低温冷库温度波动数值分析

杨鹏 郭帅帅 贺素艳 赵有信 马永志 尹义金

摘要：  针对低温冷库进行开门存取货物时，存在库门处与外界环境发生强烈的热湿交换，并且随着时间的增加造成库内温度较大波动而影响存储货物质量的问题。本文利用ANSYS Fluent有限元分析软件，对初始库温为243 K冷库存取货物开门过程进行温度场分析，同时对存取结束后库内降温过程进行温度场分析。研究结果表明，在冷库库门开启30 s，冷库与库外环境热交换比较强烈，库内温度波动较大，且大部分在260 K以上。冷库冷风机开始工作前10 s，冷库上部降温速度要比下部快，在10 s之后冷库上部和下部降温速度放缓。冷风机工作30 s时，库内温度不能降低到开门以前的温度，为了消除开门对冷库温度波动的影响，冷风机工作时间必须在30 s以上。冷库开门时外界环境的热湿空气会因密度差而聚集在冷库上部，造成冷库上部温度高，下部温度低的现象，为了消除温度波动带来的影响，库内冷风机需要工作较长时间。该研究对有效控制冷库温度的波动具有重要意义。

关键词：  低温冷库; 温度波动; 数值模拟

中图分类号： TB661  文献标识码： A

随着人们生活水平的提高以及医疗水平的不断发展，冷库凭借可以大规模储存冷冻食品和生物样本的优势成为低温存储的最佳选择[1]。在冷库使用过程中，由于冷库开关门、库体保温强度、库温控制方式和制冷系统匹配度等诸多因素都会造成库内温度的波动，工作人员频繁进出也是造成冷库温度波动的主要因素[24]。冷库温度不均匀性加大，会对温度变化敏感的食品或药品带来不可逆的损坏。湿空气进入到低温冷库，库内温度在空气露点温度以下时还会造成湿空气在蒸发器表面结霜，降低换热器的传热效率[56]，结霜严重时还会影响库内空气的流通。为研究影响冷库温度波动的因素，蒲亮[7]以实验数据为基础，建立了冷库温度场和流场数学模型，讨论了冷风机送风速度、送风温度、冷风机位置、货物位置及货物堆积方式对冷库温度均匀性的影响。而冷库开关门对库内温度波动影响的研究也是近年来研究的重点，顾成华等人[8]利用VALSALA温湿度变送器对疫苗冷库在开关门过程的冷库温度场进行测量，分析结果显示，对于小型疫苗冷库，开关门造成的温度波动最大值小于5 K，而通过改善冷风机布置方式，可以达到疫苗存放的要求;张川等人[9]研究了冷库开关门频率对温度波动的影响，结果表明每小时开关门每减少一次，系统整体能耗就会降低20%左右。除了利用实验方法对冷库温度场进行测量，运用计算机模拟的方法对冷库进行温度场分析也越来越普遍，谢晶等人[1011]利用Fluent有限元软件，对冷库开门过程进行稳态和非稳定状态下的模拟分析，分析结果表明，冷库在开关门的过程中，库内温度场发生强烈波动，在库门处和库门上部波动更加强烈，当冷库关门之后，库内温度需要很长时间才能恢复，但该文并没有对关门之后库内的溫度场变化进行分析。基于目前大部分研究集中在开关门对冷库温度的影响上，对开门过程温度的非稳态变化过程研究较少，同时对冷库关门之后非稳态降温过程的研究也是空缺。因此，本文基于模拟软件Fluent，对低温冷库在开门过程中内部与外界环境的非稳态温度变化过程进行模拟研究，同时对存取货物结束之后，冷风机工作库内温度的变化进行分析，研究冷库开关门后温度变化规律。该研究为有效控制冷库温度波动提供了理论依据。

1 模型构建

1.1 物理模型

本研究以海尔中试冷库机组为实物进行模型绘制。保温库板选择150 mm厚的聚氨酯泡沫夹心隔热板，并在冷库底部铺设槽钢，起防冻隔热作用。实际上，库体材料导热系数很小，因此忽略当冷库门关闭时与外界环境进行的热量交换[1213]。本文重点研究开关门对冷库温度波动的影响，而忽略冷库内部结构对气流分布的影响。模拟所用冷库实物图如图1所示。冷库模型尺寸设置如表1所示。

为了有效表达冷库与外界环境进行的热量交换，在冷库外部搭建一个长宽高为3 000 mm×1 500 mm×2 700 mm的环境区域。在Gambit软件中进行模型的构建及网格的划分，冷库模型如图2所示，网格划分图如图3所示。将划分网格之后的模型导入Fluent中进行仿真计算。

1.3 边界条件

设置外界环境空气温度为300 K，壁面采用第一类边界条件，且属于气体无滑移状态。设置冷库未开门时库内温度为243 K，壁面条件采用第一类边界条件，并默认壁面无滑移[19]。当冷库门打开时，将冷库门边界类型设为interior;当取货完成后，冷库门设为wall边界。在进行冷库开门温度模拟时，其属于封闭腔内的自然对流，符合Boussinesq假设条件，以便于计算温差引起的浮升力项[2021]。风机统一采用速度进口边界类型，风速为5 m/s，初始温度为243 K。湍流强度为10%，水力直径设定为0.5 m，回风口边界类型设置为outflow，计算过程考虑重力因素，所以勾选重力条件[22]。

