裝設均勻送風管道對冷藏庫氣流流場特性的改善

劉曉菲，南曉紅（西安建筑科技大學環境與市政工程學院，西安710055）

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裝設均勻送風管道對冷藏庫氣流流場特性的改善

劉曉菲，南曉紅※
（西安建筑科技大學環境與市政工程學院，西安710055）

摘要：果蔬冷藏環境對庫內溫濕度及速度場的均勻性有較高要求，采用冷風機加均勻送風管道的形式可以更好地滿足果蔬貯藏的條件。該文針對某200 t蘋果冷藏庫，研究了庫內裝設與不裝設均勻送風管道時庫內的溫度場、速度場及相對濕度場的分布情況。文中建立了冷風機（加均勻送風管道）-貨物-庫內空氣環境的氣體流動、傳熱與傳質的三維耦合數學求解模型。在冷風機送風速度為5.24 m/s，送風溫度為271.15 K，送風相對濕度為90%的條件下，數值模擬研究了冷藏庫內速度場、溫度場及相對濕度場，并通過計算不均勻系數及空氣分布特性指標（air diffusion performance index, ADPI）對流場特性進行了評價。結果顯示，當庫內裝設均勻送風管道時貨物區速度不均勻系數比不設送風管道時降低22.65%，溫度不均勻系數降低20%，相對濕度不均勻系數降低22.73%，空氣分布特性指標增大11.13%。因此，裝設均勻送風管道時庫內速度場、溫度場及相對濕度場均更加均勻。

關鍵詞：流場；冷藏庫；均勻送風管道；氣流組織；不均勻系數

劉曉菲，南曉紅.裝設均勻送風管道對冷藏庫氣流流場特性的改善[J].農業工程學報，2016，32（01）：91-96.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.012 http://www.tcsae.org

Liu Xiaofei, Nan Xiaohong.Improvement on characteristics of air flow field in cold storage with uniform air supply duct [J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering（Transactions of the CSAE）, 2016, 32（01）: 91－96.（in Chinese with English abstract）doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.012 http://www.tcsae.org

0　引言

冷藏庫作為果蔬貯藏的重要設施，庫內溫濕度場的均勻性對果蔬的貯藏品質有較重要的影響，庫內氣流組織的不均勻會導致果蔬貯藏品質的下降并降低冷藏庫企業經濟效益。所以，如何使得庫內溫、濕度均勻合理地保持在最為適宜的貯藏條件是冷藏庫設計和運行時必須要考慮的問題。在庫內設置配風系統能夠獲得更為理想的均勻流場，在冷風機送風口裝設均勻送風管道是一種主要方式[1]。

冷藏庫內冷卻、加濕設備的設計參數、運行參數及貨物質量、品種以及擺放形式等均會對庫內溫濕度場產生影響，庫內溫濕度場的分布較為復雜，國內外學者對庫內溫度場及相對濕度場的影響因素做了大量的研究工作。文獻[2-4]建立綜合傳熱傳質的三維CFD（computational fluid dynamics）計算模型，模擬研究了果蔬呼吸熱、孔隙率及堆貨尺寸對庫內溫濕度場的影響；劉永娟通過建立三維CFD穩態模型研究了冷風機送風速度及貨物擺放形式對庫內速度場及溫度場的影響[5]；文獻[6-7]分析了3種不同風機擺設形式對庫內氣流場的影響，得出風機背對吹風式為最佳擺設形式；文獻[8-9]通過建立包含冷庫內部對流、冷庫門空氣幕射流及室外環境風場流動在內的三維耦合數值模型研究了空氣幕性能的影響因素及空氣幕運行時庫內流場的分布情況；文獻[10-11]采用理論計算和CFD模擬相結合的方法分析了熱壓作用下的冷庫門的冷風滲透率；謝晶等人用計算流體力學技術對冷庫開關門過程進行了非穩態數值模擬，分析了冷庫開關門過程中庫內外溫度場的變化，研究了室外空氣對庫內溫度場的影響情況[12]。

