多溫區(qū)冷藏運(yùn)輸車氣流組織特性研究

趙 曜 唐剛志 朱孫科

(重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074)

多溫區(qū)冷藏運(yùn)輸車氣流組織特性研究

趙 曜 唐剛志 朱孫科

(重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074)

多溫區(qū)公路冷藏運(yùn)輸車比單溫區(qū)冷藏運(yùn)輸車更能適應(yīng)貨量變化和溫度變化需求，車內(nèi)冷間氣流組織方式很大程度上影響冷間溫度，采用CFD技術(shù)研究了單蒸發(fā)器多溫區(qū)冷藏運(yùn)輸車內(nèi)上供下回氣流組織方式對溫度分布影響，并針對溫度不均勻問題進(jìn)行分析探討，為多溫區(qū)冷藏運(yùn)輸車的設(shè)計優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

冷藏運(yùn)輸車；多溫區(qū)；氣流組織；溫度特性

中國公路冷藏運(yùn)輸車占冷鏈物流的30%，歐美國家達(dá)到60%，食品種類多樣和貨量變化對新鮮食品的運(yùn)輸保鮮方面提出更大挑戰(zhàn)，也對冷鏈物流系統(tǒng)提出了更高要求[1]。對于單一溫度冷藏運(yùn)輸車，貨量的不足可能導(dǎo)致冷藏運(yùn)輸車空載，而有時又有多種貨物同時運(yùn)輸?shù)男枰虼硕鄿貐^(qū)冷藏運(yùn)輸車是解決空載和多種貨物同時運(yùn)輸很好的選擇，更加符合食品運(yùn)輸市場的配置需求。

CFD應(yīng)用范圍涉及到冷凍、冷藏、真空冷卻等過程中食品的傳熱問題。Liu M等[2-3]研究了相變材料在冷藏車運(yùn)輸過程中的4個融化階段，并分析了融化速度隨時間變化規(guī)律。Oro E等[4-5]研究了無低溫冷藏運(yùn)輸車的食品溫度響應(yīng)曲線，并將結(jié)果應(yīng)用到實際設(shè)計中。張哲[6]建立了一個冷藏車內(nèi)部氣流組織特性的數(shù)學(xué)模型，并分析研究了多種因素對流場的影響。郭嘉明[7]分析了CFD在國內(nèi)外冷藏庫和冷藏車研發(fā)中應(yīng)用研究現(xiàn)狀，針對CFD模擬過程中典型問題，提出了CFD在食品儲運(yùn)設(shè)備研發(fā)應(yīng)用中可以提高模型科學(xué)性、提高網(wǎng)格質(zhì)量的合適求解模型。與以上研究不同，本研究只在冷凍區(qū)設(shè)置出風(fēng)口，而其它溫區(qū)的氣流靠隔板上下兩側(cè)空間滲透，基于CFD仿真技術(shù)，對單蒸發(fā)器多溫區(qū)冷藏車上部送風(fēng)，下部回風(fēng)氣流組織方式作用下的不同冷間參數(shù)場進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)計算結(jié)果，分析局部溫度場不均勻原因，并對設(shè)計中風(fēng)速、風(fēng)向及冷間布置等氣流組織方法提出合理建議。

1 物理模型建立

以單蒸發(fā)器機(jī)械式冷藏運(yùn)輸車為研究對象，共分為3個溫度區(qū)(冷凍區(qū)、冷藏區(qū)和常溫區(qū))，3個冷間均采用上供下回的氣流組織方式，不同冷間之間用隔板分隔，可根據(jù)貨量變化的不同需求來調(diào)節(jié)隔板位置進(jìn)而改變各冷間大小。簡化后整體車廂的尺寸為(長寬高)8 000 mm×2 500 mm×2 500 mm，設(shè)定氣流溫度為冷凍區(qū)240～250 K，冷藏區(qū)260～270 K，常溫區(qū)290～300 K。

2 數(shù)學(xué)模型假設(shè)

