基于空氣制冷系統(tǒng)的高密度冷庫降溫-維持工況仿真計算特性分析

王少鵬，張益誠，羅君，王俊新，陳良，侯予

(1.中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064；2.西安交通大學(xué)制冷與低溫工程系，西安 710049；3.武漢市計量測試檢定(研究)所，武漢 430050)

船艏冷庫的容積是影響船舶的自持力的重要因素，出航物資的需求矛盾日益突出。由于船舶冷庫設(shè)計的特殊性，通過增加冷庫數(shù)量的方式以增加食物儲藏量的做法受限于船舶條件，只能采取提高容積率，優(yōu)化貨物存放形式來緩解這種矛盾。船舶冷庫設(shè)計中，需要考慮到艙室自身高度及圍護結(jié)構(gòu)的限制，其內(nèi)部的氣流組織與陸地冷庫內(nèi)部的氣流組織存在諸多差異。陸地冷庫內(nèi)部的高度一般為5～6 m，船舶冷庫內(nèi)部的高度一般為2.2～3.0 m。高度尺度的不同，會導(dǎo)致在相同的送風(fēng)條件下，兩者達(dá)到穩(wěn)態(tài)流場時其內(nèi)部的溫度場、氣流場存在較大差異。冷庫內(nèi)的蔬菜、肉類表面區(qū)域風(fēng)速對其儲藏品質(zhì)的有著較大影響，其表面區(qū)域風(fēng)速越高，干耗程度也隨之增高，但蔬菜、肉類表面區(qū)域的風(fēng)速過低則會導(dǎo)致蔬菜、肉類降溫時間增長，不利于其保鮮和貯存。一般來說，冷庫內(nèi)貨垛間的空氣流速保持在0.3～0.8 m/s之間較為適宜。結(jié)合此前學(xué)者的相關(guān)研究，針對高密度冷庫用空氣制冷系統(tǒng)，建立系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)降溫模型。模型送風(fēng)管路、冷庫熱負(fù)荷、回風(fēng)管路，對于冷庫夏季降溫-維持工況，配合回?zé)崞鞣欠€(wěn)態(tài)傳熱模型，完成制冷系統(tǒng)動態(tài)性能仿真，計算高密度冷庫內(nèi)的溫度場可以達(dá)到的精度水平以及冷庫內(nèi)的降溫過程。

1 控制方程

在分析流動問題時，控制體需要同時滿足質(zhì)量、動量和能量3大守恒定律。同時，考慮到冷庫內(nèi)流場流體已處于湍流狀態(tài)，流動存在不穩(wěn)定性，且忽略冷庫內(nèi)流體黏性對流體流動的影響。采用Fluent中廣泛應(yīng)用的湍流模型標(biāo)準(zhǔn)-兩方程模型，該模型能在較大的范圍內(nèi)保持足夠的計算精度。

此外，由于壁面處存在黏性底層，流動速度速度低，湍流發(fā)展不充分，流動狀態(tài)接近層流，從壁面到主流區(qū)的過渡區(qū)域，流動狀態(tài)復(fù)雜多變，在仿真計算過程中采用將壁面函數(shù)法作為壁面粘性底層換熱的計算方法，直接將湍流核心區(qū)和壁面之間的物理量建立對應(yīng)關(guān)系，對于主流區(qū)采用湍流模型直接計算，忽略壁面的流動情況。

2 建模及網(wǎng)格劃分

冷庫的幾何模型見圖1。回風(fēng)口尺寸為10 m×0.2 m(×)，孔板送風(fēng)的靜壓箱總尺寸為7 m×10 m×0.2 m(××)。其中，靜壓箱按照對稱關(guān)系，分為10個分區(qū)。

圖1 高密度冷庫幾何模型示意

冷庫的公稱容積為210 m，屬于小型冷庫，容積利用系數(shù)為0.52，冷庫儲存凍肉(-18 ℃，即255.15 K)，密度取400 kg/m，所以冷庫計算容量為43.68 t。工況為基礎(chǔ)容積率，進貨量100%。貨物尺寸為1.3 m×1.2 m×2.5 m(××)，間距0.1 m，貨物高度為2.5 m，貨物數(shù)量為28塊，堆垛布置方式見圖2。

