改进风管送风方式对花椒冷藏库流场的改善

郭晋楠 南晓红 刘立军

1 西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院

2 西安交通大学能源与动力工程学院

0 引言

库内气流组织特性对货物贮藏品质影响显著。库内传热系数具有空间差异，造成货物换热不均匀[1]。因此研究者们对货物摆放形式[2]以及贮藏环境参数控制和预测[3]等进行了研究。目前，在冷风机送风口加装送风管道成为一种重要方法[4]。由于具有均匀、低速送风的特点[5]，纤维空气分布系统（下文称纤维风管）被逐渐应用于冷藏库，但风管布置不合理容易造成库内局部区域气流组织较差的状况，需调整送风方式以改善库内流场。

本文采用数值模拟技术，分析设计工况下半圆式纤维风管气流组织的不足，通过将风管变为四分之一圆式纤维风管，对库内流场进行了优化研究。研究结果对纤维风管在冷藏库中的应用以及提高花椒贮藏品质具有重要意义。

1 数值计算模型

1.1 几何及物理模型

本研究的冷藏库为某全自动化立体花椒冷藏库，冷藏库尺寸为90.6 m×35.1 m×23.0 m，体积约为68371 m3，总库容量约为5000t，属于高大空间。冷却设备采用吊顶式冷风机。送风装置为半圆附壁式纤维风管。库内有七处货物区，分别为货物区A、B、C、D、E、F 和G。冷藏库三维几何模型见图1（a）。在进行数值计算之前，对几何及物理模型做合理假设：

（1）冷藏库内货物的物性参数恒定；

（2）空气物性参数是常数，为不可压缩流体；

（3）货物区为均匀的多孔介质区，且热物理性质在所研究温度范围内恒定；

（4）空气和货物之间的热传递由热传导和热对流机制控制，忽略辐射传热；

（5）计算模型的几何和边界条件都是对称的，取该冷藏库几何模型的二分之一进行研究，如此，可节约计算资源和计算时间。简化几何模型如图1（b）。

图1 冷藏库几何模型及简化示意图

1.2 数学模型

1.2.1 控制方程

本研究针对空气区和货物区建立三维稳态流动换热控制方程，包括：连续性方程，动量方程和能量方程以及k-ε 两方程模型方程，其通用表达式[6]为：

1.2.2 货物区的处理

受冷风机送风作用，库内空气向货物区渗流时受到花椒表面的阻力，这部分阻力在计算时作为流体动量方程的阻力源项，由Forchheimer 渗透定理确定，主要表现为黏性阻力和惯性阻力：

式中：μ为空气动力黏度，Pa·s；α为货物区（多孔介质区）渗透率，m2；C2为惯性阻力系数，1/m；ρ为空气密度，kg/m3；ui为X、Y 和Z 方向分速度，m/s；|u|为空气速度，m/s。

依据Ergun 方程[7]可得到粘性阻力系数和惯性阻力系数：

式中：ε 为货物区的孔隙率；DP为货物区装袋的有效尺寸，m。

1.2.3 边界条件

1）送风边界

风管送风面：速度入口。风管总长度为80 m，断面为半圆形，直径约为2.1 m，管道侧面九点钟方向开设喷孔（孔径约10 mm），如图2 所示。依据厂家提供的设计参数，小孔喷射速度为0.30 m/s，未开孔管道面为大渗透送风，速度约为0.04 m/s。

图2 风管简化几何模型示意图

库内室内设计计算温度为-5～-3 ℃，空气流经冷风机后的温差[8]为2～3 ℃，所以送风温度定为-7 ℃。

2）出口边界

冷风机回风口：自由出流，即该边界的速度和温度法向梯度为零。

3）墙体边界

墙体速度边界均为无滑移边界，即速度为零。

四周外墙和屋顶与外界空气进行对流换热，故四周外墙和屋顶外墙热边界条件为第三类边界条件，外表面与库外空气对流换热系数[9]为23 W/(m2·K)，库外空气温度为30.6 ℃。四周外墙墙体厚度150 mm，屋顶厚度200 mm，保温材料均为聚氨酯。

地面与土壤接触，热流传输恒定，传热条件可定为定热流量，故地面热边界条件为第二类边界条件，热流密度3 W/m2，墙体厚度200 mm，保温材料为XPS（聚苯乙烯保温板）。

4）冷风机边界

风机外壳：无滑移边界，即边界速度为零。并假设其与室内无热量传递，即壁面绝热。

5）中心对称面

中心面：对称边界，即所计算的物理量梯度为零。

2 网格无关性验证及模型验证

本文建立5 个不同网格数量的计算模型，网格划分如图3（a）。随着网格数量增加，各区域温度最大值均趋于稳定。从图3（b）可以看出，当网格数量增加到265 万时，各区域温度最大值相对变化率为2.5%，故网格数量为265 万时计算结果与网格数量无关。

