冷風機的布置形式對冰溫庫溫度分布影響的研究

程花蕊 董生懷 劉群生 李志強

冷風機的布置形式對冰溫庫溫度分布影響的研究

程花蕊1董生懷1劉群生1李志強2

（1.河南牧業經濟學院能源與動力工程學院 鄭州 450011；2.中原工學院能源與環境學院 鄭州 450007）

冷風機的布置形式對冰溫庫的溫度均勻性有較大的影響，對實際使用的冰溫庫溫度進行了模擬分析和實際測量。在冷風機分別布置為側面安裝單出風口、吊頂安裝雙出風口和吊頂安裝四個出風口時，利用流體力學軟件模擬了冰溫庫在不同的冷風機布置形式下的溫度分布，同時實際測量了冷風機側面安裝單出風口和吊頂安裝雙出風口兩種布置形式下不同截面測點的溫度，并與其模擬溫度進行了對比。結果表明：冷風機吊頂安裝四個出風口時冰溫庫的溫度分布更均勻。

冷風機；冰溫庫；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境的貯藏方法。冰溫貯藏可以高品質地保存食品的新鮮度、口感和風味。隨著我國經濟的快速發展，人們的物質生活品質也在不斷提高，消費者對冰溫食品的需求量也越來越大。冰溫庫作為冷藏冰溫食品的固定場所，須具有較高的溫度均勻性和控制精度。

目前研究冷庫的有效手段是計算流體力學（Computational Fluid dynamics，CFD）方法，湯毅等人對風機的擺放形式對冷庫的影響進行了CFD模擬分析[1]，Miroslawa和Kamil等人對蔬菜保鮮庫內部傳熱傳質過程建立了數值模型并進行了模擬分析[2]；Xie Jing等人基于溫度場對冷庫設計參數進行了CFD優化分析[3]；Tian Shen等人采用數值方法分析了冷庫空氣滲透過程[4]；Cheng Xiwen等人采用實驗和數值方法分析了相變材料對冷庫效率的提升[5]；李藝哲和謝晶對冷庫內溫度場進行了數值模擬與優化[6]；田紳等人對冷庫滲風的動態過程進行了數值模擬分析[7]。應用CFD可根據不同的目的要求靈活改變模型和條件，模擬理想或復雜過程下的溫度分布和速度分布，相比實際試驗研究具有節約試驗成本等優勢。

本文針對目標冰溫庫，研究庫內冷風機分別布置為側面安裝單出風口、吊頂安裝雙出風口、吊頂安裝四個出風口三種形式下庫內的溫度分布規律。首先建立冷風機三種布置形式下的數值計算模型，模擬其庫內固定截面溫度的分布；其次，實際測量和分析冷風機分別布置為側面安裝單出風口、吊頂安裝雙出風口兩種形式下庫內固定截面溫度的分布；通過研究冰溫庫固定截面的溫度分布，得出哪一種風機布置形式下庫內的溫度分布更均勻，為實際冰溫庫冷風機的優化布置提供參考。

1 數值計算

1.1 物理模型

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

根據研究目標，分別建立了三種數值計算模型。數值模擬主要針對冰溫庫內的溫度場和速度場，對冰溫庫內區進行幾何建模。模型一為側面安裝單面出風的冷風機，模型二為吊頂安裝雙面出風的冷風機，模型三為吊頂安裝四面出風的冷風機。數值分析計算的幾何建模和網格劃分在Gambit軟件中實現。模型一、模型二和模型三計算域內采用非結構化四面體網格劃分，共計生成計算網格單元數分別為806916個、806916個和637250個。

圖1 三種模型示意圖

1.2 數學模型

針對冰溫庫，首先建立適合庫內空氣流動換熱的數學模型，并作如下假設：（1）空氣不可壓縮，且符合Boussinesq假設，即認為流體密度變化僅對浮升力產生影響；（2）冰溫庫內的空氣在風機驅動下的流動屬于三維紊流流動，可采用SpaldingDB的紊流流場-數學模型[8]，在直角坐標系下，聯立連續性方程、動量守恒方程、能量守恒方程、方程以及方程作為計算方程組[9]。

連續性方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

方程：

方程：

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

1.3 邊界條件

（1）冷風機出風口采用速度型入口（velocity inlet），直接指定入口平面法向速度，速度按照各風口理論風量和風口面積計算；模型一送風溫度采用實測值-2.5℃設定，模型二、模型三送風溫度采用實測值-3.3℃設定。

（2）冷風機回風口采用出流邊界條件（outflow），按照冰溫庫內風量平衡和回風口局部壓力狀態計算回風矢量；模型一回風口溫度按照冰溫庫內實測平均溫度-1.5℃設定，模型二、模型三回風口溫度按照冰溫庫內實測平均溫度-2℃設定。

（3）冷風機箱體處于冰溫庫數值計算域內的部分，動量邊界按照無滑移壁面處理；熱邊界條件按照絕熱壁面設定。

（4）冰溫庫壁面動量邊界按照無滑移壁面處理；熱邊界條件按照復合傳熱邊界設定：表面傳熱系數0.25W/(m2·℃)，壁面材料導熱系數=0.031W/(m·℃)，冰溫庫外環境溫度按20℃計算。

2 數值模擬結果

為研究目標冰溫庫在哪種風機布置形式下的溫度分布更均勻，在冷庫中沿y坐標方向的0.5m、0.9m、1.3m位置處選取三個XZ截面作為研究截面，分別記為截面1、2、3。冷風機不同布置形式下冰溫庫內的速度分布如圖2、圖3和圖4所示。

