冷庫不同布置方案對冷庫溫度均勻性的影響

張銘　艾宇　張少杰　黃峻偉　陸秋芳　鄭元法　李勇　張天順

摘要：利用計算流體力學（CFD）技術對存放甜瓜的冷庫中的氣流溫度場進行模擬研究分析，研究風機間距以及貨物間距對冷庫溫度場的影響，找出較合適的冷庫布置方案。通過對比不同方案的制冷效果和冷庫溫度均勻性等指標，模擬結果顯示，在冷庫中配有3臺風機的情況下，使2側風機稍微遠離中間風機布置時，溫度均勻度K值更低，溫度均勻性更好;而在擺放貨物時要綜合考慮貨物與冷庫墻體的距離和貨物與貨物之間的距離之間的關系，找出貨物布置最合理的方案。通過本研究可以為冷庫安裝企業提供一個較為清晰的冷庫布置設計思路。

關鍵詞：冷庫;計算流體力學（CFD）;風機;溫度場;溫度均勻度

中圖分類號： TB657.1

文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）02-0210-11

收稿日期：2018-11-04

作者簡介：張 銘（1994—），男，湖北黃石人，碩士研究生，研究方向為農業生物環境控制。E-mail：838878603@qq.com。

通信作者：張天順，碩士，副教授，碩士生導師，從事農業工程研究。E-mail：351997207@qq.com。

隨著人們生活水平的不斷提高，農業、食品、醫藥等行業正在迅猛發展，冷庫作為冷鏈物流中的重要組成部分，也在不斷的改進發展[1-4]。近年來，我國的冷庫數量不斷增多，但冷庫技術的發展仍然比較緩慢，如何改進冷庫的設計方案，降低能耗，提高冷庫的制冷效果與溫度均勻性，成為冷庫發展的重中之重[5-7]。

目前，大多數冷庫安裝企業在設計方案時，設計人員從冷庫需要存放的貨物、冷庫的大小、冷庫所在外部環境溫度等來計算壓縮機的排氣量，配出冷凝器、蒸發器，最后設計出冷庫方案。在這個過程中設計人員幾乎不會考慮風機和貨物的布置對冷庫溫度的影響，很多情況下安裝人員僅僅依憑經驗布置風機以及擺放貨物。然而同一套機組，在同一個冷庫中，風機不同的布置方式，貨物不同的擺放形式，都會對冷庫的制冷效果造成很大的影響。很多企業因為財力物力的限制，同時工期時間較短，使得企業也沒有過多的精力去試驗哪種風機、貨架布置方式比較合理，制冷效果更好[8-10]。

現在，隨著計算流體力學（CFD）技術的不斷發展，CFD技術已經運用到制冷行業。國內外學者利用CFD技術對冷庫內的氣流分布以及溫度場進行模擬分析計算[11-15]。本研究利用SolidWorks flow simulation對冷庫內的氣流分布進行分析，設計不同的風機間距布置方案以及貨物間距布置方案，分析這些方案中冷庫內部的氣流分布情況與溫度變化，通過試驗對比，找出各個方案的優缺點，最終得出比較合理的風機布置方案，以期為冷庫安裝企業提供一個較為清晰的冷庫布置設計思路。

2 溫度場分析

2.1 風機間距對溫度的影響

2.1.1 物理模型 本研究試驗在某制冷設備公司開展，以公司其中1個項目作為研究對象，存放的貨物是甜瓜，甜瓜在放入冷庫儲藏前要先預冷至 6 ℃ 左右，但在實際情況中，客戶會因為時間以及成本因素減少預冷時間，導致預冷溫度未達到指定要求就放入冷庫儲藏，因此本研究時，甜瓜預冷溫度為10 ℃。冷庫尺寸長為20.3 m、寬為10 m、高為 3.0 m，冷庫壁厚0.15 m，冷庫內貨物堆放在一起，堆放高度為1.6 m，分3組放置在冷庫中，每組有2列貨堆，2組貨堆間距為 1.52 m，方便貨物運輸，貨物與兩邊庫體間距為0.3 m，貨物與庫門內側間距為0.85 m。冷庫庫板由彩鋼板與聚氨酯組成，聚氨酯位于庫板中心被彩鋼板包住，厚度為0.15 m。因為冷庫采用的是冷風機強制空氣循環，冷庫內部氣流應為湍流模式，湍流運動氣流十分混亂，運動無規律，采用標準k-ε模型，雷諾數約為106（數量級）[27-28]。冷庫模型見圖1。