公開發表的文章鮮有涉及到冷藏庫內裝設與不裝設均勻送風管道時庫內速度場、溫度場及相對濕度場分布情況的研究。因此，為了確定在庫內裝設均勻送風管道后溫度場和相對濕度場的均勻性及合理性的改善程度，本文以陜西省延安市某200 t的蘋果冷藏庫為研究對象，采用紊流模型和Simple算法對比研究了庫內有無均勻送風裝置時速度場、溫度場及相對濕度場的分布情況。研究結果為冷庫的建設和提高果蔬貯藏品質提供理論指導。

1　三維耦合數學求解模型

1.1物理模型

本文研究的冷藏庫容量為200 t，冷卻設備采用落地式冷風機，送風裝置為均勻送風管道，均勻送風管道的總長度為16.1 m，首段風管斷面尺寸為2 m×0.6 m，末端風管斷面尺寸為0.4 m×0.6 m，均勻送風管道的兩側面上以0.617 m的間隔均勻設置50個圓錐形送風口，風口的直徑為0.18 m。貨物采用兩堆放置，貨物堆距兩側墻面0.6 m，貨物堆間距2.2 m，距冷庫前后側墻面各2 m，距地面0.2 m。計算模型見圖1。

圖1　設有均勻送風裝置的冷藏庫模型Fig.1 Physical model of cold storage that equipped with uniform air supply duct

作為對比，現將該冷藏庫設計另外設置一套冷卻設備，依據冷卻面積為主、風量作為參考的原則[13]，為該冷藏庫選擇一臺吊頂式冷風機作為冷卻設備，該冷風機的參數如表1所示。冷風機距兩側墻為6.1 m，距背面墻為0.5 m。庫內貨物堆放形式不變。計算模型見圖2。

圖2　冷卻設備為吊頂式冷風機的冷藏庫模型Fig.2 Physical model of cold storage without uniform air supply duct

表1　冷卻設備參數Table 1 Air-cooler parameters

1.2數學模型

1.2.1控制方程

計算域內流體流動與傳熱的控制方程包括連續性方程、動量方程、能量方程和k-ε兩方程模型方程，聯立這些方程可以得到方程組的通用形式如下：

式中φ、Γφ、Sφ分別是通用變量、廣義擴散系數和廣義源項。對應于不同的通用變量，式中各項參數的具體表達式可參見文獻[14]。

1.2.2貨物區的處理

針對蘋果冷藏庫，將庫內貨物看作多孔介質，水果間隙的空氣對應于多孔介質中的流體。

1）貨物區多孔介質阻力

當庫內空氣受冷風機送風作用向果蔬內滲流時要受到水果對其的阻力，這部分阻力在計算時作為流體動量方程的源項被考慮，其主要表現為黏性阻力和慣性阻力：

式中μ代表流體的動力黏度，Pa·s；α為多孔介質的滲透率，m2；C2是慣性阻力系數，1/m；ρ為流體的密度，kg/m3；vi代表速度在X、Y和Z方向的分量，m/s；vmag是流體的速度，m/s。

依據Ergun方程[15]可以得到黏性阻力系數和慣性阻力系數：

式中Dp為多孔介質顆粒的平均粒徑，m；ε為多孔介質的孔隙率。

2）果蔬呼吸熱

果蔬在庫內貯藏期間一直發生呼吸作用，經過呼吸作用產生的能量有45%轉化為生物能維持果蔬的生命活動，另外55%的能量則以呼吸熱的方式釋放[16]。果蔬呼吸熱在計算時作為能量方程的源項被考慮。針對所研究的蘋果冷藏庫，果蔬的呼吸產熱速率可由文獻[17]查得。

1.2.3邊界條件

合理地設置邊界條件對問題的研究起著非常重要的作用，針對本文的研究對象，邊界條件進行如下的設置：

1）冷風機送風口：速度入口，設有均勻送風裝置的冷藏庫送風速度為5.24 m/s，無均勻送風裝置的冷藏庫送風速度為8.48 m/s，送風溫度為271.15 K，送風空氣中水蒸氣的質量分數為0.002 9（相對濕度為90%）。

