装设均匀送风管道对冷藏库气流流场特性的改善

刘晓菲，南晓红（西安建筑科技大学环境与市政工程学院，西安710055）



装设均匀送风管道对冷藏库气流流场特性的改善

刘晓菲，南晓红※
（西安建筑科技大学环境与市政工程学院，西安710055）

摘要：果蔬冷藏环境对库内温湿度及速度场的均匀性有较高要求，采用冷风机加均匀送风管道的形式可以更好地满足果蔬贮藏的条件。该文针对某200 t苹果冷藏库，研究了库内装设与不装设均匀送风管道时库内的温度场、速度场及相对湿度场的分布情况。文中建立了冷风机（加均匀送风管道）-货物-库内空气环境的气体流动、传热与传质的三维耦合数学求解模型。在冷风机送风速度为5.24 m/s，送风温度为271.15 K，送风相对湿度为90%的条件下，数值模拟研究了冷藏库内速度场、温度场及相对湿度场，并通过计算不均匀系数及空气分布特性指标（air diffusion performance index, ADPI）对流场特性进行了评价。结果显示，当库内装设均匀送风管道时货物区速度不均匀系数比不设送风管道时降低22.65%，温度不均匀系数降低20%，相对湿度不均匀系数降低22.73%，空气分布特性指标增大11.13%。因此，装设均匀送风管道时库内速度场、温度场及相对湿度场均更加均匀。

关键词：流场；冷藏库；均匀送风管道；气流组织；不均匀系数

刘晓菲，南晓红.装设均匀送风管道对冷藏库气流流场特性的改善[J].农业工程学报，2016，32（01）：91-96.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.012 http://www.tcsae.org

Liu Xiaofei, Nan Xiaohong.Improvement on characteristics of air flow field in cold storage with uniform air supply duct [J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering（Transactions of the CSAE）, 2016, 32（01）: 91－96.（in Chinese with English abstract）doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.012 http://www.tcsae.org

0　引言

冷藏库作为果蔬贮藏的重要设施，库内温湿度场的均匀性对果蔬的贮藏品质有较重要的影响，库内气流组织的不均匀会导致果蔬贮藏品质的下降并降低冷藏库企业经济效益。所以，如何使得库内温、湿度均匀合理地保持在最为适宜的贮藏条件是冷藏库设计和运行时必须要考虑的问题。在库内设置配风系统能够获得更为理想的均匀流场，在冷风机送风口装设均匀送风管道是一种主要方式[1]。

冷藏库内冷却、加湿设备的设计参数、运行参数及货物质量、品种以及摆放形式等均会对库内温湿度场产生影响，库内温湿度场的分布较为复杂，国内外学者对库内温度场及相对湿度场的影响因素做了大量的研究工作。文献[2-4]建立综合传热传质的三维CFD（computational fluid dynamics）计算模型，模拟研究了果蔬呼吸热、孔隙率及堆货尺寸对库内温湿度场的影响；刘永娟通过建立三维CFD稳态模型研究了冷风机送风速度及货物摆放形式对库内速度场及温度场的影响[5]；文献[6-7]分析了3种不同风机摆设形式对库内气流场的影响，得出风机背对吹风式为最佳摆设形式；文献[8-9]通过建立包含冷库内部对流、冷库门空气幕射流及室外环境风场流动在内的三维耦合数值模型研究了空气幕性能的影响因素及空气幕运行时库内流场的分布情况；文献[10-11]采用理论计算和CFD模拟相结合的方法分析了热压作用下的冷库门的冷风渗透率；谢晶等人用计算流体力学技术对冷库开关门过程进行了非稳态数值模拟，分析了冷库开关门过程中库内外温度场的变化，研究了室外空气对库内温度场的影响情况[12]。

公开发表的文章鲜有涉及到冷藏库内装设与不装设均匀送风管道时库内速度场、温度场及相对湿度场分布情况的研究。因此，为了确定在库内装设均匀送风管道后温度场和相对湿度场的均匀性及合理性的改善程度，本文以陕西省延安市某200 t的苹果冷藏库为研究对象，采用紊流模型和Simple算法对比研究了库内有无均匀送风装置时速度场、温度场及相对湿度场的分布情况。研究结果为冷库的建设和提高果蔬贮藏品质提供理论指导。

1　三维耦合数学求解模型

1.1物理模型

本文研究的冷藏库容量为200 t，冷却设备采用落地式冷风机，送风装置为均匀送风管道，均匀送风管道的总长度为16.1 m，首段风管断面尺寸为2 m×0.6 m，末端风管断面尺寸为0.4 m×0.6 m，均匀送风管道的两侧面上以0.617 m的间隔均匀设置50个圆锥形送风口，风口的直径为0.18 m。货物采用两堆放置，货物堆距两侧墙面0.6 m，货物堆间距2.2 m，距冷库前后侧墙面各2 m，距地面0.2 m。计算模型见图1。