2.1.2 邊界條件設定 本研究利用SolidWorks flow simulation對冷庫進行流體力學仿真分析，邊界條件設定如下。

初始設置的分析對象為冷庫內部。物理特征：固體內熱傳導，非穩態傳熱流動分析;壁面條件：絕熱壁面，粗糙度為0;庫內壓力為101 325 Pa（約1個大氣壓）;庫內初始溫度：空氣溫度為283 K（10 ℃），固體溫度為283 K（10 ℃）;庫板材料：聚氨酯保溫庫板，真實壁面。風機參數：環境壓力為101 325 Pa;送風口溫度為270.3 K（-2.7 ℃）;轉子速度為22.17 r/s;湍流動能為1 J/kg;湍流耗散為1 W/kg;針對貨物存放的屬性，冷庫要求溫度范圍為2～8 ℃，因此設定風機在庫內溫度低于4 ℃時停止運行，在高于6 ℃時啟動。

冷庫網格：初始網格級別設為3，細化級別為4，網格總數為832 895，流體網格數為365 183。

甜瓜屬性如下：密度為943 kg/m3;比熱容為3 935.6 J/kg·℃;熱導率為0.5 W/（m·℃）。

為了研究冷庫內部的溫度均勻性，在這里引入溫度均勻度指標K，溫度均勻度越小說明冷庫溫度均勻性越好，溫度越穩定。

式中：K為溫度均勻度;t為平均溫度;σt為溫度的標準差;n為溫度測量點個數;ti為第i個測試點的溫度。

2.1.3 方案對比分析 為研究風機間距對冷庫溫度均勻性的影響，在保證其他條件相同的情況下，采用3組吊頂式風機，出風形式為雙側出風，風機離庫頂距離為0.3 m，出風口直徑為0.45 m，風機射程滿足要求。共設4種方案，方案1：風機間距為3.308 m;方案2：風機間距為3.984 m;方案3：風機間距為4.484 m;方案4：風機間距為4.984 m;4種方案模型見圖2。

2.1.4 結果分析 根據貨物存放的要求，冷庫要求的溫度范圍為2～8 ℃，為了更好地表示貨物存放時的溫度效果，取4個方案冷庫離中心平面（xOz平面）3 m貨架區域的溫度切面圖進行分析，溫度切面圖中溫度條件范圍為2～8 ℃，選取貨物區域溫度偏高以及溫度偏低的幾個點測出溫度值。4個方案的分析結果見圖3。

從圖3可以看出，2種方案均能滿足溫度要求，在3 m貨物切面區域，溫度主要分布趨勢為低溫區域主要分布在冷庫中間，高溫區域靠近冷庫邊緣。

方案1和方案2溫度變化比較明顯，整體溫度顏色為3種，而方案2和方案4整體溫度顏色基本為2種，溫度變化不是很明顯。從總的切面圖可以看到，方案1最高溫度在7.55 ℃左右，最低溫度在3.63 ℃左右;方案2最高溫度在7.58 ℃左右，最低溫度在5.06 ℃左右;方案3最高溫度在6.71 ℃左右，最低溫度在4.48 ℃左右;方案4最高溫度在5.97 ℃左右，最低溫度在3.25 ℃左右。可以看出方案1的溫差最大，方案3的溫差最小，方案4的整體溫度偏低。

圖4是在4個方案中對稱選取的72個點的溫度。通過計算，方案1：72個點的溫度最大值tmax=280.086 7，最小值tmin=277.91，平均值t=278.75，標準差 σt=0.366 6，溫度均勻度K=0.001 32;方案2：72個點的溫度最大值tmax=280.01，最小值tmin=278.80，平均值t=279.43，標準差σt=0.353 4，溫度均勻度K=0.001 26;方案3：72個點的溫度最大值tmax=279.54，最小值tmin=278.82，平均值t=279.29，標準差σt=0.253 2，溫度均勻度K=0.000 91;方案4：72個點的溫度最大值tmax=278.80，最小值tmin=276.28，平均值t=278.20，標準差σt=0.709 1，溫度均勻度K=0.002 55。可以看出方案2的溫度最高，方案4的溫度最低。方案4的溫度均勻度值最大，方案3的溫度均勻度值最小，4個方案中方案4溫度均勻性最差，方案3的冷庫溫度均勻性最好，方案3最合理。