2）冷風機回風口：自由出流，適用于在計算完成前無法確定壓強和速度的情況，在計算時fluent軟件默認將除壓強以外的所有流動參數的法向梯度都設為0。

3）冷庫壁面熱邊界條件

外墻，第三類邊界條件，外表面與庫外空氣對流換熱系數為23 W/m2·K，庫外空氣溫度299.25 K，墻體厚度668 mm，墻體材料導熱系數0.26 W/m·K；

屋頂，第三類邊界條件，屋頂與庫外空氣對流傳熱系數為23 W/m2·K，庫外空氣溫度299.25 K，屋面厚度314mm，屋頂導熱系數為0.2 W/m·K；

地面，第二類邊界條件，熱流密度為3 W/m2。

2　計算模型的試驗驗證

為驗證本文建立的數值模型的可靠性，對所研究的冷藏庫（冷卻設備為落地式冷風機加設均勻送風管道）的庫內空氣速度和溫度場進行了測試，試驗測試的條件為：均勻送風管道送風口的送風速度為5.24 m/s，送風溫度為-2℃。試驗測試用的主要儀器有熱電風速儀ZRQFF30J（北京協亞電子有限公司）、紅外線測溫儀EC-8339（上海舒佳電氣有限公司）。熱電風速儀的測速精度為（±0.01）m/s，測速范圍為0.05～30 m/s，測溫精度為（±0.1）℃，測溫范圍為-10～50℃。紅外線測溫儀的測溫精度為（±1）℃，測溫范圍為-32～600℃。試驗測試共布置16個測點，測點位置如圖3所示。

圖3　試驗測點位置示意圖（距地面1 m的水平面）Fig.3 Positions of measuring points （Distance between measuring points and floor is 1 m）

圖4顯示了測試結果與模擬計算結果的對比情況，從圖中可以看到，距冷風機回風口較遠的測點的空氣的溫度較低；而由于回風不斷卷吸周圍果蔬呼吸熱量，距離回風口越近的測點溫度越高。測試值與計算值偏差在15%以內的測點有13個，占總測點數的81.25%，測試值與計算值偏差在15%以上的測點有3個，占總測點數的18.75%。可見，模擬結果和現場測試值差別較小，表明本文所建立的數值模型是可靠的。

圖4　庫內測點溫度測試值與模擬值的對比Fig.4 Comparison of predicted temperatures with experimental temperatures in cold storage

3　氣流組織評價指標

目前，常用的氣流組織評價指標主要包括3方面：送風有效性的描述參數、污染物排除有效性的描述參數及能量有效利用和熱舒適的描述參數[18]。對于冷藏庫這類特殊的建筑，人們關心的主要是對果蔬貯藏品質影響較大的因素，如風速、溫度及相對濕度等。為了能夠更加合理直觀地評價庫內的氣流組織效果，本文采用不均勻系數及空氣分布特性指標對果蔬冷藏庫內氣流組織進行評價。

3.1溫度不均勻系數

果蔬貯藏時，人們為提高冷庫的經濟效益，庫內一般擺放較多的貨物，容積利用系數較大，而果蔬又在不斷地進行呼吸作用及蒸騰作用，因而庫內不同區域溫度、相對濕度可能存在較大差異，而果蔬貯藏對風速、溫度及相對濕度等參數的均勻性要求較高，所以對庫內空氣溫度、相對濕度的均勻性評價顯得尤為重要。鑒于此，本文引入“不均勻系數”來評價庫內氣流組織的均勻性，包括溫度不均勻系數和相對濕度不均勻系數，溫度不均勻系數的概念及計算公式如下。

溫度不均勻系數kt、相對濕度不均勻系數kR（概念和計算公式均類似于溫度不均勻系數）都是無量綱數。kt、kR的值越小，表示溫度場及相對濕度場的均勻性越好。

3.2空氣分布特性指標

為整體評價冷庫內部環境滿足果蔬貯藏條件的程度，引入“空氣分布特性指標（air diffusion performance index, ADPI）”。通過在冷庫內部建立測點，然后測試各個測點的風速、溫度及相對濕度的值，則同時滿足果蔬貯藏溫度及相對濕度要求的測點數與總測點數的比值即為空氣分布特性指標的值[19]。ADPI的值越大，說明滿足果蔬貯藏要求的測點比例越大，則冷庫內部的氣流組織效果就越好。其計算公式如下：

