肉制品冷庫流場及溫度場數(shù)值模擬

黃世苗

（南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（湛江），廣東湛江）

隨著我國冷飲市場、冷鮮肉市場、肉類延伸品市場、水產(chǎn)品市場、水果蔬菜市場的不斷擴(kuò)大，易腐食品消費(fèi)量也隨著人們的需求的快速增長，這將促進(jìn)冷庫需求量的進(jìn)一步增長。截至2009年，在東部地區(qū)建成的冷庫占全國的65 %，中部地區(qū)占25 %，西部地區(qū)占7 %。在我國國內(nèi)，氨制冷劑制冷的集中式制冷系統(tǒng)一般用于大型冷庫的建設(shè)中，冷卻設(shè)施大多為排管，系統(tǒng)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化控制難度大［1］。小型冷庫則一般采用以氟里昂為制冷劑的集中式或分散式制冷系統(tǒng)。

造成食品腐敗的原因有很多，其主要包括：微生物作用、催化酶作用、氧化作用及呼吸作用，而這些原因都是和食品的溫度相關(guān)的。食品的冷藏保鮮就是通過降低食品的溫度減弱上述的各種作用，達(dá)到較好的保存食品的目的［2］。

導(dǎo)熱、對流、輻射是熱量傳遞的三種不同方式。貨物在冷卻過程中，熱量從貨物傳遞到冷卻介質(zhì)當(dāng)中，忽略貨物冷卻過程中內(nèi)部的傳熱，其表面與冷卻介質(zhì)間的換熱是以對流和輻射換熱為主。關(guān)于對流傳熱，根據(jù)流動(dòng)原因的不同可分為自然對流和強(qiáng)制對流［3］。本文涉及的模型是冷風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下的強(qiáng)制對流換熱。

對冷庫的流場進(jìn)行模擬分析，對改善冷庫的制冷效果，完善冷鏈體系是極為重要的。胡耀華，蔣國振［4］等人對獼猴桃冷庫內(nèi)流場進(jìn)行過CFD模擬，主要研究了貨架擺放方式不同和冷風(fēng)機(jī)出風(fēng)速度不同時(shí)，冷庫內(nèi)流場的變化。為的是確定冷庫溫度場、速度場和壓力場的影響因素，得出了冷庫的設(shè)計(jì)參數(shù)對流場的影響；劉妍玲，張巖［5］等人對果蔬冷庫內(nèi)貨架的擺放形式對流場的影響進(jìn)行了研究，他們的研究方法也是通過改變冷庫的設(shè)計(jì)參數(shù)，觀察流場的不同，最終得出貨物擺放形式對流場有著重要的影響；謝晶，吳天［6］等人對小型冷庫開關(guān)門過程的流場進(jìn)行了研究。

本文基于FLUENT軟件對肉制品加工冷庫內(nèi)的速度和溫度分布進(jìn)行數(shù)值模擬，主要內(nèi)容包括用控制變量的方法對冷庫內(nèi)冷風(fēng)機(jī)供風(fēng)速度，供風(fēng)溫度及冷風(fēng)機(jī)擺放位置不同情況下的速度場和溫度場的計(jì)算，在對模擬結(jié)果進(jìn)行分析討論之后，得出供風(fēng)溫度、速度以及出風(fēng)口位置的布置對冷庫制冷效果的影響。

1 模型介紹

選用一個(gè)小型肉制品加工冷庫，其尺寸為4.5 m×3.3 m×2.5 m，冷庫內(nèi)裝有一臺小型冷風(fēng)機(jī)，其尺寸為1.75 m×0.46 m×0.5 m，冷風(fēng)機(jī)有兩個(gè)圓形出風(fēng)口和進(jìn)風(fēng)口，直徑為0.4 m，當(dāng)模擬情況包含貨架時(shí)，貨架尺寸為2 m×0.6 m×1.5 m，冷庫壁面采用聚氨酯泡沫塑料，冷風(fēng)機(jī)采用吊頂式安裝［4］。室溫為20 ℃，冷庫內(nèi)環(huán)境溫度取0 ℃。冷庫的物理模型圖如圖1所示。對不同供風(fēng)速度和供風(fēng)溫度的模擬，冷庫內(nèi)不布置貨架；研究冷風(fēng)機(jī)擺放位置對冷庫內(nèi)流場和溫度場的影響時(shí)，冷風(fēng)機(jī)出風(fēng)口和進(jìn)風(fēng)口的位置發(fā)生變化，即建立幾何模型時(shí)入口和出口邊界位置發(fā)生變化。