圖5是4個方案的溫度場分布。

從圖5的溫度場中可以發現，方案4的整體氣流溫度要低于前3個方案。4個方案的溫度場分布基本相同，方案1 x方向上兩邊區域溫度較高，而冷庫中間區域溫度較低;方案4在x方向上兩邊區域溫度較低，而冷庫中間區域溫度較高，方案2和方案3氣流分布以及溫度分布都比較平均。

2.2 貨物間距對溫度的影響

2.2.1 物理模型 通過以上分析，可以確定方案3風機間距方案更合理，冷庫溫度均勻性更優，在此基礎上，通過改變貨物間距來研究貨物間距對冷庫溫度的影響，設方案1：貨物與冷庫墻體間距0.3 m，貨物之間間距1.52 m;方案2：貨物與冷庫墻體間距0.4 m，貨物之間間距1.42 m;方案3：貨物與冷庫墻體間距0.5 m，貨物之間間距1.32 m，其他條件不變。3種方案的模型見圖6。

2.2.2 結果分析 同樣分別取3個方案冷庫離中心3 m貨架區域的溫度切面圖進行分析，溫度切面圖中溫度條范圍為2～8 ℃，選取貨物區域溫度偏高以及溫度偏低的幾個點測出溫度值。2個方案分析的結果見圖7。

從圖7可以看出，3種方案中方案2的整體溫度較低，方案1和方案3的溫度較高，方案1整個貨物區域最低溫度在4.48 ℃左右，最高溫度在6.71 ℃左右;方案2整個貨物區域最低溫度在4.00 ℃左右，最高溫度在6.46 ℃左右;方案3整個貨物區域最低溫度在4.48 ℃左右，最高溫度在6.74 ℃左右。

圖8是在3種方案中對稱選取的72個點的溫度。通過計算，方案1：72個點的溫度最大值tmax=279.54，最小值tmin=278.82，平均值t=279.29，標準差σt=0.253 2，溫度均勻度K=0.000 91;方案2：72個點的溫度最大值tmax=278.41，最小值tmin=278.40，平均值t=278.75，標準差σt=0.158 9，溫度均勻度K=0.000 57;方案3：72個點的溫度最大值tmax=278.60，最小值tmin=278.84，平均值t=279.30，標準差σt=0.267 6，溫度均勻度K=0.000 96。可以看出方案2的溫度要小于方案1和方案3，方案1和方案3的溫度基本相同，方案1和方案3的溫度均勻度基本相同，方案2溫度均勻度最小，因此方案2的冷庫溫度均勻性最好。

3個方案的溫度場分布見圖9。本研究的內容是貨物間距的不同對于冷庫溫度均勻性的影響，選取了3個貨物間距方案，3個方案的風機風速，整體風量，出風溫度等參數均相同。經研究分析后發現，方案2貨物間距大小的冷庫，冷庫內部溫度能夠達到貨物存儲要求，其溫度均勻性更優，方案2貨物間距大小在3個方案中適中，方案1雖然貨物與貨物之間間距最大，但是貨物與冷庫墻體間距較小，而方案3的貨物與冷庫墻體間距最大，但相應的貨物與貨物之間間距則變小了，因此最適中的方案2制冷效果最好，冷庫溫度均勻性最佳。

3 結論

通過對冷庫不同風機間距方案以及貨物間距方案進行對比分析，發現了各個方案的優勢與缺點，通過整理分析得到如下結論。

一般方案設計人員以及施工人員在放置風機時，基本都會按照冷庫的長度等距離均勻布置風機，然而通過分析得出，本研究的冷庫中，風機間距為4.484 m，使兩側風機稍微遠離中間風機布置時，冷庫整體平均溫度更低，貨物存放區域的溫度均勻性更好。

冷庫中存放貨物時，并不是貨物與冷庫墻體的距離或者貨物與貨物之間的距離越大越好，要綜合考慮二者的因素，找出貨物布置最合理的方案。

以上結論可以為各個冷庫安裝企業提供冷庫風機布置的參考依據，同時在今后的研究中，為了使冷庫布置的更加合理， 制冷效果以及溫度均勻性更好，今后應從以下幾個方面對冷風機式冷庫進行深入的研究。（1）是否有更好的風機布置方案;（2）風機送風口數量對于冷庫溫度均勻性的影響;（3）風機類型對于冷庫溫度均勻性的影響。

參考文獻：

[1]徐超彥，范衛民. 從冷庫視角看國內冷藏車發展未來前景[J]. 專用汽車，2015（11）：67-70.