為了使氣流組織評價指標的計算結果更為客觀準確，本文在庫內貨物區依長寬高3個方向以1 m為步長均勻取點，共建立780個測點。

4　計算結果分析及評價

4.1計算結果分析

4.1.1溫度場對比與分析

從圖5a和圖5b可以看出，有均勻送風裝置時庫內貨物區的溫度范圍在272.5～273.3 K，貨物堆內最大溫差為0.8 K，貨物區的溫度基本滿足蘋果的貯藏條件（273.15 K，并允許上下波動0.5 K）[1]；當庫內無均勻送風裝置時，貨物區的溫度范圍為272～273.2 K，貨物區內最大溫差為1.2 K，無均勻送風裝置的冷藏庫內貨物區內最大溫差較有均勻送風裝置時高33%。且無均勻送風管道時，庫內貨物區溫度偏低。經過以上分析可以發現，有均勻送風裝置時庫內貨物區溫度場更均勻且更接近貯藏條件。

圖5　不同冷卻設備形式下x=7.67 m截面溫度分布圖Fig.5 Temperature distribution at plane of x=7.67 m under two different conditions

4.1.2相對濕度場對比與分析

從圖6a和6b可以看出，當庫內有均勻送風裝置時貨物區相對濕度變化范圍為87%～92%，最大相對濕度差值為5%；當庫內無均勻送風裝置時，貨物區相對濕度變化范圍為87%～94%，最大差值為7%，無均勻送風裝置的冷藏庫內貨物區相對濕度最大差值比有均勻送風裝置高28.57%。因此，當庫內設有均勻送風裝置時貨物區相對濕度更加均勻。

圖6　不同冷卻設備形式下x=7.67 m截面相對濕度分布圖Fig.6 Relative humidity distribution at plane of x=7.67 m under two different conditions

4.2氣流組織評價指標的計算及分析

在冷藏庫內貨物區以1 m為步長沿3個坐標軸方向均勻建立780個測點，調取每個測點的溫度、風速及相對濕度的值，然后按照公式5、公式6及公式7進行氣流組織評價指標的計算，計算結果如表2所示。

表2　氣流組織評價指標計算結果Table 2 Value of air distribution evaluation indexes

從表格2可以看出，裝設均勻送風裝置的冷庫和不設均勻送風裝置的冷庫庫內溫度和相對濕度均能滿足蘋果貯藏的條件，然而庫內貨物區的溫度和相對濕度的不均勻度有明顯差別：裝設均勻送風裝置的冷藏庫內貨物區溫度不均勻系數比不設均勻送風裝置的冷藏庫內貨物區溫度不均勻系數小20%，裝設均勻送風裝置時貨物區相對濕度不均勻系數比不設均勻送風裝置時小22.73%，裝設均勻送風裝置時貨物區滿足規定風速、溫度和相對濕度的測點數與總測點數的比值（空氣分布特性指標，ADPI）比不設均勻送風裝置時大11.13%。因此，裝設均勻送風裝置時貨物區溫度場和相對濕度場會更加均勻。

5　結論

本文以延安市某蘋果冷藏庫為研究對象，建立了庫內氣體流動與傳熱的三維數學求解模型，依據冷卻面積、送風量及送風溫度相同的原則，為該冷庫重新設置一套冷卻設備后，對比研究了2套不同冷卻設備的庫內溫濕度場的分布情況，主要得出如下結論：

1）在對冷藏庫內氣流組織進行評價時，通過引入溫濕度的平均值、不均勻系數及ADPI指標能夠更加合理直觀地評價冷藏庫內溫濕度場的分布情況。

2）采用均勻送風裝置時，庫內貨物區的溫度不均勻系數比無均勻送風裝置時小20%，貨物區的相對濕度不均勻系數比無均勻送風裝置時小22.73%，ADPI指標比無均勻送風裝置時大11.13%。設置均勻送風裝置時庫內溫度場與濕度場的均勻性有較大改善。

