低溫冷庫溫度波動數值分析

楊鵬 郭帥帥 賀素艷 趙有信 馬永志 尹義金

摘要： ?針對低溫冷庫進行開門存取貨物時，存在庫門處與外界環境發生強烈的熱濕交換，并且隨著時間的增加造成庫內溫度較大波動而影響存儲貨物質量的問題。本文利用ANSYS Fluent有限元分析軟件，對初始庫溫為243 K冷庫存取貨物開門過程進行溫度場分析，同時對存取結束后庫內降溫過程進行溫度場分析。研究結果表明，在冷庫庫門開啟30 s，冷庫與庫外環境熱交換比較強烈，庫內溫度波動較大，且大部分在260 K以上。冷庫冷風機開始工作前10 s，冷庫上部降溫速度要比下部快，在10 s之后冷庫上部和下部降溫速度放緩。冷風機工作30 s時，庫內溫度不能降低到開門以前的溫度，為了消除開門對冷庫溫度波動的影響，冷風機工作時間必須在30 s以上。冷庫開門時外界環境的熱濕空氣會因密度差而聚集在冷庫上部，造成冷庫上部溫度高，下部溫度低的現象，為了消除溫度波動帶來的影響，庫內冷風機需要工作較長時間。該研究對有效控制冷庫溫度的波動具有重要意義。

關鍵詞： ?低溫冷庫; 溫度波動; 數值模擬

中圖分類號： TB661 ?文獻標識碼： A

隨著人們生活水平的提高以及醫療水平的不斷發展，冷庫憑借可以大規模儲存冷凍食品和生物樣本的優勢成為低溫存儲的最佳選擇[1]。在冷庫使用過程中，由于冷庫開關門、庫體保溫強度、庫溫控制方式和制冷系統匹配度等諸多因素都會造成庫內溫度的波動，工作人員頻繁進出也是造成冷庫溫度波動的主要因素[24]。冷庫溫度不均勻性加大，會對溫度變化敏感的食品或藥品帶來不可逆的損壞。濕空氣進入到低溫冷庫，庫內溫度在空氣露點溫度以下時還會造成濕空氣在蒸發器表面結霜，降低換熱器的傳熱效率[56]，結霜嚴重時還會影響庫內空氣的流通。為研究影響冷庫溫度波動的因素，蒲亮[7]以實驗數據為基礎，建立了冷庫溫度場和流場數學模型，討論了冷風機送風速度、送風溫度、冷風機位置、貨物位置及貨物堆積方式對冷庫溫度均勻性的影響。而冷庫開關門對庫內溫度波動影響的研究也是近年來研究的重點，顧成華等人[8]利用VALSALA溫濕度變送器對疫苗冷庫在開關門過程的冷庫溫度場進行測量，分析結果顯示，對于小型疫苗冷庫，開關門造成的溫度波動最大值小于5 K，而通過改善冷風機布置方式，可以達到疫苗存放的要求;張川等人[9]研究了冷庫開關門頻率對溫度波動的影響，結果表明每小時開關門每減少一次，系統整體能耗就會降低20%左右。除了利用實驗方法對冷庫溫度場進行測量，運用計算機模擬的方法對冷庫進行溫度場分析也越來越普遍，謝晶等人[1011]利用Fluent有限元軟件，對冷庫開門過程進行穩態和非穩定狀態下的模擬分析，分析結果表明，冷庫在開關門的過程中，庫內溫度場發生強烈波動，在庫門處和庫門上部波動更加強烈，當冷庫關門之后，庫內溫度需要很長時間才能恢復，但該文并沒有對關門之后庫內的溫度場變化進行分析。基于目前大部分研究集中在開關門對冷庫溫度的影響上，對開門過程溫度的非穩態變化過程研究較少，同時對冷庫關門之后非穩態降溫過程的研究也是空缺。因此，本文基于模擬軟件Fluent，對低溫冷庫在開門過程中內部與外界環境的非穩態溫度變化過程進行模擬研究，同時對存取貨物結束之后，冷風機工作庫內溫度的變化進行分析，研究冷庫開關門后溫度變化規律。該研究為有效控制冷庫溫度波動提供了理論依據。

1 模型構建

1.1 物理模型

本研究以海爾中試冷庫機組為實物進行模型繪制。保溫庫板選擇150 mm厚的聚氨酯泡沫夾心隔熱板，并在冷庫底部鋪設槽鋼，起防凍隔熱作用。實際上，庫體材料導熱系數很小，因此忽略當冷庫門關閉時與外界環境進行的熱量交換[1213]。本文重點研究開關門對冷庫溫度波動的影響，而忽略冷庫內部結構對氣流分布的影響。模擬所用冷庫實物圖如圖1所示。冷庫模型尺寸設置如表1所示。

為了有效表達冷庫與外界環境進行的熱量交換，在冷庫外部搭建一個長寬高為3 000 mm×1 500 mm×2 700 mm的環境區域。在Gambit軟件中進行模型的構建及網格的劃分，冷庫模型如圖2所示，網格劃分圖如圖3所示。將劃分網格之后的模型導入Fluent中進行仿真計算。

1.3 邊界條件

設置外界環境空氣溫度為300 K，壁面采用第一類邊界條件，且屬于氣體無滑移狀態。設置冷庫未開門時庫內溫度為243 K，壁面條件采用第一類邊界條件，并默認壁面無滑移[19]。當冷庫門打開時，將冷庫門邊界類型設為interior;當取貨完成后，冷庫門設為wall邊界。在進行冷庫開門溫度模擬時，其屬于封閉腔內的自然對流，符合Boussinesq假設條件，以便于計算溫差引起的浮升力項[2021]。風機統一采用速度進口邊界類型，風速為5 m/s，初始溫度為243 K。湍流強度為10%，水力直徑設定為0.5 m，回風口邊界類型設置為outflow，計算過程考慮重力因素，所以勾選重力條件[22]。

