎn)的溫度。

2.1.3 方案對(duì)比分析 為研究風(fēng)機(jī)間距對(duì)冷庫(kù)溫度均勻性的影響，在保證其他條件相同的情況下，采用3組吊頂式風(fēng)機(jī)，出風(fēng)形式為雙側(cè)出風(fēng)，風(fēng)機(jī)離庫(kù)頂距離為0.3 m，出風(fēng)口直徑為0.45 m，風(fēng)機(jī)射程滿(mǎn)足要求。共設(shè)4種方案，方案1：風(fēng)機(jī)間距為3.308 m;方案2：風(fēng)機(jī)間距為3.984 m;方案3：風(fēng)機(jī)間距為4.484 m;方案4：風(fēng)機(jī)間距為4.984 m;4種方案模型見(jiàn)圖2。

2.1.4 結(jié)果分析 根據(jù)貨物存放的要求，冷庫(kù)要求的溫度范圍為2～8 ℃，為了更好地表示貨物存放時(shí)的溫度效果，取4個(gè)方案冷庫(kù)離中心平面（xOz平面）3 m貨架區(qū)域的溫度切面圖進(jìn)行分析，溫度切面圖中溫度條件范圍為2～8 ℃，選取貨物區(qū)域溫度偏高以及溫度偏低的幾個(gè)點(diǎn)測(cè)出溫度值。4個(gè)方案的分析結(jié)果見(jiàn)圖3。

從圖3可以看出，2種方案均能滿(mǎn)足溫度要求，在3 m貨物切面區(qū)域，溫度主要分布趨勢(shì)為低溫區(qū)域主要分布在冷庫(kù)中間，高溫區(qū)域靠近冷庫(kù)邊緣。

方案1和方案2溫度變化比較明顯，整體溫度顏色為3種，而方案2和方案4整體溫度顏色基本為2種，溫度變化不是很明顯。從總的切面圖可以看到，方案1最高溫度在7.55 ℃左右，最低溫度在3.63 ℃左右;方案2最高溫度在7.58 ℃左右，最低溫度在5.06 ℃左右;方案3最高溫度在6.71 ℃左右，最低溫度在4.48 ℃左右;方案4最高溫度在5.97 ℃左右，最低溫度在3.25 ℃左右。可以看出方案1的溫差最大，方案3的溫差最小，方案4的整體溫度偏低。

圖4是在4個(gè)方案中對(duì)稱(chēng)選取的72個(gè)點(diǎn)的溫度。通過(guò)計(jì)算，方案1：72個(gè)點(diǎn)的溫度最大值tmax=280.086 7，最小值tmin=277.91，平均值t=278.75，標(biāo)準(zhǔn)差 σt=0.366 6，溫度均勻度K=0.001 32;方案2：72個(gè)點(diǎn)的溫度最大值tmax=280.01，最小值tmin=278.80，平均值t=279.43，標(biāo)準(zhǔn)差σt=0.353 4，溫度均勻度K=0.001 26;方案3：72個(gè)點(diǎn)的溫度最大值tmax=279.54，最小值tmin=278.82，平均值t=279.29，標(biāo)準(zhǔn)差σt=0.253 2，溫度均勻度K=0.000 91;方案4：72個(gè)點(diǎn)的溫度最大值tmax=278.80，最小值tmin=276.28，平均值t=278.20，標(biāo)準(zhǔn)差σt=0.709 1，溫度均勻度K=0.002 55?？梢钥闯龇桨?的溫度最高，方案4的溫度最低。方案4的溫度均勻度值最大，方案3的溫度均勻度值最小，4個(gè)方案中方案4溫度均勻性最差，方案3的冷庫(kù)溫度均勻性最好，方案3最合理。

圖5是4個(gè)方案的溫度場(chǎng)分布。

從圖5的溫度場(chǎng)中可以發(fā)現(xiàn)，方案4的整體氣流溫度要低于前3個(gè)方案。4個(gè)方案的溫度場(chǎng)分布基本相同，方案1 x方向上兩邊區(qū)域溫度較高，而冷庫(kù)中間區(qū)域溫度較低;方案4在x方向上兩邊區(qū)域溫度較低，而冷庫(kù)中間區(qū)域溫度較高，方案2和方案3氣流分布以及溫度分布都比較平均。

2.2 貨物間距對(duì)溫度的影響

2.2.1 物理模型 通過(guò)以上分析，可以確定方案3風(fēng)機(jī)間距方案更合理，冷庫(kù)溫度均勻性更優(yōu)，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)改變貨物間距來(lái)研究貨物間距對(duì)冷庫(kù)溫度的影響，設(shè)方案1：貨物與冷庫(kù)墻體間距0.3 m，貨物之間間距1.52 m;方案2：貨物與冷庫(kù)墻體間距0.4 m，貨物之間間距1.42 m;方案3：貨物與冷庫(kù)墻體間距0.5 m，貨物之間間距1.32 m，其他條件不變。3種方案的模型見(jiàn)圖6。