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Improvement on characteristics of air flow field in cold storage with uniform air supply duct

Liu Xiaofei, Nan Xiaohong※
（School of Environmental and Municipal Engineering, Xi′an University of Architecture and Technology, Xi′an 710055, China）

Abstract:The cold storage of fruit and vegetable has higher request for the uniformity of temperature, relative humidity and air velocity.The air-cooler with uniform air supply duct can meet the condition of fruit and vegetable storage better.The authors chose a cold storage of apples as a research object and explored the velocity, temperature and relative humidity fields under two different conditions: one used the distribution system and the other did not.Then a combination of CFD （computational fluid dynamics）calculation and experimental study was carried out to further understand the complicated phenomenon of air flow and heat transfer in cold storage.A three dimension physical and numerical model for flow, heat and mass transfer inside the air-cooler（with uniform air supply duct）-cargo-air in the cold storage was developed.The k-ε turbulent model was considered as CFD model.The apple zone was regarded as porous medium zone.When the inlet temperature was 271.15K, inlet velocity was 8.48 m/s and inlet relative humidity was 90%, the velocity, temperature and relative humidity distributions were simulated by CFD software.The simulation results were validated by experimental results.The main instruments for experiment included thermal anemometer ZRQF-F30J and infrared thermometer EC-8399.The total amount of 16 measurement points were tested at following air-cooler inlet parameters: 271.15 K, 8.48m/s and relative humidity 90% , and the air supply system was a uniform air supply duct.The relative difference of the temperature between simulation value and experimental data at 13 measurement points was less than 15%, occupying 81.25% of total measurement points.The numerical results were in good agreement with the measured results.Simulation results showed that the maximum difference in temperature was 0.8 K for the cold storage equipped with a uniform air supply duct and 1.2 K the cold storage without uniform air supply duct.The maximum difference in temperature for the cold storage with uniform air supply duct was 33.33% lower than that without the uniform air supply duct.The maximum difference in relative humidity was 5% for the cold storage equipped with a uniform air supply duct, and 7% when the cold storage without uniform air supply duct.The maximum difference in relative humidity for the cold storage with uniform air supply duct was 28.75% lower than that without the uniform air supply duct.Further, the non-uniformity coefficient and air diffusion performance index（ADPI）were introduced to assess the fields.The total amount of 780 measurement points were selected, which were uniformly distributed and the step length of three coordinate directions was 1 m in the studied cold storage.Both of the non-uniformity coefficient and air diffusion performance index（ADPI）was computational by gathered velocity, temperature and relative humidity of every measurement points.When the uniform air supply duct was installed in the cold storage, the non-uniformity coefficient of air velocity was 22.65% lower than the cold storage without uniform air supply duct.The non-uniformity coefficient of temperature was 20% lower than the cold storage without uniform air supply duct.The non-uniformity coefficient of relative humidity was 22.73% lower than the cold storage without uniform air supply duct.The value of ADPI was 11.13% higher than the cold storage without uniform air supply duct.Thus, the air velocity, temperature and relative humidity fields were more uniform in the cold storage which had the uniform air supply duct.

Keywords:flow fields; cold storage; uniform air supply duct; air distribution; non-uniformity coefficient

通信作者：※南曉紅，女，陜西西安人，教授，主要從事制冷技術領域的科研與教學工作研究。西安西安建筑科技大學環境與市政工程學院，710055。Email: nanxh@xauat.edu.cn

作者簡介：劉曉菲，男，河南平頂山人，研究方向為冷庫內溫濕度場的數值模擬。西安西安建筑科技大學環境與市政工程學院，710055。Email:1126558853@qq.com

基金項目：“十一五”國家科技支撐計劃（2008BAJ08B07-1）

收稿日期：2015-08-09

修訂日期：2015-11-12

中圖分類號：TB61+1

文獻標志碼：A

文章編號：1002-6819（2016）-01-0091-06

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.012