图1　设有均匀送风装置的冷藏库模型Fig.1 Physical model of cold storage that equipped with uniform air supply duct

作为对比，现将该冷藏库设计另外设置一套冷却设备，依据冷却面积为主、风量作为参考的原则[13]，为该冷藏库选择一台吊顶式冷风机作为冷却设备，该冷风机的参数如表1所示。冷风机距两侧墙为6.1 m，距背面墙为0.5 m。库内货物堆放形式不变。计算模型见图2。

图2　冷却设备为吊顶式冷风机的冷藏库模型Fig.2 Physical model of cold storage without uniform air supply duct

表1　冷却设备参数Table 1 Air-cooler parameters

1.2数学模型

1.2.1控制方程

计算域内流体流动与传热的控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程和k-ε两方程模型方程，联立这些方程可以得到方程组的通用形式如下：

式中φ、Γφ、Sφ分别是通用变量、广义扩散系数和广义源项。对应于不同的通用变量，式中各项参数的具体表达式可参见文献[14]。

1.2.2货物区的处理

针对苹果冷藏库，将库内货物看作多孔介质，水果间隙的空气对应于多孔介质中的流体。

1）货物区多孔介质阻力

当库内空气受冷风机送风作用向果蔬内渗流时要受到水果对其的阻力，这部分阻力在计算时作为流体动量方程的源项被考虑，其主要表现为黏性阻力和惯性阻力：

式中μ代表流体的动力黏度，Pa·s；α为多孔介质的渗透率，m2；C2是惯性阻力系数，1/m；ρ为流体的密度，kg/m3；vi代表速度在X、Y和Z方向的分量，m/s；vmag是流体的速度，m/s。

依据Ergun方程[15]可以得到黏性阻力系数和惯性阻力系数：

式中Dp为多孔介质颗粒的平均粒径，m；ε为多孔介质的孔隙率。

2）果蔬呼吸热

果蔬在库内贮藏期间一直发生呼吸作用，经过呼吸作用产生的能量有45%转化为生物能维持果蔬的生命活动，另外55%的能量则以呼吸热的方式释放[16]。果蔬呼吸热在计算时作为能量方程的源项被考虑。针对所研究的苹果冷藏库，果蔬的呼吸产热速率可由文献[17]查得。

1.2.3边界条件

合理地设置边界条件对问题的研究起着非常重要的作用，针对本文的研究对象，边界条件进行如下的设置：

1）冷风机送风口：速度入口，设有均匀送风装置的冷藏库送风速度为5.24 m/s，无均匀送风装置的冷藏库送风速度为8.48 m/s，送风温度为271.15 K，送风空气中水蒸气的质量分数为0.002 9（相对湿度为90%）。

2）冷风机回风口：自由出流，适用于在计算完成前无法确定压强和速度的情况，在计算时fluent软件默认将除压强以外的所有流动参数的法向梯度都设为0。

3）冷库壁面热边界条件

外墙，第三类边界条件，外表面与库外空气对流换热系数为23 W/m2·K，库外空气温度299.25 K，墙体厚度668 mm，墙体材料导热系数0.26 W/m·K；

屋顶，第三类边界条件，屋顶与库外空气对流传热系数为23 W/m2·K，库外空气温度299.25 K，屋面厚度314mm，屋顶导热系数为0.2 W/m·K；

地面，第二类边界条件，热流密度为3 W/m2。

2　计算模型的试验验证

为验证本文建立的数值模型的可靠性，对所研究的冷藏库（冷却设备为落地式冷风机加设均匀送风管道）的库内空气速度和温度场进行了测试，试验测试的条件为：均匀送风管道送风口的送风速度为5.24 m/s，送风温度为-2℃。试验测试用的主要仪器有热电风速仪ZRQFF30J（北京协亚电子有限公司）、红外线测温仪EC-8339（上海舒佳电气有限公司）。热电风速仪的测速精度为（±0.01）m/s，测速范围为0.05～30 m/s，测温精度为（±0.1）℃，测温范围为-10～50℃。红外线测温仪的测温精度为（±1）℃，测温范围为-32～600℃。试验测试共布置16个测点，测点位置如图3所示。

图3　试验测点位置示意图（距地面1 m的水平面）Fig.3 Positions of measuring points （Distance between measuring points and floor is 1 m）

图4显示了测试结果与模拟计算结果的对比情况，从图中可以看到，距冷风机回风口较远的测点的空气的温度较低；而由于回风不断卷吸周围果蔬呼吸热量，距离回风口越近的测点温度越高。测试值与计算值偏差在15%以内的测点有13个，占总测点数的81.25%，测试值与计算值偏差在15%以上的测点有3个，占总测点数的18.75%。可见，模拟结果和现场测试值差别较小，表明本文所建立的数值模型是可靠的。