2 模擬結果及分析

2.1 庫門開啟時間對冷庫溫度波動的影響

三維模擬結果很難清晰得到冷庫內部溫度變化規律，因此為準確對結果進行分析，選取冷庫中的一個代表性截面（在庫門中間處取一個縱向）作為參考面，并分別將庫門開啟10，20，25，30 s時，對冷庫附近溫度場進行模擬和分析。庫門開啟時冷庫與外界溫度等值線如圖4所示。

由圖4可以看出，當冷庫門開啟時，冷庫與外界高溫環境發生激烈熱量交換，庫內溫度發生較劇烈的波動。由圖4a可以看出，當庫門打開10 s時，外界環境的高溫高濕空氣進入冷庫后，因為密度較小往冷庫上部進行流動。庫門處的溫度交換最劇烈，庫門上部的溫度最高達到外界環境的300 K，庫頂最高溫度達到275 K，同時在開啟10 s時，庫內溫度大部分還維持在較低水平;由圖4b可以看出，當庫門開啟20 s時，庫內原始低溫區域面積減少一半，庫頂最高溫度達到285 K，庫內溫度大部分在260～270 K之間。開門時間繼續延長，當達到25 s時，庫內溫度基本維持在265～285 K之間，原始低溫區域面積繼續減小。此時，對于庫頂位置，因為平均溫度升高約37 K，會對存放的貨物造成嚴重損害。當庫門開啟30 s時，庫內的平均溫度繼續升高，原始低溫區域進一步減小，庫底的溫度也隨之升高。由此可以看出，當冷庫開啟30 s及更長時間后，庫內溫度已不能滿足存儲貨物的要求，為了減小庫門開啟對庫內溫度波動的影響，應將冷門開啟時間控制在20 s以內。

2.2 風機開啟時間對冷庫溫度波動的影響

在冷庫開啟期間，庫內的溫度不斷升高，極大損害冷庫內存儲貨物的使用價值，所以當庫門開啟30 s之后關閉庫門，此時將冷庫門的邊界條件類型由interior改為wall，并對冷風機開啟時對庫內溫度的影響進行模擬研究。同時，為了更好地觀察庫內溫度變化規律，在Z=1 000 mm處進行橫截面，Z=1 000 mm截面溫度等值線如圖5所示。

由圖5a可以看出，當冷庫門開啟，冷風機未開始工作時，冷庫Z=1 000 mm橫截面，即冷庫下部區域溫度都在260 K以上。同時，庫外溫度比庫內溫度低，說明庫內外氣體還要進行進一步的熱量交換，此時關閉冷庫門，將庫內冷風機打開;由圖5b可以看出，當冷風機開啟10 s之后，在冷庫Z=1 000 mm截面，溫度變化不是特別明顯，這是因為冷風機位于冷庫上部，開啟時由于冷風機的直吹作用，首先對冷庫上部的氣體進行降溫，并且在冷庫中形成溫度逐漸增高的同心圓等溫線。當冷風機開啟20 s之后，Z=1 000 mm截面冷庫內的溫度基本降到260 K以下，當時間達到30 s時，溫度降至254～256 K之間，一方面是由冷庫冷風機的降溫作用，使低溫空氣由于密度大而流向冷庫底部;另一方面，因為冷庫底部的溫度原本就比較低，所以冷庫底部的降溫效果比較明顯。

同樣，為了更好地觀察庫內溫度變化規律，在Z=2 500 mm處進行橫截面，Z=2 500 mm截面溫度等值線圖如圖6所示。

由圖6a可以看出，截面平均溫度比Z=1 000 mm截面的平均溫度高。當風機開啟10 s時，溫度基本維持在260～265 K之間，與圖6b相比，降溫效果比較明顯，這是因為Z=2 500 mm截面正好位于冷風機處，受冷風機直接降溫的影響比較大;由圖6c和圖6d可以看出，當冷風機開啟20 s和30 s之后，其降溫效果不明顯，溫度同樣在255～265 K之間，與圖6b不同的是，溫度在260 K以下的區域面積增大。

由圖5和圖6可以看出，風機開啟時，庫底溫度降低較明顯，庫頂降溫比較緩慢，當經過冷風機工作30 s之后，庫底溫度可以降到256 K以下，而庫頂的溫度卻只能降到260 K左右，所以要想達到庫內溫度均勻，需要將冷風機工作時間延長至30 s以后。

3 結束語

本文主要利用有限元分析軟件Fluent，對冷庫開門過程庫內溫度的變化及關門之后冷庫冷風機工作對庫內溫度的影響進行模擬仿真。仿真結果表明，冷庫開門初期庫內冷空氣與外界熱濕空氣在門口處發生強烈的熱量和質量交換，外界溫度較高的氣體會大量進入冷庫，并且因為密度差的原因，氣體聚集在冷庫上部，使冷庫上部溫度升溫劇烈，對位于冷庫上部的存儲貨物影響較大。在冷庫使用過程中，可以降低冷庫上部的貨物堆積密度，將貨物集中在貨架下部存放，同時將開門時間控制在20 s以內，最大限度降低開門對冷庫溫度波動的影響。冷風機工作初始時刻，冷庫上部降溫比較快，下部因為初始溫度比較低，降溫速度比較慢。對于冷庫后期降溫緩慢的現象，可以適當增加冷風機轉速，增強庫內氣體流動。

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