2.2.2 結(jié)果分析 同樣分別取3個(gè)方案冷庫(kù)離中心3 m貨架區(qū)域的溫度切面圖進(jìn)行分析，溫度切面圖中溫度條范圍為2～8 ℃，選取貨物區(qū)域溫度偏高以及溫度偏低的幾個(gè)點(diǎn)測(cè)出溫度值。2個(gè)方案分析的結(jié)果見(jiàn)圖7。

從圖7可以看出，3種方案中方案2的整體溫度較低，方案1和方案3的溫度較高，方案1整個(gè)貨物區(qū)域最低溫度在4.48 ℃左右，最高溫度在6.71 ℃左右;方案2整個(gè)貨物區(qū)域最低溫度在4.00 ℃左右，最高溫度在6.46 ℃左右;方案3整個(gè)貨物區(qū)域最低溫度在4.48 ℃左右，最高溫度在6.74 ℃左右。

圖8是在3種方案中對(duì)稱(chēng)選取的72個(gè)點(diǎn)的溫度。通過(guò)計(jì)算，方案1：72個(gè)點(diǎn)的溫度最大值tmax=279.54，最小值tmin=278.82，平均值t=279.29，標(biāo)準(zhǔn)差σt=0.253 2，溫度均勻度K=0.000 91;方案2：72個(gè)點(diǎn)的溫度最大值tmax=278.41，最小值tmin=278.40，平均值t=278.75，標(biāo)準(zhǔn)差σt=0.158 9，溫度均勻度K=0.000 57;方案3：72個(gè)點(diǎn)的溫度最大值tmax=278.60，最小值tmin=278.84，平均值t=279.30，標(biāo)準(zhǔn)差σt=0.267 6，溫度均勻度K=0.000 96?？梢钥闯龇桨?的溫度要小于方案1和方案3，方案1和方案3的溫度基本相同，方案1和方案3的溫度均勻度基本相同，方案2溫度均勻度最小，因此方案2的冷庫(kù)溫度均勻性最好。

3個(gè)方案的溫度場(chǎng)分布見(jiàn)圖9。本研究的內(nèi)容是貨物間距的不同對(duì)于冷庫(kù)溫度均勻性的影響，選取了3個(gè)貨物間距方案，3個(gè)方案的風(fēng)機(jī)風(fēng)速，整體風(fēng)量，出風(fēng)溫度等參數(shù)均相同。經(jīng)研究分析后發(fā)現(xiàn)，方案2貨物間距大小的冷庫(kù)，冷庫(kù)內(nèi)部溫度能夠達(dá)到貨物存儲(chǔ)要求，其溫度均勻性更優(yōu)，方案2貨物間距大小在3個(gè)方案中適中，方案1雖然貨物與貨物之間間距最大，但是貨物與冷庫(kù)墻體間距較小，而方案3的貨物與冷庫(kù)墻體間距最大，但相應(yīng)的貨物與貨物之間間距則變小了，因此最適中的方案2制冷效果最好，冷庫(kù)溫度均勻性最佳。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)冷庫(kù)不同風(fēng)機(jī)間距方案以及貨物間距方案進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)了各個(gè)方案的優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn)，通過(guò)整理分析得到如下結(jié)論。

一般方案設(shè)計(jì)人員以及施工人員在放置風(fēng)機(jī)時(shí)，基本都會(huì)按照冷庫(kù)的長(zhǎng)度等距離均勻布置風(fēng)機(jī)，然而通過(guò)分析得出，本研究的冷庫(kù)中，風(fēng)機(jī)間距為4.484 m，使兩側(cè)風(fēng)機(jī)稍微遠(yuǎn)離中間風(fēng)機(jī)布置時(shí)，冷庫(kù)整體平均溫度更低，貨物存放區(qū)域的溫度均勻性更好。

冷庫(kù)中存放貨物時(shí)，并不是貨物與冷庫(kù)墻體的距離或者貨物與貨物之間的距離越大越好，要綜合考慮二者的因素，找出貨物布置最合理的方案。

以上結(jié)論可以為各個(gè)冷庫(kù)安裝企業(yè)提供冷庫(kù)風(fēng)機(jī)布置的參考依據(jù)，同時(shí)在今后的研究中，為了使冷庫(kù)布置的更加合理， 制冷效果以及溫度均勻性更好，今后應(yīng)從以下幾個(gè)方面對(duì)冷風(fēng)機(jī)式冷庫(kù)進(jìn)行深入的研究。（1）是否有更好的風(fēng)機(jī)布置方案;（2）風(fēng)機(jī)送風(fēng)口數(shù)量對(duì)于冷庫(kù)溫度均勻性的影響;（3）風(fēng)機(jī)類(lèi)型對(duì)于冷庫(kù)溫度均勻性的影響。

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