[2]趙 玥. 哈爾濱某冷庫制冷系統運行節能分析與優化[D]. 哈爾濱：哈爾濱商業大學，2016.

[3]辛修瑞，牛繼開，白鑫源，等. 冷庫發展現狀以及節能與環保[J]. 家電科技，2018（3）：22-23.

[4]張秋玉，臧潤清. 熱負荷分開配置機組的冷庫制冷系統設計[J]. 低溫與超導，2017，45（9）：79-83.

[5]徐佳梅. 冷鏈物流園區的現狀與發展[J]. 中國儲運，2016（8）：52-53.

[6]李 超，張立新，趙 猛. 農產品冷鏈物流的冷庫節能降耗問題研究[J]. 農業開發與裝備，2017（5）：50.

[7]尹慶珍，王國華，韓建會，等. 我國蔬菜低溫冷庫的發展現狀及展望[J]. 河北農業科學，2008，12（8）：84-85.

[8]蔣 穎. 自動化冷庫發展概述[J]. 制冷與空調，2013，13（6）：1-4.

[9]殷 浩，郭康寧. 冷庫雙穿堂設備布置的技術創新[J]. 輕工科技，2018（4）：96-97，153.

[10]呂德寶. 冷庫內貨物不同擺放方式對氣流組織影響的研究[D]. 天津：天津商業大學，2016.

[11]孫海亭. 利用CFD模擬冷庫內蘋果箱不同堆碼方式下氣流分布特征的研究[D]. 楊凌：西北農林科技大學，2014.

[12]湯 毅. 計算流體力學（CFD）技術用于冷庫氣流優化的研究[D]. 上海：上海海洋大學，2013.

[13]馮坤旋. 果蔬冷庫進貨過程流場穩定性及冷風機運行模式研究[D]. 西安：西安建筑科技大學，2016.

[14]馮坤旋，南曉紅，楊巧銀，等. 果蔬冷庫進貨期間貨物溫度穩定性的影響因素[J]. 農業工程學報，2015，31（20）：294-300.

[15]傅 宏，左春檉，于建群，等. 自然冷資源庫中果蔬冷卻過程的有限元分析[J]. 農業工程學報，2000，16（3）：97-99.

[16]Li S，Wang S C，Cheng F，et al. The experimental study and numerical simulation of the gas flow field in the cold storage of procambarus clarkii[J]. Applied Mechanics and Materials，2015，716/717：780-784.

[17]鄒亞文，張衛國. 穿梭式立體冷庫設計與有限元模擬分析[J]. 物流技術與應用，2017，22（增刊1）：59-62.

[18]李藝哲，謝 晶. 大型冷庫內溫度場的數值模擬與優化[J]. 食品與機械，2017，33（6）：139-142，179.

[19]Delele M A，Vorstermans B，Creemers P，et al. CFD model development and validation of a thermonebulisation fungicide fogging system for postharvest storage of fruit[J]. Journal of Food Engineering，2012，108（1）：59-68.

[20]王 俊. 冷庫空氣幕的實驗研究及數值模擬[D]. 上海：上海海洋大學，2016.

[21]田 紳，邵雙全，張坤竹，等. 冷庫庫門的非穩態RANS模型滲風研究[J]. 制冷學報，2017，38（3）：63-69，107.

[22]李藝哲. 冷庫內溫度場的數值模擬與優化[D]. 上海：上海海洋大學，2017.

[23]Hao X H，Ju Y L. Simulation and analysis on the flow field of the low temperature mini-type cold store[J]. Heat and Mass Transfer，2011，47（7）：771-775.

[24]李福良. 冷庫氣流組織建模及優化研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱商業大學，2014.

[25]謝 晶，湯 毅，王金鋒，等. 三維流體力學預測風機不同布置形式對冷庫氣流的影響[J]. 食品工業科技，2011，32（11）：349-351，419.

[26]胡佐新. 藥品冷庫溫度場的模擬及設計優化[D]. 貴陽：貴州大學，2016.

[27]張新林，成耀榮. 基于系統動力學的冷庫發展調控模型與仿真[J]. 鐵道科學與工程學報，2015，12（6）：1464-1470.

[28]Delele M A，Vorstermans B，Creemers P，et al. Investigating the performance of thermonebulisation fungicide fogging system for loaded fruit storage room using CFD model[J]. Journal of Food Engineering，2012，109（1）：87-97.孟繁佳，孟德倫，孫 偉. 青貯飼料裹包密度分布的可視化檢測方法[J]. 江蘇農業科學，2020，48（2）：221-225.