基于車(chē)輛表面溫度分布的烘干房氣流組織優(yōu)化

劉營(yíng)芳 陳銀輝 黃子碩

1同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院

2上海市建筑科學(xué)研究院

0 引言

畜禽運(yùn)輸貨車(chē)車(chē)體的消殺是畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)防疫的重要環(huán)節(jié)。若車(chē)體干燥不充分不完全，大部分消毒劑對(duì)豬繁殖與呼吸綜合征病毒（PRRSV）的滅活效果有限[1]，同時(shí)，車(chē)輛烘干效果和能耗直接影響?zhàn)B殖企業(yè)的防疫安全和運(yùn)營(yíng)成本。既有研究多為農(nóng)副產(chǎn)品及飼料的干燥技術(shù)研究[2-3]，或結(jié)合具體案例對(duì)畜禽轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)烘干房在不同氣流組織下的空氣溫度進(jìn)行比較[4-5]，但烘干房?jī)?nèi)氣流組織設(shè)計(jì)仍缺乏可靠依循。

本研究將關(guān)注點(diǎn)回歸到被烘干車(chē)輛本身，分析烘干過(guò)程中車(chē)輛表面溫度的均勻性與最終烘干效果間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，提出以車(chē)輛表面溫度分布不均勻系數(shù)作為評(píng)價(jià)烘干房氣流組織優(yōu)劣的依據(jù)，并結(jié)合第四代烘干房的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和CFD模擬，對(duì)這一假設(shè)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 車(chē)輛烘干過(guò)程的熱濕遷移過(guò)程及其評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 熱濕遷移過(guò)程

熱風(fēng)干燥技術(shù)依據(jù)介質(zhì)傳熱原理，烘干區(qū)域內(nèi)的初始冷空氣首先被置換為熱空氣，然后與車(chē)輛表面產(chǎn)生溫度梯度和水分梯度，車(chē)輛表面與周?chē)鸁峥諝獾膫鳠醾髻|(zhì)過(guò)程同時(shí)發(fā)生，方向相反，完成車(chē)輛的加熱脫濕。烘干過(guò)程中的熱濕遷移可分為三個(gè)階段，如圖 1所示：

圖1 烘干過(guò)程車(chē)體表面溫度與空氣濕度變化圖

在快速升溫期，熱空氣與車(chē)輛之間通過(guò)對(duì)流換熱的方式傳遞熱量，使得車(chē)輛表面水分受熱汽化，汽化的水蒸氣擴(kuò)散到周?chē)諝庵校?jīng)循環(huán)系統(tǒng)排出室外。此過(guò)程中，車(chē)體表面溫度迅速上升至t1，室內(nèi)空氣濕度先迅速上升至φ1，之后濕空氣開(kāi)始排出室外，室內(nèi)空氣濕度迅速下降。在穩(wěn)定除濕期，送入室內(nèi)的熱風(fēng)車(chē)輛表面水分的汽化潛熱，濕空氣不斷排出室外，而車(chē)體表面溫度基本不變，室內(nèi)空氣濕度平穩(wěn)下降至φ2后基本保持不變。在烘干保證期，車(chē)輛表面水分基本被完全蒸發(fā)，部分區(qū)域存在少量水分，因此送風(fēng)風(fēng)速與溫度均下降，車(chē)輛表面溫度與室內(nèi)空氣濕度均基本保持不變，繼續(xù)烘干保證車(chē)輛整體所有區(qū)域均達(dá)到烘干要求。

微生物學(xué)的研究表明，大多數(shù)病毒的耐受溫度不超過(guò)60℃[6]。因此，烘干房常以60℃作為烘干要求。經(jīng)測(cè)量，快速升溫期為 5～10 min，穩(wěn)定除濕期約 15～ 20 min，烘干保證期約20 min。但研究表明，病毒處于55～60℃的溫度中，十幾分鐘內(nèi)即可滅活[6]，這說(shuō)明目前烘干房的設(shè)置烘干保證時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。根據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，設(shè)置較長(zhǎng)的烘干時(shí)長(zhǎng)主要是由于被烘干車(chē)輛結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易出現(xiàn)烘干不均勻的現(xiàn)象。但與此同時(shí)容易出現(xiàn)部分區(qū)域過(guò)分烘干而損傷車(chē)體，并造成能源浪費(fèi)。因此，本文的優(yōu)化目的為提高車(chē)輛烘干均勻性，確保車(chē)輛整體受熱均勻，同步烘干，避免出現(xiàn)部分區(qū)域溫度過(guò)低未達(dá)到烘干要求的情況，從而縮短烘干保證階段的時(shí)長(zhǎng)，降低烘干能耗。

1.2 車(chē)體表面溫度分布均勻性指標(biāo)

結(jié)合上述熱濕傳遞過(guò)程分析以及烘干殺菌的溫度要求兩個(gè)方面的因素，提出車(chē)輛表面溫度不均勻性作為烘干效果和烘干效率的指標(biāo)。

為更好評(píng)價(jià)優(yōu)烘干房氣流組織的優(yōu)劣，引入不均勻系數(shù)[7]作為評(píng)價(jià)車(chē)體表面溫度不均勻性指標(biāo)，該指標(biāo)的計(jì)算方法如下：

式中：N為研究區(qū)域內(nèi)測(cè)點(diǎn)數(shù)；Ti為各觀測(cè)點(diǎn)的溫度值，℃；為區(qū)域內(nèi)觀測(cè)點(diǎn)溫度的算數(shù)平均值，℃ ；KT為區(qū)域內(nèi)測(cè)點(diǎn)溫度的不均勻系數(shù)。