計算過程中作以下假設(shè)：

① 冷間內(nèi)氣體為不可壓縮氣體且符合Boussienq假設(shè)；

② 冷間內(nèi)流動傳熱過程為穩(wěn)態(tài)過程；

③ 冷間沒有車門開關(guān)過程氣體出入流動；

④ 氣體物性參數(shù)為常數(shù)。

3 計算條件

尺寸參數(shù)：冷間總尺寸8 000 mm×2 500 mm×2 500 mm，其中冷凍間長度2 800 mm，冷藏間長度2 300 mm，常溫間長度2 500 mm；冷凍間與冷藏間，冷藏間與常溫間之間為200 mm寬度聚苯乙烯保溫材料，進(jìn)風(fēng)口位于車廂內(nèi)側(cè)靠近車頭上部位置，風(fēng)向為水平方向，風(fēng)口尺寸為1 000 mm×500 mm。

計算參數(shù)：室外溫度取300 K，車廂保溫材料傳熱系數(shù)K取0.5 W/(m·K)，采用穩(wěn)態(tài)傳熱計算，進(jìn)口風(fēng)速取0.05 m/s，溫度240 K，隔板材料邊界條件取絕熱條件，熱流密度為0，計算狀態(tài)為空載狀態(tài)。

4 物理模型

模型送風(fēng)口位于冷凍室上方，計算采用上側(cè)送風(fēng)，下側(cè)回風(fēng)，兩個冷間隔板均在上部和下部留有送風(fēng)口與回風(fēng)口，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分模型，車廂整體計算網(wǎng)格劃分見圖1。由于冷空氣密度較大，經(jīng)冷間加熱后密度變小，體積膨脹，因此隔板上方送風(fēng)口高度較小，為100 mm，下方回風(fēng)口高度為300 mm。車長方向x=0截面冷間布置見圖2。

圖1 冷凍、冷藏及常溫區(qū)網(wǎng)格劃分Figure 1 Meshing of frozen, refrigerated and normal temperature zone

圖2 x=0截面Figure 2 Cross-section of x=0

5 結(jié)果分析

利用隔板與車廂內(nèi)壁之間的間隔可以實現(xiàn)供回風(fēng)氣流組織與風(fēng)量控制，可以實現(xiàn)單蒸發(fā)器工況下的多溫區(qū)功能[8]。圖3為車長方向中心x=0截面溫度分布等值線。由圖3可知，冷凍間、冷藏間、常溫間空載狀態(tài)溫度分別分布在240，270，290 K附近，符合相應(yīng)冷間溫度需求。圖4為車長方向x=1截面溫度分布等值線，由于寬度方向遠(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)口，與壁面進(jìn)行對流換熱使氣體溫度有所升高，但仍在合理范圍內(nèi)，冷凍間由于存在進(jìn)風(fēng)口，在冷間上側(cè)和右側(cè)，由于氣流影響，溫度較低，而左下側(cè)和中間溫度相對較高。

從冷藏運(yùn)輸車三維溫度分布圖(圖5)中可以看出，在冷風(fēng)出口附近的中間區(qū)域，溫度較低，而在車廂兩側(cè)離車廂壁面較近區(qū)域，受外界溫度影響，溫度較高，從冷凍間到常溫間，溫度分布不均勻性依次降低，常溫間溫度分布較均勻。

圖3 x=0截面溫度等值線Figure 3 Temperature isoclines in cross-section of x=0

圖4 x=1截面溫度等值線Figure 4 Temperature isoclines in cross-section of x=1

圖5 冷藏運(yùn)輸車三維溫度場云圖Figure 5 Three dimensional temperature field of refrigerated transport truck

冷間溫度的主要影響因素是風(fēng)速與冷間布局，兩者相互協(xié)調(diào)是設(shè)計中的重點(diǎn)內(nèi)容[9]，圖6與圖7是與以上溫度分布相對應(yīng)截面上的速度分布，冷風(fēng)出口氣流速度較高，在沖擊隔板后很快衰減，從冷凍室到常溫室渦旋尺度逐漸減小，冷凍室和冷藏室中心處的渦旋明顯，即冷間四周流速高，中心流速低，x=1截面處渦旋不明顯，各個冷間速度分布較均勻。從速度-溫度圖對比中可以發(fā)現(xiàn)小渦旋存在位置溫度較高，因此，促進(jìn)小渦旋的耗散可以進(jìn)而增加溫度分布的均勻性，風(fēng)口空間位置，出風(fēng)面積和出風(fēng)角度是影響氣流組織過程的重要因素。