图4　库内测点温度测试值与模拟值的对比Fig.4 Comparison of predicted temperatures with experimental temperatures in cold storage

3　气流组织评价指标

目前，常用的气流组织评价指标主要包括3方面：送风有效性的描述参数、污染物排除有效性的描述参数及能量有效利用和热舒适的描述参数[18]。对于冷藏库这类特殊的建筑，人们关心的主要是对果蔬贮藏品质影响较大的因素，如风速、温度及相对湿度等。为了能够更加合理直观地评价库内的气流组织效果，本文采用不均匀系数及空气分布特性指标对果蔬冷藏库内气流组织进行评价。

3.1温度不均匀系数

果蔬贮藏时，人们为提高冷库的经济效益，库内一般摆放较多的货物，容积利用系数较大，而果蔬又在不断地进行呼吸作用及蒸腾作用，因而库内不同区域温度、相对湿度可能存在较大差异，而果蔬贮藏对风速、温度及相对湿度等参数的均匀性要求较高，所以对库内空气温度、相对湿度的均匀性评价显得尤为重要。鉴于此，本文引入“不均匀系数”来评价库内气流组织的均匀性，包括温度不均匀系数和相对湿度不均匀系数，温度不均匀系数的概念及计算公式如下。

温度不均匀系数kt、相对湿度不均匀系数kR（概念和计算公式均类似于温度不均匀系数）都是无量纲数。kt、kR的值越小，表示温度场及相对湿度场的均匀性越好。

3.2空气分布特性指标

为整体评价冷库内部环境满足果蔬贮藏条件的程度，引入“空气分布特性指标（air diffusion performance index, ADPI）”。通过在冷库内部建立测点，然后测试各个测点的风速、温度及相对湿度的值，则同时满足果蔬贮藏温度及相对湿度要求的测点数与总测点数的比值即为空气分布特性指标的值[19]。ADPI的值越大，说明满足果蔬贮藏要求的测点比例越大，则冷库内部的气流组织效果就越好。其计算公式如下：

为了使气流组织评价指标的计算结果更为客观准确，本文在库内货物区依长宽高3个方向以1 m为步长均匀取点，共建立780个测点。

4　计算结果分析及评价

4.1计算结果分析

4.1.1温度场对比与分析

从图5a和图5b可以看出，有均匀送风装置时库内货物区的温度范围在272.5～273.3 K，货物堆内最大温差为0.8 K，货物区的温度基本满足苹果的贮藏条件（273.15 K，并允许上下波动0.5 K）[1]；当库内无均匀送风装置时，货物区的温度范围为272～273.2 K，货物区内最大温差为1.2 K，无均匀送风装置的冷藏库内货物区内最大温差较有均匀送风装置时高33%。且无均匀送风管道时，库内货物区温度偏低。经过以上分析可以发现，有均匀送风装置时库内货物区温度场更均匀且更接近贮藏条件。

图5　不同冷却设备形式下x=7.67 m截面温度分布图Fig.5 Temperature distribution at plane of x=7.67 m under two different conditions

4.1.2相对湿度场对比与分析

从图6a和6b可以看出，当库内有均匀送风装置时货物区相对湿度变化范围为87%～92%，最大相对湿度差值为5%；当库内无均匀送风装置时，货物区相对湿度变化范围为87%～94%，最大差值为7%，无均匀送风装置的冷藏库内货物区相对湿度最大差值比有均匀送风装置高28.57%。因此，当库内设有均匀送风装置时货物区相对湿度更加均匀。

图6　不同冷却设备形式下x=7.67 m截面相对湿度分布图Fig.6 Relative humidity distribution at plane of x=7.67 m under two different conditions

4.2气流组织评价指标的计算及分析

在冷藏库内货物区以1 m为步长沿3个坐标轴方向均匀建立780个测点，调取每个测点的温度、风速及相对湿度的值，然后按照公式5、公式6及公式7进行气流组织评价指标的计算，计算结果如表2所示。

表2　气流组织评价指标计算结果Table 2 Value of air distribution evaluation indexes

从表格2可以看出，装设均匀送风装置的冷库和不设均匀送风装置的冷库库内温度和相对湿度均能满足苹果贮藏的条件，然而库内货物区的温度和相对湿度的不均匀度有明显差别：装设均匀送风装置的冷藏库内货物区温度不均匀系数比不设均匀送风装置的冷藏库内货物区温度不均匀系数小20%，装设均匀送风装置时货物区相对湿度不均匀系数比不设均匀送风装置时小22.73%，装设均匀送风装置时货物区满足规定风速、温度和相对湿度的测点数与总测点数的比值（空气分布特性指标，ADPI）比不设均匀送风装置时大11.13%。因此，装设均匀送风装置时货物区温度场和相对湿度场会更加均匀。

