黃世苗

（南方海洋科學與工程廣東省實驗室（湛江），廣東湛江）

隨著我國冷飲市場、冷鮮肉市場、肉類延伸品市場、水產(chǎn)品市場、水果蔬菜市場的不斷擴大，易腐食品消費量也隨著人們的需求的快速增長，這將促進冷庫需求量的進一步增長。截至2009年，在東部地區(qū)建成的冷庫占全國的65 %，中部地區(qū)占25 %，西部地區(qū)占7 %。在我國國內(nèi)，氨制冷劑制冷的集中式制冷系統(tǒng)一般用于大型冷庫的建設(shè)中，冷卻設(shè)施大多為排管，系統(tǒng)復(fù)雜，實現(xiàn)完全自動化控制難度大［1］。小型冷庫則一般采用以氟里昂為制冷劑的集中式或分散式制冷系統(tǒng)。

造成食品腐敗的原因有很多，其主要包括：微生物作用、催化酶作用、氧化作用及呼吸作用，而這些原因都是和食品的溫度相關(guān)的。食品的冷藏保鮮就是通過降低食品的溫度減弱上述的各種作用，達到較好的保存食品的目的［2］。

導熱、對流、輻射是熱量傳遞的三種不同方式。貨物在冷卻過程中，熱量從貨物傳遞到冷卻介質(zhì)當中，忽略貨物冷卻過程中內(nèi)部的傳熱，其表面與冷卻介質(zhì)間的換熱是以對流和輻射換熱為主。關(guān)于對流傳熱，根據(jù)流動原因的不同可分為自然對流和強制對流［3］。本文涉及的模型是冷風機驅(qū)動下的強制對流換熱。

對冷庫的流場進行模擬分析，對改善冷庫的制冷效果，完善冷鏈體系是極為重要的。胡耀華，蔣國振［4］等人對獼猴桃冷庫內(nèi)流場進行過CFD模擬，主要研究了貨架擺放方式不同和冷風機出風速度不同時，冷庫內(nèi)流場的變化。為的是確定冷庫溫度場、速度場和壓力場的影響因素，得出了冷庫的設(shè)計參數(shù)對流場的影響；劉妍玲，張巖［5］等人對果蔬冷庫內(nèi)貨架的擺放形式對流場的影響進行了研究，他們的研究方法也是通過改變冷庫的設(shè)計參數(shù)，觀察流場的不同，最終得出貨物擺放形式對流場有著重要的影響；謝晶，吳天［6］等人對小型冷庫開關(guān)門過程的流場進行了研究。

本文基于FLUENT軟件對肉制品加工冷庫內(nèi)的速度和溫度分布進行數(shù)值模擬，主要內(nèi)容包括用控制變量的方法對冷庫內(nèi)冷風機供風速度，供風溫度及冷風機擺放位置不同情況下的速度場和溫度場的計算，在對模擬結(jié)果進行分析討論之后，得出供風溫度、速度以及出風口位置的布置對冷庫制冷效果的影響。

1 模型介紹

選用一個小型肉制品加工冷庫，其尺寸為4.5 m×3.3 m×2.5 m，冷庫內(nèi)裝有一臺小型冷風機，其尺寸為1.75 m×0.46 m×0.5 m，冷風機有兩個圓形出風口和進風口，直徑為0.4 m，當模擬情況包含貨架時，貨架尺寸為2 m×0.6 m×1.5 m，冷庫壁面采用聚氨酯泡沫塑料，冷風機采用吊頂式安裝［4］。室溫為20 ℃，冷庫內(nèi)環(huán)境溫度取0 ℃。冷庫的物理模型圖如圖1所示。對不同供風速度和供風溫度的模擬，冷庫內(nèi)不布置貨架；研究冷風機擺放位置對冷庫內(nèi)流場和溫度場的影響時，冷風機出風口和進風口的位置發(fā)生變化，即建立幾何模型時入口和出口邊界位置發(fā)生變化。

圖1 冷庫物理模型示意圖

2 數(shù)值模擬

針對上節(jié)所建立的物理模型進行網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，進行網(wǎng)格獨立性驗證后選取網(wǎng)格數(shù)為300 W左右，部分網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 部分網(wǎng)格結(jié)構(gòu)示意圖

為保證研究的順利進行，還需對冷庫做出如下假設(shè)：

（1）冷庫內(nèi)的一些管線、支架等與研究無關(guān)的設(shè)備對流場沒有影響；

（2）冷庫內(nèi)空氣不可壓縮且符合Boussinesq假設(shè)；

（3）冷庫庫體密閉，且冷庫內(nèi)空氣流動為穩(wěn)態(tài)湍流。

2.1 不同冷風機供風速度

冷風機以吊頂式放置在冷庫寬度單位上，其入風口距離冷庫壁面0.4 m，左側(cè)距離冷庫壁面0.8 m，右側(cè)0.75 m，冷庫中無貨架。冷庫內(nèi)初始溫度為0 ℃，冷風機出口溫度為-25 ℃，入口邊界條件設(shè)置不同的入口流速。