圖2 高密度冷庫內(nèi)貨物堆垛方式示意

根據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)信息查詢相應(yīng)的空氣物性，包括摩爾質(zhì)量、臨界溫度、臨界壓力、密度、導(dǎo)熱系數(shù)和黏性系數(shù)等參數(shù)。保溫材料采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫，密度為40 kg/m；定壓比熱容為1 260 J/(kg·K)，熱導(dǎo)系數(shù)為0.22 W/(m·K)，冷藏貨物主要為凍肉，密度400 kg/m，定壓比熱容2 000 J/(kg·K)，熱導(dǎo)系數(shù)為2.0 W/(m·K)。

整體建模采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性計算后，選定網(wǎng)格數(shù)量為379.7萬。

3 邊界條件及工況

進口邊界條件采用速度邊界條件：進風(fēng)口風(fēng)速為1.0 m/s，靜壓為30 Pa，溫度：編寫UDF，采用混風(fēng)模型對進口溫度進行定義。

出口邊界條件采用壓力出口條件：出風(fēng)口壓力為0。

冷庫壁面邊界條件采用第三類邊界條件，壁面外表面的對流換熱系數(shù)為10 W/(m·K)，厚度為200 mm。

冷庫運行時的環(huán)境溫度在夏季設(shè)計工況時為35 ℃(308.15 K)，相對濕度為60%。

定義初始條件：冷庫內(nèi)的空氣溫度為-18 ℃(255.15 K)，貨物初始溫度-17 ℃(256.15 K)。

夏季工況，環(huán)境溫度為35 ℃(308.15 K)，相對濕度為60%。

空氣制冷機在冷庫初始降溫及維持工況運行時，其性能參數(shù)分別見表1。

表1 空氣制冷機初始降溫及維持工況的性能參數(shù)

4 結(jié)果與討論

4.1 冷庫降溫-維持工況溫度隨時間的變化

冷庫內(nèi)向各截面(=0.2 m，=0.8 m，=1.6 m，=2.4m)的空氣及溫變化見圖3。

圖3 高密度冷庫內(nèi)空氣平均溫度的變化

由圖3可見，冷庫內(nèi)空氣平均溫度在13 min左右時可降低到目標(biāo)溫度-18 ℃(255.15 K)；大約在15 min，貨物溫度達(dá)到-18 ℃(255.15 K)。冷庫內(nèi)全部截面溫度達(dá)到-18 ℃(255.15 K)，并維持在-18 ℃(255.15 K)。在維持工況，冷庫內(nèi)全部截面的溫度波動較小，且不隨時間變化，溫度場的控制精度較高。

4.2 冷庫在降溫工況時不同截面整體溫度場

、、方向各個截面及貨物在降溫工況的溫度場分布(冷庫達(dá)到降溫目標(biāo)的時間點)見圖4。其中，方向截面為：=-3.45 m、=3.45 m；方向截面為=-4.95 m、=4.95 m；方向截面為=0.05 m。

圖4 x、y、z方向各截面及貨物的溫度場

冷庫降溫過程中，庫內(nèi)大部分區(qū)域的溫度逐漸接近目標(biāo)溫度-18 ℃(255.15 K)，并且隨著持續(xù)供冷，冷庫內(nèi)的溫度場也趨于分布均勻。

4.3 降溫工況時貨物不同截面的溫度場

方向(=0.2 m，=0.8 m，=1.6 m，=2.4 m)貨物各截面在降溫工況時的溫度場分布(冷庫達(dá)到降溫目標(biāo)的時間點)見圖5。

圖5 z方向貨物各截面的溫度場

結(jié)合圖4、圖5可見，在冷庫的降溫過程中，冷庫內(nèi)方向截面區(qū)域的溫度逐漸接近目標(biāo)溫度-18 ℃(255.15 K)，并且隨著持續(xù)的供冷，方向截面的溫度場也趨于分布均勻。此時，貨物的溫度基本接近目標(biāo)溫度-18 ℃(255.15 K)。

4.4 冷庫不同截面在降溫工況的均勻性

、、方向各個截面在降溫工況的溫度情況(冷庫達(dá)到降溫目標(biāo)的時間點)見圖6。

圖6 降溫工況各截面溫度

其中，方向截面分別為

=-3.45 m，=-1.75 m，=0 m，

=1.75 m，=3.45 m；

方向截面分別為

=-4.95 m，=-2.5 m，=0 m，

=2.5 m，=4.95 m；

方向截面分別為

=0.05 m，=0.6 m，=1.3 m，

=1.9 m，=2.6 m；

=0.2 m，=0.7 m，=1.3 m，

=2.0 m，=2.5 m。

由圖6可以看出，在降溫工況，目標(biāo)溫度剛達(dá)到時刻，冷庫內(nèi)部分截面的溫度能夠維持在目標(biāo)溫度-18 ℃(255.15 K)，有部分截面處的溫度低于-19 ℃(254.15 K)，同時也有部分截面處的溫度高于-17 ℃(256.15 K)。這說明在降溫工況時，冷庫內(nèi)的溫度均勻性較差。