图3 网格划分示意图及网格数量对计算结果的影响

针对射流温度衰减情况，当射流温度与周围空气温度不同时，赵荣义等人[10]提出出定量的研究结果计算公式（下文称赵荣义计算式）如下：

此外，蔡增基等人[11]通过理论分析得出平面射流轴心温度差衰减计算公式（下文称蔡增基计算式）具体如下：

从图4 中发现，模拟结果的射流轴心温度与上述计算体系的衰减规律一致，最大相对误差约49%，最小相对误差1.7%，平均相对误差2%，验证了计算模型的可靠性。

图4 射流轴心温度衰减

当送风温度为-7 ℃时，货物区A～G 最高温度为-5.8 ℃，不满足花椒贮藏工艺要求（-5 ℃～-3 ℃），如图3（b）。当送风温度为-5 ℃时，货物最高温度和最低温度均介于-4.6 ℃～-3.8 ℃，满足要求，如图5。因此以送风温度为-5 ℃时的传热模型进行研究。

图5 送风温度为-5 ℃时货物区A～G 的最高温度和最低温度

3 气流组织评价指标

目前，常用的气流组织评价指标主要有3 类：送风有效性参数，污染物排除有效性参数及余热排出效率和热舒适参数[12]。本文采用不均匀系数及余热排出效率对库内气流组织进行评价。温度不均匀系数kt定义如下[13]：

余热排出效率η 可用下式定义[13]：

式中：tp、tn、t0分别为回风温度，货物区平均温度和送风温度。余热排出效率越高，节能潜力越大。

4 计算结果分析及评价

4.1 改进前后计算结果分析

由于纤维风管沿Y 轴方向布置，冷空气集中汇于回风口，容易造成距离冷风机较远的区域气流组织较差。为改善此状况，以总送风量不变为前提，将半圆式纤维风管改为四分之一圆式风管（如图6），并使送风方向均朝向墙体。改进后送风边界条件为：小孔喷射速度为0.6 m/s，未开孔管道面渗透风速为0.08 m/s。

图6 改进纤维风管送风模型示意图

4.1.1 改进前后库内速度场对比分析

从图7 可以看出，在半圆式纤维风管送风模式下，y=45 m 截面的空气最大速度为0.28 m/s，最小速度为0.04 m/s。在四分之一圆式纤维风管送风模式下，y=45 m 截面的空气最大速度为0.36 m/s，最小速度为0.04 m/s。改进送风方式前后，货物区周围最大空气速度相比改进之前增大29%，有利于库内冷空气和货物进行换热。

图7 改进送风方式前后y=45 m截面速度分布图（m/s）

4.1.2 改进前后库内温度场对比分析

从图8 可以看出，在四分之一圆式纤维风管送风模式下，货物区的温度介于-4.45～-4.25 ℃，货物区最大温差为0.2 ℃，满足花椒贮藏条件（-5～-3 ℃）。在半圆式纤维风管送风模式下，货物区温度介于-4.15～-4.45 ℃，货物区最大温差为0.3 ℃。改进后货物区最大温差降低33%，且改进前货物温度偏低。经过上述分析，使用四分之一圆式纤维风管送风模式有利于营造更加均匀的贮藏环境。

图8 改进送风方式前后y=45 m 截面温度分布图（℃）

4.2 冷藏库内气流组织的评价分析

在货物区以20 m 为步长沿Y 轴方向均匀建立五个截面，调取每个截面网格节点速度和温度的值，按照式（7）和（8）进行气流组织评价指标计算，结果如表1 所示。

表1 气流组织评价指标计算结果

从表1 可以看出，冷藏库内货物区温度不均匀度有明显差别：改进送风方式（即四分之一圆式纤维风管送风模式）后，y=65 m 和y=85 m 截面的货物温度不均匀系数比半圆式纤维风管送风模式下的温度不均系数降低9.6%～17.8%，而y=5 m 和y=25 m 截面的货物温度不均匀系数均有所增大。由于距离冷风机较近的区域空气流速大、换热充分，货物贮藏条件整体较好。而距离冷风机较远的区域，空气流速小，货物贮藏条件整体较差，故改进送风方式后有效于改善距离冷风较远区域的气流组织特性。

对于库内余热排出效率，在半圆式纤维风管送风模式下，介于y=85 m 截面和y=90.6 m 墙体的区域余热排出效率均低于0.95，该区域体积占冷藏库总体积的6%。经改进送风方式，库内所有货物区的余热排出效率均有所提高，最大增幅达12.5%，最小增幅为4.5%，最小余热排出效率达1.05，较优化之前的0.95增大10.5%，有利于增强冷藏库运行节能潜力。

5 结论

本文以韩城市某花椒冷藏库为研究对象，建立库内冷空气流动与传热的三维数学求解模型，依据保持总送风量不变的原则，改进纤维风管送风方式，对比研究了改进送风方式前后库内流场的分布情况，主要得出如下结论：

1）在四分之一圆式纤维风管送风模式下，货物区最大温差为0.2 ℃，相比改进前，货物区最大温差降低约33%，有利于营造更加均匀的贮藏环境。

2）改进送风模式后，距离冷风机较远的区域的温度不均匀系数较改进之前的货物温度不均系数降低9.6%～17.8%。使用四分之一圆式纤维风管进行送风，可以有效改善距离冷风机较远区域温度场的均匀性。

3）改进送风模式后，库内货物区所有区域不同位置的余热排出效率较优化之前提高4.5%～12.5%。库内最小余热排出效率达1.05，较优化之前的0.95 增大10.5%。改进后的送风模式可以有效提高整个冷藏库内的余热排出效率，有利于冷藏库运行节能。