液氮冷藏运输控制方式数值模拟分析

2014-12-05马纯强

长春大学学报 2014年6期

马纯强，高青，李艳

(吉林大学热能工程系，长春 130022)

0 引言

随着社会经济水平不断提高，人们对鲜活物资需求越来越多，冷藏冷冻运输技术也取得相应发展，冷藏冷冻车载运输需求越来越大。目前，我国公路冷藏车辆约有4万多辆，占货运汽车总量的0.3%，与发达国家比，我国的冷链流通率还存在很大差距。欧美等发达国家肉禽冷链流通率已达100%，水果在95%以上，而我国肉禽、水果的冷链流通率仅为15%和5%。

冷藏汽车制冷方式可分为水冰及盐冰制冷、干冰制冷、机械制冷、蓄冷板制冷、液氮制冷等，这些制冷方式彼此差别很大，选择哪种制冷方式应综合考虑。其中，液氮制冷的优点是制冷系统结构简单，可靠性高，在实现降温的同时能够调节空气，而且降温速率快，易于温控，可以增加空气中的氮气，能抑制水果蔬菜保鲜腐烂，有利于保鲜。另外液氮制冷最大的优点的是环保，液氮来自于空气，液氮汽化制冷的同时释放到空气中不产生污染。但是，现阶段液氮冷藏冷冻面临最大的问题是液氮经济性低，充氮网点少。

我国液氮冷藏已经有所探究和实验，但是车辆冷藏运输应用还处于初始阶段，主要的先期工作分别是:对液氮冷藏车系统初步设计和优化设计做了研究［1－2］，对液氮的冷藏品超速冻进行热力和经济性分析［3］，对液氮集装箱结构做了初步设计研究［4］。在液氮冻结机理方面也开展了一些工作，如对液体氮消耗量和冷冻效能进行研究5，对液氮流态化系统的冷冻性能［6］及流态化装置［7］等进行试验和数值计算研究。

在液氮冷藏应用的关键技术中，面临这复杂的温度控制、液氮喷淋流量控制，液氮喷淋次数控制等诸多问题，各方面协调控制研究还处于开始阶段。对液氮制冷的热量转换认识还很不足，造成冷藏负荷与液氮供给相差较大，降温冷却速率和液氮喷量控制存在问题等。因此，对液氮喷淋冷藏特性开展研究，探究冷藏箱体内热性能与液氮喷淋的特征关系具有重要应用意义。

本文运用模拟计算手段，分析液氮冷藏车冷藏箱内流场、温度场、冷藏品冷藏特性以及温变特性等，研究控制方式，为有效利用冷煤提供技术措施控温方案，并奠定技术基础。

1 液氮制冷数值计算

1.1 FLUENT热交换分析说明

液氮制冷降温过程发生相变，引起复杂的传热传质热力现象。冷藏品降温时，在其表面发生液体氮汽化及其随时间变化的两相界面问题。这种两相界面同时存在于喷淋出的液滴和冷藏品表面，这种传热传质在数学上属于强非线性问题，一般采用数值方法分析。

本文采用FLUENT软件进行传热分析，建立并采用离散相模型。模拟球形或类球形的颗粒(代表液滴)构成第二相分布在连续相中引起的传质传热、相间耦合以及耦合各环节涉及离散相的现象。如球形或类球形颗粒的分离和分级、喷雾(淋)冷却或喷雾干燥。模拟喷雾包括两相流现象，需要同时求解气相和液相控制方程。

(1)采用Discret Droplet Method(DDM)12方法，应用通用差分控制方程求解，获得颗粒的传热传质、动量和喷淋轨迹结果。

(2)对于稳定和非稳定流动，应用拉氏公式时应考虑离散相的惯性、拉力、重力等等。

(3)使用液滴汽化传热传质模型，解决液滴在不凝性气体中蒸发。气相中只有两种组分，一种是空气，一种是汽化的氮气。

(4)采用液滴碰撞模型，解决液氮在喷淋过程中发生的液滴碰撞发生的传热传质问题。模拟液氮喷淋中的非稳态液滴，每次喷淋形成的液滴都是数百万个颗粒，对计算碰撞带来极大的困难。因此，FLUENT运用液滴组模型，可以有效的简化运算，液滴组模型在统计意义上就是一群液滴。使用一群液滴组，每个液滴组代表真实液滴数104，那么碰撞的计算量就将明显减少。

在FLUENT数值模型中，除使用离散相模型以外，还采用多种气体模型，计算模型内存在空气和液氮气化。冷藏车内的气体流动属于紊流，故选用k－ε模型计算。

1.2 构建冷藏箱体模型

箱型模型尺寸X*Y*Z=3 m*9 m*2m，喷嘴布置采用48型布置方式，即用四排布置，每排八个喷嘴，顶置式(简称:48型排列)。假设物料矩形堆积，形状尺寸为X*Y*Z=1 m*1 m*0.18m，料堆个数为28个，具体放置分布如图1所示。

图1 冷藏箱模型

模型中液氮冷藏箱冷负荷:

本文以近似的植物类范围选取物性参数，并以实体堆积为例，如表1所示。为了热量计算的实用性，冷藏车箱内温度与冷藏品最佳储藏温度尽量保持一致，同时减少温度波动持续时间，还要保证车箱内各处温度尽量一样。

表1 冷藏品物理参数

2 数值计算结果分析

2.1 降温方式分析

假设计算工况是:先将物料从27℃冷却至2℃，然后再保持温度运输10小时。液氮每个嘴流量m分别选择0.5g/s、0.8g/s两种情况。在冷藏车车厢前后对角上下错位布置循环风机，以获得车厢内均匀的温度。