圖6 x=0截面速度分布云圖Figure 6 Velocity contour in cross-section of x=0

圖7 x=1截面速度分布云圖Figure 7 Velocity contour in cross-section of x=1

6 結(jié)論

冷藏運(yùn)輸車供冷受限于驅(qū)動條件，一般功率較小，因此，保證溫度均勻，合理分配冷量是氣流組織過程的重點(diǎn)內(nèi)容，本研究結(jié)論如下：

(1) 多溫區(qū)冷藏車中靠近出風(fēng)口最近的冷間流場流速分布不均勻，中間區(qū)域溫度較高，氣流組織過程中應(yīng)采用導(dǎo)流手段使中間區(qū)域流速增加。

(2) 沿車廂寬度方向溫度分布中間低，兩端高，在布置風(fēng)口時可以采用多個風(fēng)口在寬度方向平均分配的方式，有利于寬度方向溫度均勻。

(3) 本研究基于空載工況下，考慮實際工況食品的冷藏要求，建議冷風(fēng)機(jī)出風(fēng)速度在1～5 m/s 左右。

(4) 適當(dāng)增加冷凍室長度，使冷凍間、冷藏間和常溫間之間沿車長方向長度保持合理比例，避免冷氣沖擊隔板產(chǎn)生摩擦熱量，有利于冷卻出風(fēng)口下部區(qū)域。

(5) 出風(fēng)口方向可以適當(dāng)向上傾斜，有利于沿車長方向冷空氣均勻分布。

(6) 冷間之間盡量采用導(dǎo)熱系數(shù)小的隔板，更有利于保持溫度分區(qū)。

[1] 于學(xué)軍. 冷凍冷藏食品貯藏與運(yùn)輸[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2007: 25-28.

[2] LIU Ming, BRUNO F, SAMAN W. Thermal performance analysis of a flat slab phase change thermal storage unit with liquid-based heat transfer fluid for cooling applications [J]. Solar Energy, 2011, 85(11): 3 017-3 027.

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[5] ORO E, MIRO L, FARID M M. Improving thermal performance of freezers using phase change materials [J]. International Journal of Refrigeration, 2012, 35(4): 984-991.

[6] 張哲, 田津津. 冷藏車內(nèi)部流場的數(shù)值研究[J]. 低溫與超導(dǎo), 2009, 37(8): 59-61.

[7] 郭嘉明, 陸華忠, 呂恩利. CFD在食品儲運(yùn)設(shè)備研發(fā)中的應(yīng)用[J]. 農(nóng)機(jī)化研究, 2012(8): 219-222.

[8] 謝晶, 湯毅, 王金鋒. 三維流體力學(xué)預(yù)測風(fēng)機(jī)不同布置形式對冷庫氣流的影響[J]. 食品工業(yè)科技, 2011, 32(11): 349-351.

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Research of air distribution characteristic for single evaporator multiple temperature zones refrigerated truck

ZHAO YaoTANGGang-zhiZHUSun-ke

(SchoolofMachinery&ElectronicEngineering&VehicleEngineering,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China)

Compared to single temperature zones refrigerated truck, multiple temperature zones refrigerated truck is more comfortable with cargo demand and temperature changes. Air distribution in the truck cold room could affect its temperature significantly. In this paper, the influence of air distribution to temperature range in single evaporator multiple temperature zones refrigeration truck was studied based on CFD technology. Moreover, temperature non-uniformity problems were also analyzed. The results provided a theory basis for the design optimization of multiple zones refrigerated truck.

refrigerated truck; multiple temperature zones; air distribution; temperature characteristic

重慶市自然科學(xué)基金項目(編號：cstc2016jcyjA0401，cstc2016jcyjA0467)

趙曜，男，重慶交通大學(xué)講師，博士。

唐剛志(1980—)，男，重慶交通大學(xué)講師，博士。 E-mail：qcx_cqjtu@hotmail.com

2016-09-22

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.01.028