圖1 冷庫物理模型示意圖

2 數(shù)值模擬

針對上節(jié)所建立的物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證后選取網(wǎng)格數(shù)為300 W左右，部分網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 部分網(wǎng)格結(jié)構(gòu)示意圖

為保證研究的順利進(jìn)行，還需對冷庫做出如下假設(shè)：

（1）冷庫內(nèi)的一些管線、支架等與研究無關(guān)的設(shè)備對流場沒有影響；

（2）冷庫內(nèi)空氣不可壓縮且符合Boussinesq假設(shè)；

（3）冷庫庫體密閉，且冷庫內(nèi)空氣流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)湍流。

2.1 不同冷風(fēng)機(jī)供風(fēng)速度

冷風(fēng)機(jī)以吊頂式放置在冷庫寬度單位上，其入風(fēng)口距離冷庫壁面0.4 m，左側(cè)距離冷庫壁面0.8 m，右側(cè)0.75 m，冷庫中無貨架。冷庫內(nèi)初始溫度為0 ℃，冷風(fēng)機(jī)出口溫度為-25 ℃，入口邊界條件設(shè)置不同的入口流速。

經(jīng)模擬得到了在不同送風(fēng)速度的情況下冷庫中氣流流動(dòng)與溫度分布情況。速度分布如圖3所示，溫度分布如圖4所示。

圖3 不同供風(fēng)速度下的冷庫內(nèi)空氣速度分布

圖4 不同供風(fēng)速度下的冷庫內(nèi)溫度分布

由上面這些圖可以清楚地看到，冷風(fēng)機(jī)供風(fēng)速度的變化對于冷庫內(nèi)流場及溫度場有很大的影響。隨著冷風(fēng)機(jī)風(fēng)速的增加，冷庫頂部氣流低溫范圍逐漸擴(kuò)大，整個(gè)冷庫內(nèi)的溫度逐漸降低?？梢姡滹L(fēng)機(jī)風(fēng)速的大小對庫內(nèi)的熱量交換起著決定性作用，風(fēng)機(jī)風(fēng)速越大，氣體強(qiáng)制對流越充分，越有利于貨物與空氣的熱量交換，并可以起到對氣流溫度和速度的均布作用，使冷庫的制冷效果達(dá)到最佳。

2.2 不同冷風(fēng)機(jī)供風(fēng)溫度

本節(jié)討論當(dāng)冷風(fēng)機(jī)供風(fēng)溫度不同時(shí)，冷庫內(nèi)流場及溫度場的變化。冷庫、冷風(fēng)機(jī)尺寸和放置位置與上節(jié)相同。冷風(fēng)機(jī)入口速度為5 m?s-1，并使其他條件不變，設(shè)置入口溫度分別為-22 ℃、-25 ℃、-28 ℃，冷庫內(nèi)溫度為0 ℃，環(huán)境溫度為20 ℃。

經(jīng)模擬得到在不同冷風(fēng)機(jī)供風(fēng)溫度條件下，冷庫內(nèi)流場及溫度場的分布。冷庫內(nèi)速度分布如圖5所示，溫度分布如圖6所示。

圖5 不同供風(fēng)溫度下的冷庫內(nèi)空氣速度分布

圖6 不同供風(fēng)溫度下的冷庫內(nèi)溫度分布

由圖6可以看出，當(dāng)冷庫內(nèi)部其他條件不變，冷風(fēng)機(jī)的供風(fēng)溫度越低，冷庫內(nèi)的溫度越低且低溫區(qū)域越大，同時(shí)溫度場和速度場也會(huì)隨著供風(fēng)溫度的降低越來越穩(wěn)定。又考慮到當(dāng)制冷溫度過低時(shí)，對制冷劑的要求過高，還有制冷設(shè)備的能耗、經(jīng)濟(jì)問題，所以應(yīng)選擇一個(gè)合適的制冷溫度。綜合經(jīng)濟(jì)、能耗、和制冷效果幾方面綜合考慮，推薦在供風(fēng)溫度-25 ℃是冷風(fēng)機(jī)的最佳供風(fēng)溫度。