2 模拟结果及分析

2.1 库门开启时间对冷库温度波动的影响

三维模拟结果很难清晰得到冷库内部温度变化规律，因此为准确对结果进行分析，选取冷库中的一个代表性截面（在库门中间处取一个纵向）作为参考面，并分别将库门开启10，20，25，30 s时，对冷库附近温度场进行模拟和分析。库门开启时冷库与外界温度等值线如图4所示。

由图4可以看出，当冷库门开启时，冷库与外界高温环境发生激烈热量交换，库内温度发生较剧烈的波动。由图4a可以看出，当库门打开10 s时，外界环境的高温高湿空气进入冷库后，因为密度较小往冷库上部进行流动。库门处的温度交换最剧烈，库门上部的温度最高达到外界环境的300 K，库顶最高温度达到275 K，同时在开启10 s时，库内温度大部分还维持在较低水平;由图4b可以看出，当库门开启20 s时，库内原始低温区域面积减少一半，库顶最高温度达到285 K，库内温度大部分在260～270 K之间。开门时间继续延长，当达到25 s时，库内温度基本维持在265～285 K之间，原始低温区域面积继续减小。此时，对于库顶位置，因为平均温度升高约37 K，会对存放的货物造成严重损害。当库门开启30 s时，库内的平均温度继续升高，原始低温区域进一步减小，库底的温度也随之升高。由此可以看出，当冷库开启30 s及更长时间后，库内温度已不能满足存储货物的要求，为了减小库门开启对库内温度波动的影响，应将冷门开启时间控制在20 s以内。

2.2 风机开启时间对冷库温度波动的影响

在冷库开启期间，库内的温度不断升高，极大损害冷库内存储货物的使用价值，所以当库门开启30 s之后关闭库门，此时将冷库门的边界条件类型由interior改为wall，并对冷风机开启时对库内温度的影响进行模拟研究。同时，为了更好地观察库内温度变化规律，在Z=1 000 mm处进行横截面，Z=1 000 mm截面温度等值线如图5所示。

由图5a可以看出，当冷库门开启，冷风机未开始工作时，冷库Z=1 000 mm横截面，即冷库下部区域温度都在260 K以上。同时，库外温度比库内温度低，说明库内外气体还要进行进一步的热量交换，此时关闭冷库门，将库内冷风机打开;由图5b可以看出，当冷风机开启10 s之后，在冷库Z=1 000 mm截面，温度变化不是特别明显，这是因为冷风机位于冷库上部，开启时由于冷风机的直吹作用，首先对冷库上部的气体进行降温，并且在冷库中形成温度逐渐增高的同心圆等温线。当冷风机开启20 s之后，Z=1 000 mm截面冷库内的温度基本降到260 K以下，当时间达到30 s时，温度降至254～256 K之间，一方面是由冷库冷风机的降温作用，使低温空气由于密度大而流向冷库底部;另一方面，因为冷库底部的温度原本就比较低，所以冷库底部的降温效果比较明显。

同样，为了更好地观察库内温度变化规律，在Z=2 500 mm处进行横截面，Z=2 500 mm截面温度等值线图如图6所示。

由图6a可以看出，截面平均温度比Z=1 000 mm截面的平均温度高。当风机开启10 s时，温度基本维持在260～265 K之间，与图6b相比，降温效果比较明显，这是因为Z=2 500 mm截面正好位于冷风机处，受冷风机直接降温的影响比较大;由图6c和图6d可以看出，当冷风机开启20 s和30 s之后，其降温效果不明显，温度同样在255～265 K之间，与图6b不同的是，温度在260 K以下的区域面积增大。

由圖5和图6可以看出，风机开启时，库底温度降低较明显，库顶降温比较缓慢，当经过冷风机工作30 s之后，库底温度可以降到256 K以下，而库顶的温度却只能降到260 K左右，所以要想达到库内温度均匀，需要将冷风机工作时间延长至30 s以后。

3 结束语

本文主要利用有限元分析软件Fluent，对冷库开门过程库内温度的变化及关门之后冷库冷风机工作对库内温度的影响进行模拟仿真。仿真结果表明，冷库开门初期库内冷空气与外界热湿空气在门口处发生强烈的热量和质量交换，外界温度较高的气体会大量进入冷库，并且因为密度差的原因，气体聚集在冷库上部，使冷库上部温度升温剧烈，对位于冷库上部的存储货物影响较大。在冷库使用过程中，可以降低冷库上部的货物堆积密度，将货物集中在货架下部存放，同时将开门时间控制在20 s以内，最大限度降低开门对冷库温度波动的影响。冷风机工作初始时刻，冷库上部降温比较快，下部因为初始温度比较低，降温速度比较慢。对于冷库后期降温缓慢的现象，可以适当增加冷风机转速，增强库内气体流动。

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