經(jīng)模擬得到了在不同送風速度的情況下冷庫中氣流流動與溫度分布情況。速度分布如圖3所示，溫度分布如圖4所示。

圖3 不同供風速度下的冷庫內(nèi)空氣速度分布

圖4 不同供風速度下的冷庫內(nèi)溫度分布

由上面這些圖可以清楚地看到，冷風機供風速度的變化對于冷庫內(nèi)流場及溫度場有很大的影響。隨著冷風機風速的增加，冷庫頂部氣流低溫范圍逐漸擴大，整個冷庫內(nèi)的溫度逐漸降低?？梢姡滹L機風速的大小對庫內(nèi)的熱量交換起著決定性作用，風機風速越大，氣體強制對流越充分，越有利于貨物與空氣的熱量交換，并可以起到對氣流溫度和速度的均布作用，使冷庫的制冷效果達到最佳。

2.2 不同冷風機供風溫度

本節(jié)討論當冷風機供風溫度不同時，冷庫內(nèi)流場及溫度場的變化。冷庫、冷風機尺寸和放置位置與上節(jié)相同。冷風機入口速度為5 m?s-1，并使其他條件不變，設(shè)置入口溫度分別為-22 ℃、-25 ℃、-28 ℃，冷庫內(nèi)溫度為0 ℃，環(huán)境溫度為20 ℃。

經(jīng)模擬得到在不同冷風機供風溫度條件下，冷庫內(nèi)流場及溫度場的分布。冷庫內(nèi)速度分布如圖5所示，溫度分布如圖6所示。

圖5 不同供風溫度下的冷庫內(nèi)空氣速度分布

圖6 不同供風溫度下的冷庫內(nèi)溫度分布

由圖6可以看出，當冷庫內(nèi)部其他條件不變，冷風機的供風溫度越低，冷庫內(nèi)的溫度越低且低溫區(qū)域越大，同時溫度場和速度場也會隨著供風溫度的降低越來越穩(wěn)定。又考慮到當制冷溫度過低時，對制冷劑的要求過高，還有制冷設(shè)備的能耗、經(jīng)濟問題，所以應(yīng)選擇一個合適的制冷溫度。綜合經(jīng)濟、能耗、和制冷效果幾方面綜合考慮，推薦在供風溫度-25 ℃是冷風機的最佳供風溫度。

2.3 不同冷風機擺放位置

在本節(jié)物理模型的建立中再冷庫內(nèi)放置了貨架，貨架尺寸為1.75 m×0.46 m×0.5 m，貨架一共三個，平行放置在冷庫中，貨架前后左右與其他貨架和冷庫壁面均有距離。本節(jié)將冷風機分三種情況放置，三種情況分別為：（1）冷風機入風口距離冷庫壁面0.4 m，其以吊頂方式放置在冷庫寬度單位上，左側(cè)距壁面0.8 m，右側(cè)距壁面0.75 m；（2）冷風機入風口距離冷庫壁面0.3 m，其以吊頂方式放置在冷庫長度單位上，左側(cè)距冷庫壁面1.4 m，右側(cè)1.35 m；（3）冷風機入風口距離冷庫壁面0.3 m，其以吊頂方式放置在冷庫長度單位上，左側(cè)距冷庫壁面1.75 m，右側(cè)1 m。不同冷風機擺放位置的冷庫結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 不同冷風機布置位置冷庫結(jié)構(gòu)示意圖

模擬結(jié)果展示出了三種不同冷風機放置方式時冷庫內(nèi)流場以及溫度場的分布，截取冷風機出風速度為5 m?s-1、出風溫度為-25 ℃時不同位置冷風機出風口所在截面和貨架所在截面的溫度和速度分布，溫度分布如圖8所示，速度分布如圖9所示。

圖8 不同冷風機布置位置冷庫溫度分布

圖9 不同冷風機布置位置冷庫速度分布

由模擬結(jié)果可以看出，在相同出風溫度、相同出風速度時，不同的擺放位置，對冷庫內(nèi)流暢分布的均勻度，冷氣流場的范圍等等影響冷庫冷藏質(zhì)量的重要因素都有較大的改變。冷風機位于位置2時，低溫區(qū)域大多集中在貨架迎風面以及貨架一側(cè)，造成了不必要的消耗；冷風機位于位置1處時，貨架附近大部分區(qū)域溫度低至-14 ℃，且溫度分布相較于位置2和位置3要更均勻，因此在所給方案中應(yīng)盡量選擇將冷風機安裝在冷庫寬度單位上，且將送風方向沿平行于貨架方向布置。

3 結(jié)論

本文研究了不同供風速度、溫度以及不同出風口位置對冷庫內(nèi)溫度及氣體流速分布的影響，在模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，冷風機在一定范圍內(nèi)供風速度越大，供風溫度越低，制冷效果越好，在冷風機布置位置的研究中發(fā)現(xiàn)，出風口布置在冷庫寬度單位上制冷效果最佳。

綜合上述介紹和總結(jié)可以得出結(jié)論，對于本文研究的小型裝配式冷庫采用如下設(shè)計使用方式是最符合實際要求和制冷要求的：冷庫的冷風機以吊頂式安裝方式安裝在冷庫的寬度方向上，冷風機的回風口距冷庫壁面0.4 m，左側(cè)距冷庫壁面0.55 m，右側(cè)距離1.0 m，貨架平行于冷風機吹風方向放置，風機出風口風速為5 m?s-1，出風溫度為-25 ℃。