2.3 不同冷風(fēng)機(jī)擺放位置

在本節(jié)物理模型的建立中再冷庫內(nèi)放置了貨架，貨架尺寸為1.75 m×0.46 m×0.5 m，貨架一共三個(gè)，平行放置在冷庫中，貨架前后左右與其他貨架和冷庫壁面均有距離。本節(jié)將冷風(fēng)機(jī)分三種情況放置，三種情況分別為：（1）冷風(fēng)機(jī)入風(fēng)口距離冷庫壁面0.4 m，其以吊頂方式放置在冷庫寬度單位上，左側(cè)距壁面0.8 m，右側(cè)距壁面0.75 m；（2）冷風(fēng)機(jī)入風(fēng)口距離冷庫壁面0.3 m，其以吊頂方式放置在冷庫長度單位上，左側(cè)距冷庫壁面1.4 m，右側(cè)1.35 m；（3）冷風(fēng)機(jī)入風(fēng)口距離冷庫壁面0.3 m，其以吊頂方式放置在冷庫長度單位上，左側(cè)距冷庫壁面1.75 m，右側(cè)1 m。不同冷風(fēng)機(jī)擺放位置的冷庫結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 不同冷風(fēng)機(jī)布置位置冷庫結(jié)構(gòu)示意圖

模擬結(jié)果展示出了三種不同冷風(fēng)機(jī)放置方式時(shí)冷庫內(nèi)流場以及溫度場的分布，截取冷風(fēng)機(jī)出風(fēng)速度為5 m?s-1、出風(fēng)溫度為-25 ℃時(shí)不同位置冷風(fēng)機(jī)出風(fēng)口所在截面和貨架所在截面的溫度和速度分布，溫度分布如圖8所示，速度分布如圖9所示。

圖8 不同冷風(fēng)機(jī)布置位置冷庫溫度分布

圖9 不同冷風(fēng)機(jī)布置位置冷庫速度分布

由模擬結(jié)果可以看出，在相同出風(fēng)溫度、相同出風(fēng)速度時(shí)，不同的擺放位置，對冷庫內(nèi)流暢分布的均勻度，冷氣流場的范圍等等影響冷庫冷藏質(zhì)量的重要因素都有較大的改變。冷風(fēng)機(jī)位于位置2時(shí)，低溫區(qū)域大多集中在貨架迎風(fēng)面以及貨架一側(cè)，造成了不必要的消耗；冷風(fēng)機(jī)位于位置1處時(shí)，貨架附近大部分區(qū)域溫度低至-14 ℃，且溫度分布相較于位置2和位置3要更均勻，因此在所給方案中應(yīng)盡量選擇將冷風(fēng)機(jī)安裝在冷庫寬度單位上，且將送風(fēng)方向沿平行于貨架方向布置。

3 結(jié)論

本文研究了不同供風(fēng)速度、溫度以及不同出風(fēng)口位置對冷庫內(nèi)溫度及氣體流速分布的影響，在模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，冷風(fēng)機(jī)在一定范圍內(nèi)供風(fēng)速度越大，供風(fēng)溫度越低，制冷效果越好，在冷風(fēng)機(jī)布置位置的研究中發(fā)現(xiàn)，出風(fēng)口布置在冷庫寬度單位上制冷效果最佳。

綜合上述介紹和總結(jié)可以得出結(jié)論，對于本文研究的小型裝配式冷庫采用如下設(shè)計(jì)使用方式是最符合實(shí)際要求和制冷要求的：冷庫的冷風(fēng)機(jī)以吊頂式安裝方式安裝在冷庫的寬度方向上，冷風(fēng)機(jī)的回風(fēng)口距冷庫壁面0.4 m，左側(cè)距冷庫壁面0.55 m，右側(cè)距離1.0 m，貨架平行于冷風(fēng)機(jī)吹風(fēng)方向放置，風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速為5 m?s-1，出風(fēng)溫度為-25 ℃。