在运输过程中，冷藏阶段采取间歇喷淋方式。本文分析中，冷藏阶段控温温差分别选定ΔT=±2℃、ΔT=±1℃、ΔT=±2℃ ～±1℃ ～±0.5℃三种方式，前二种温度控制方式是定值控温，后一种温度控制方式为变量控温。

图2和图3分别为液氮喷射量不同的情况下冷藏运输阶段的温度变化图，两组图中的a、b、c分别为三种控温情况下的冷藏品中心点温度变化，包括冷藏阶段间歇液氮喷淋的降温过程和升温过程。显然，在十小时的冷藏阶段，升温时间呈递增现象。在每一次停喷升温过程中，开始时段升温比较迅速，而后升温变缓，当接近设定控制温度的上限时，升温更加缓慢，缓慢温升时段占据整个时间的大部分。通常过长的接近上限温度保持时间，使偏离冷藏品最佳保存温度的时间过长，不利于冷藏品的长期保存。

取其中一个升温－降温过程温度变化过程，如图4所示。中间虚线代表冷藏品的最佳温度。ABCD为升温和降温一个循环，ABC为液氮停止喷淋后，冷藏箱内温度上升阶段，图线表明AB段升温速度快，BC段升温缓慢，所以在BC段升温时间较长，这时间段偏离最佳储藏温度远。BC段越短制冷性能越好，越有利于冷藏运输。

由图2的a、b可知，在液氮每个嘴喷量m=0.5kg/s情况下，ΔT=±2℃，ΔT=±1℃控温模式下，分别对应的最长升温时间为t=6080s和t=3158s。显然，相同的液氮喷量，控制温差越大，偏离最佳温度的时间越长，不利于恒温运输冷藏品的储藏。对于植物类冷藏品，ΔT=±2℃的温度下限低于273.6K，使冷藏物出现冰冻冷害，丧失保鲜。

图2 不同控温物料中心点温度变化

由图2、3可以看出，在控制相同温差ΔT=±2℃情况下，采用不同的液氮每个嘴喷量m=0.5g/s和m=0.8g/s，分别对应的最长升温时间为t=6080s和t=4516s。表明相同的控制温差，喷氮量越大缓速升温段越短，有利于冷藏。每个液氮喷量越多，增加液氮的消耗，不可取，应该找到喷量的平衡点。

缩小控温温差ΔT，可以限制过长时间的温度偏离，但是这样增加喷淋的次数，高频次的喷淋系统的开关影响其使用寿命。本研究中，缩小控温温差有两种方案，其一控制温差至ΔT=±1℃，其计算结果如图2、3－b所示;其二是分段逐步缩小控温温差，即先ΔT=±2℃，而后将温度波动范围缩小至ΔT=±1℃，直至缩小到ΔT=±0.5℃，其计算结果如图2、3－c所示。由图2、3知，一般喷淋操作次数增加主要出现在冷藏初期，冷热负荷时变性的非稳定期，应适当增加温差，此后逐步缩小温差ΔT。用这种控温机制可以有效减少喷淋操作次数。本文讨论的ΔT=±2℃—±1℃—±0.5℃的三段温度控制方式为变量控温，即首先选择ΔT=±2℃，当停止喷射液氮温度升高时间t升＞750s，进入ΔT=±1℃温度控制，当停止喷射液氮温度升高时间t升＞1200s，再进入 ΔT= ±0.5℃温度控制。

图2 不同控温物料中心点温度变化

图4 一个程升温－温降

表2 模拟计算结果

2.2 不同工况下的冷藏优化分析

表2为不同每个嘴喷量m，不同控温温差ΔT，冷藏运输计算结果统计。其中，可以获知在三种控制方式下的有关液氮冷藏的基本性能和特征。计算工况为先将物料从27℃冷却至2℃，然后冷藏控温10小时运输。

2.2.1 优化有效喷淋时间和液氮总消耗

由表2可知，在三种温度控制方式和两种喷量情况下，能够在10小时内满足冷藏条件，所需的有效冷藏喷淋总时间以变量控温方式为最佳，在更小喷射流量(m=0.5g/s)下，有更短的喷射时间，同时，冷藏液氮耗量也为最低。但是，由于采用较小控温温差，循环操作次数(喷淋频率)增加。通常可以根据冷藏品的生物性质，不考虑其它因素的情况下，尽量采用较小的液氮喷射量和变温控制温差。

2.2.2 优化平均温升时间

由表2可知，在三种控制模式和两种喷量情况下，能够在10小时内满足冷藏条件，平均升温时间以变量控温控制为最短。在液氮较大喷射流量(m=0.8g/s)下，有更短的平均升温时间，同时，喷淋操作次数(喷淋频率)也将降低。

综上所述，变控温方式冷藏运输方法可以充分利用冷藏能源，实现冷藏阶段的喷淋总时间和液氮量消耗减少，平均升温时间短。冷藏运输前期使用较大的控温温差，可以有效减少喷淋系统的操作次数，后期控温温差逐渐减少，趋近最佳储存温度。且同时通过对最大停喷升温时间进行控制，有效避免冷藏品温度偏离最佳保存温度时间太久，致使冷藏品质下降。变量控温可以对控温温差加以控制，同时也实现了对温升温降的延续时间控制，形成多维控制模式。在合理液氮喷射量范围内，进行喷射量控制，可以进一步完善冷藏品最优保藏控制，并实现最佳的液氮喷射制冷和空气调质性能。