5　结论

本文以延安市某苹果冷藏库为研究对象，建立了库内气体流动与传热的三维数学求解模型，依据冷却面积、送风量及送风温度相同的原则，为该冷库重新设置一套冷却设备后，对比研究了2套不同冷却设备的库内温湿度场的分布情况，主要得出如下结论：

1）在对冷藏库内气流组织进行评价时，通过引入温湿度的平均值、不均匀系数及ADPI指标能够更加合理直观地评价冷藏库内温湿度场的分布情况。

2）采用均匀送风装置时，库内货物区的温度不均匀系数比无均匀送风装置时小20%，货物区的相对湿度不均匀系数比无均匀送风装置时小22.73%，ADPI指标比无均匀送风装置时大11.13%。设置均匀送风装置时库内温度场与湿度场的均匀性有较大改善。

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Improvement on characteristics of air flow field in cold storage with uniform air supply duct

Liu Xiaofei, Nan Xiaohong※
（School of Environmental and Municipal Engineering, Xi′an University of Architecture and Technology, Xi′an 710055, China）

Abstract:The cold storage of fruit and vegetable has higher request for the uniformity of temperature, relative humidity and air velocity.The air-cooler with uniform air supply duct can meet the condition of fruit and vegetable storage better.The authors chose a cold storage of apples as a research object and explored the velocity, temperature and relative humidity fields under two different conditions: one used the distribution system and the other did not.Then a combination of CFD （computational fluid dynamics）calculation and experimental study was carried out to further understand the complicated phenomenon of air flow and heat transfer in cold storage.A three dimension physical and numerical model for flow, heat and mass transfer inside the air-cooler（with uniform air supply duct）-cargo-air in the cold storage was developed.The k-ε turbulent model was considered as CFD model.The apple zone was regarded as porous medium zone.When the inlet temperature was 271.15K, inlet velocity was 8.48 m/s and inlet relative humidity was 90%, the velocity, temperature and relative humidity distributions were simulated by CFD software.The simulation results were validated by experimental results.The main instruments for experiment included thermal anemometer ZRQF-F30J and infrared thermometer EC-8399.The total amount of 16 measurement points were tested at following air-cooler inlet parameters: 271.15 K, 8.48m/s and relative humidity 90% , and the air supply system was a uniform air supply duct.The relative difference of the temperature between simulation value and experimental data at 13 measurement points was less than 15%, occupying 81.25% of total measurement points.The numerical results were in good agreement with the measured results.Simulation results showed that the maximum difference in temperature was 0.8 K for the cold storage equipped with a uniform air supply duct and 1.2 K the cold storage without uniform air supply duct.The maximum difference in temperature for the cold storage with uniform air supply duct was 33.33% lower than that without the uniform air supply duct.The maximum difference in relative humidity was 5% for the cold storage equipped with a uniform air supply duct, and 7% when the cold storage without uniform air supply duct.The maximum difference in relative humidity for the cold storage with uniform air supply duct was 28.75% lower than that without the uniform air supply duct.Further, the non-uniformity coefficient and air diffusion performance index（ADPI）were introduced to assess the fields.The total amount of 780 measurement points were selected, which were uniformly distributed and the step length of three coordinate directions was 1 m in the studied cold storage.Both of the non-uniformity coefficient and air diffusion performance index（ADPI）was computational by gathered velocity, temperature and relative humidity of every measurement points.When the uniform air supply duct was installed in the cold storage, the non-uniformity coefficient of air velocity was 22.65% lower than the cold storage without uniform air supply duct.The non-uniformity coefficient of temperature was 20% lower than the cold storage without uniform air supply duct.The non-uniformity coefficient of relative humidity was 22.73% lower than the cold storage without uniform air supply duct.The value of ADPI was 11.13% higher than the cold storage without uniform air supply duct.Thus, the air velocity, temperature and relative humidity fields were more uniform in the cold storage which had the uniform air supply duct.

Keywords:flow fields; cold storage; uniform air supply duct; air distribution; non-uniformity coefficient

通信作者：※南晓红，女，陕西西安人，教授，主要从事制冷技术领域的科研与教学工作研究。西安西安建筑科技大学环境与市政工程学院，710055。Email: nanxh@xauat.edu.cn

作者简介：刘晓菲，男，河南平顶山人，研究方向为冷库内温湿度场的数值模拟。西安西安建筑科技大学环境与市政工程学院，710055。Email:1126558853@qq.com

基金项目：“十一五”国家科技支撑计划（2008BAJ08B07-1）

收稿日期：2015-08-09

修订日期：2015-11-12

中图分类号：TB61+1

文献标志码：A

文章编号：1002-6819（2016）-01-0091-06

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.012