4.5 冷庫在維持工況時不同截面整體溫度場

、、方向各個截面及貨物在維持工況的溫度場見圖7。其中，方向截面：=-3.45 m、=3.45 m；方向截面：=-4.95 m、=4.95 m；方向截面：=0.05 m。

圖7 x、y、z方向各截面及貨物的溫度場

在冷庫的維持工況過程中，冷庫內(nèi)方向各個截面區(qū)域的溫度分布相對比較均勻，且非常接近目標(biāo)溫度-18 ℃(255.15 K)。

4.6 維持工況時貨物不同截面的溫度場

方向(=0.2 m，=0.8 m，=1.6 m，=2.4 m)貨物各截面在維持工況時的溫度場見圖8。

圖8 z方向貨物各截面的溫度場

在冷庫的維持運行過程中，冷庫內(nèi)向各個截面區(qū)域的溫度分布相對比較均勻，大部分區(qū)域溫度已達(dá)到目標(biāo)溫度-18 ℃(255.15 K)。其中，最高溫度為-17.1 ℃(256.05 K)，在靠近墻面的交界處；最低溫度為-19 ℃(254.15 K)，位置靠近送風(fēng)板?？梢?，最大溫度波動值為-1.0 ℃，滿足高精度冷庫溫度波動小于±1℃的要求。

4.7 冷庫不同截面在維持工況的均勻性

、、方向各截面在維持工況的溫度見圖9。

圖9 維持工況各截面溫度柱狀圖

其中，方向截面分別為

=-3.45 m，=-1.75 m，=0 m，

=1.75 m，=3.45 m；

方向截面分別為

=-4.95 m，=-2.5 m，=0 m，

=2.5 m，=4.95 m；

方向截面分別為

=0.05 m，=0.6 m，=1.3 m，

=1.9 m，=2.6 m；

=0.2 m，=0.7 m，=1.3 m，

=2.0 m，=2.5 m。

由圖9可見，在維持工況，冷庫內(nèi)全部截面的溫度能夠維持在目標(biāo)溫度-18 ℃，在堆垛區(qū)域空間內(nèi)溫度甚至在±0.5 ℃內(nèi)波動。

采用空氣制冷的高密度冷庫在夏季降溫-維持工況的結(jié)果為：①夏季降溫工況，13 min時，冷庫的空氣溫度降低到-18 ℃,15 min時，冷庫內(nèi)全部截面的溫度達(dá)到了-18 ℃；貨物溫度也達(dá)到了-18 ℃；②夏季維持工況，冷庫內(nèi)全部截面的溫度和貨物溫度能夠維持在目標(biāo)溫度-18 ℃，溫度波動較小，在±0.5 ℃波動，且不隨時間變化，有很好的維持工況控制溫度精度和溫度均勻性。

5 結(jié)論

1)高密度冷庫的空氣制冷系統(tǒng)通過孔板送風(fēng)的形式，可在貨物密度達(dá)到0.52的高密度冷庫內(nèi)營造較好的溫度場，該溫度場的降溫速率可以保持在較高的水平，可極大縮減冷庫的降溫時間，滿足船用冷庫對降溫工況的時間要求，且溫度場的控制精度較高(≤±1 ℃)，同時溫度均勻性也保持在較高的水平(≤±1 ℃)。

2)在降溫工況達(dá)到目標(biāo)溫度時，庫內(nèi)的溫度場均勻性稍差，冷庫內(nèi)部分截面的溫度超過目標(biāo)溫度及高精度冷庫建議的波動值(±1 ℃)，此時冷庫正處于空氣制冷機組由降溫工況運行向維持工況運行動態(tài)切換的過程，該過程僅需約2 min，說明空氣制冷機組的調(diào)節(jié)性能對于快速營造冷庫內(nèi)穩(wěn)態(tài)溫度場具有優(yōu)勢。