圖2 模型一冰溫庫內速度分布

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和回風是幾何對稱，氣流在中心截面的擾動較小，速度場相對均勻，模型三的出風口是四個方向，氣流在中間截面的擾動比較大，速度場相對不均勻。

冷風機不同布置形式下冰溫庫內的溫度分布如圖5、圖6和圖7所示。

圖6 模型二冰溫庫內溫度分布

圖7 模型三冰溫庫內溫度分布

根據模擬結果，將模擬的溫度數據全部導出到Tecplot圖形處理軟件中對數據進行處理。處理的方式是分別計算出模型一、模型二和模型三三種風機布置形式下其相應的截面1、2、3的模擬溫度平均值和均方差。冷風機三種布置形式下三個截面模擬溫度平均值及其均方差結果如圖8所示。

圖8 三種冷風機形式下三個截面模擬平均溫度及其均方差

圖8可看出，冷風機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定，說明風機的布置形式對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均方差越來越大，模型二和模型三具有相同的出風溫度和出風口總面積，模型二各截面的均方差大于模型三各截面的均方差，說明模型三中吊頂冷風機四個出風口時固定截面的平均溫度較一致，庫內的溫度分布較均勻，更利于冰溫庫內的食品貯藏。

圖8的模擬結果還顯示，模型二吊頂冷風機雙面出風時中間截面的均方差較小，說明中間截面的溫度更均勻，雙面出風，氣流在中間面相匯進入回風口，幾何對稱，氣流場較穩定，溫度場也較穩定；模型三吊頂冷風機四面出風時中間截面的均方差較大，說明中間截面的溫度均勻性差，因為四面出風，氣流在中間面相匯時擾動作用較大，氣流相互影響不穩定，溫度場也不穩定。

3 實驗數據與模擬數據分析

3.1 實驗方法

為了研究目標冰溫庫內的溫度分布規律，對模型一、模型二的庫內實際溫度進行了測量。在冰溫庫內用細鋼管作為支架，在庫內1、2、3截面的上、中、下固定位置分別布置12個溫度傳感器檢測各點的實際溫度。在冷風機出風口和回風口各布置2個溫度傳感器檢測實際出風和回風溫度。溫度傳感器采用銅-康銅熱電偶，數據采集用2700 MULTIMETER/DATA ACQUISITION SYSTEM（2700型萬用表/數據采集系統）和7702 40 CHAN MULTIPLEX（7702型40通道差分輸入開關卡），用Kickstart軟件實時采集冰溫庫內的溫度數據，獲得穩態情況下截面上不同位置的溫度實際測量值。

3.2 實驗數據處理

模型一根據出風口實際測量最低溫度-2.5℃進行數據處理，模型二根據出風口實際測量最低溫度-3.3℃進行數據處理。在兩種風機布置形式下，根據出風口實際測量最低溫度，對每個測溫點取40組數據計算其平均溫度，然后再根據截面1、2、3相應溫度測點的平均值再計算出各截面的平均溫度，使測量值更接近實際值。

3.3 實驗數據與模擬數據比較

根據模型一和模型二的數據處理結果，實測得到的庫內三個截面溫度平均值和模擬得到的三個截面溫度平均值結果如圖9所示。圖中可看出模擬溫度和實測溫度的變化趨勢是一致的，說明建立的數學模型符合實際情況；各截面的模擬溫度低于實測溫度，符合一般規律，因為實際運行的冰溫庫溫度場會受到庫內外很多因素的影響，而模擬溫度相對而言考慮的影響因素較少。

由于條件限制，模型三對冰溫庫內的溫度影響沒有進行實際測量，但根據上述兩個模型下冰溫庫內溫度的模擬結果，及實測結果和模擬結果的比較，可推廣應用到模型三時冰溫庫的溫度變化。

圖9 截面模擬和實測平均溫度

4 結論

在三種冷風機布置形式下，對于目標冰溫庫，分別研究了三個固定截面的溫度分布，模擬結果顯示三種冷風機布置形式下固定截面的平均溫度都比較穩定，說明冷風機的布置形式對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溫度和出風口總面積，但模型二各截面的均方差大于模型三各截面的均方差，說明模型三中吊頂冷風機四個出風口時固定截面的平均溫度一致性較好，庫內的溫度分布均勻性較好。

對模型一和模型二研究的三個固定截面的實際溫度的檢測處理，結果顯示兩種模型的模擬溫度和實測溫度的變化趨勢都一致，說明建立的數學模型符合實際情況；各截面的模擬溫度均低于實測溫度，符合一般規律，因此研究的結論可推廣應用到模型三吊頂式冷風機四面出風的冰溫庫。結合上述的模擬、實測結果，本文提出的吊頂四面出風的冰溫庫庫內的溫度更均勻，更穩定，更有利于冰溫食品的貯藏。

[1] 湯毅,謝晶,王金鋒.CFD預測風機擺放形式對冷庫的影響[J].食品與機械,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.大型冷庫內溫度場的數值模擬與優化[J].食品與機械,2017,33(6):139-142.

[7] 田紳,邵雙全,張坤竹,等.冷庫庫門的非穩態RANS模型滲風研究[J].制冷學報,2017,38(3):63-69.

[8] 張登春,陳煥新,舒信偉,等.空調車內三維紊流流動與傳熱的模擬研究[J].鐵道學報,2002,24(6):39-43.

[9] 呂全立,林金庭,陳效建,等.異質結構的流體動力學輸運模型及其在HBT一維分析中的應用[J].固體電子學研究與進展,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年度河南省重點科技攻關項目（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