本研究中，結(jié)合既有研究的實(shí)測(cè)，將觀測(cè)點(diǎn)遍布車(chē)身的各個(gè)關(guān)鍵區(qū)域，包括欄桿(hl)，車(chē)廂(ca)，車(chē)頭(lo)，以及車(chē)輛底部（共18個(gè)）。保證覆蓋模型分析中溫度過(guò)高及過(guò)低的區(qū)域。各觀測(cè)點(diǎn)的具體分布如圖2所示。

圖2 車(chē)體表面溫度觀測(cè)點(diǎn)位置圖

2 烘干房的模型建立

CFD 仿真軟件已被大量用于探究各類(lèi)烘干室的研究[8-9]。因此，本文結(jié)合實(shí)測(cè)結(jié)果，對(duì)烘干房?jī)?nèi)車(chē)輛烘干過(guò)程采用Airpak軟件進(jìn)行模擬研究。

2.1 烘干房的幾何模型

本文測(cè)試的畜禽式貨車(chē)烘干房外觀如圖 3所示。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與調(diào)研獲得烘干房的建筑物理信息（見(jiàn)表1）。

圖3 第四代烘干房

表1 烘干房主室建筑信息

烘干房主室作為建筑核心，是車(chē)輛烘干的主要場(chǎng)所。主室地面設(shè)有循環(huán)風(fēng)口，位于側(cè)墻頂部的風(fēng)機(jī)抽取主室上方的空氣經(jīng)由風(fēng)管輸送到地面風(fēng)口，實(shí)現(xiàn)烘干房?jī)?nèi)空氣的上下流動(dòng)。側(cè)墻上設(shè)有送風(fēng)口與回風(fēng)口，室外新風(fēng)通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)送入燃燒機(jī)與烘干主室內(nèi)回風(fēng)混合后，在燃燒機(jī)內(nèi)被加熱，然后由送風(fēng)口送入烘干主室，對(duì)車(chē)體進(jìn)行快速烘干并有效殺死車(chē)體所攜帶的病原體。

2.2 烘干房的物理模型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量及工程設(shè)計(jì)圖紙，采用 Airpak軟件建立烘干房的物理模型。車(chē)輛模型依據(jù)車(chē)輛公司提供的具體參數(shù)進(jìn)行建模，烘干過(guò)程中，車(chē)廂尾部后門(mén)向后打開(kāi)，駕駛室車(chē)門(mén)打開(kāi)。

烘干房整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，忽略一些不顯著的影響因素，對(duì)烘干房的物理模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化（見(jiàn)圖4）。根據(jù)實(shí)際測(cè)量值，設(shè)置各邊界參數(shù)，見(jiàn)表2。

圖4 烘干房簡(jiǎn)化物理模型

表2 參數(shù)設(shè)置

烘干房?jī)?nèi)空氣為低速、不可壓縮湍流流動(dòng)氣體，其流動(dòng)換熱過(guò)程基于連續(xù)性方程，動(dòng)量方程，能量方程和計(jì)算湍流的方程進(jìn)行計(jì)算[10-11]。分別由三大基本物理定律：質(zhì)量守恒定律、牛頓第二定律、能量守恒定律，通過(guò)數(shù)學(xué)演繹得來(lái)。

采用六面體網(wǎng)格（Hexa cartesian）網(wǎng)格劃分器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)氣體流速梯度較大的各風(fēng)口及后置風(fēng)機(jī)進(jìn)行局部加密。共生成網(wǎng)格1043052個(gè)，網(wǎng)格質(zhì)量最低為0.92，滿足模擬計(jì)算要求。烘干房室內(nèi)空氣流動(dòng)同時(shí)包括自然對(duì)流與混合對(duì)流，是一種較為復(fù)雜的高雷諾數(shù)湍流流動(dòng)，既有研究表明室內(nèi)零方程模型較為適用描述該類(lèi)問(wèn)題。并選擇有限容積法作為控制方程離散化的方法，對(duì)各個(gè)網(wǎng)格上的節(jié)點(diǎn)建立離散的方程組。另外，設(shè)定流動(dòng)方程的收斂值為0.001，能量方程的收斂值為1*10-6。

2.3 烘干房模型的驗(yàn)證

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采用已標(biāo)定的可自動(dòng)連續(xù)測(cè)量?jī)x器設(shè)備（精創(chuàng)溫濕度自記儀、天健華儀溫濕度測(cè)量?jī)x等）對(duì)烘干房中各風(fēng)口的溫度（T）、風(fēng)速（V），車(chē)體表面溫度以及車(chē)體表面空氣的溫濕度等關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。具體的測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。由于烘干房送風(fēng)口溫度最高可達(dá)200℃，因此，布置在送風(fēng)口處的測(cè)點(diǎn)選用耐高溫的多通道熱工測(cè)量系統(tǒng)。

圖5 測(cè)點(diǎn)布置圖

模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)對(duì)比如圖6所示。

圖6 實(shí)測(cè)與模擬測(cè)點(diǎn)對(duì)比圖

由圖 6 可知，模擬與實(shí)驗(yàn)中各點(diǎn)的溫度分布與速度分布幾乎相同，溫度最大偏差小于 8%，風(fēng)速最大偏差小于5%，可以認(rèn)為本模型計(jì)算結(jié)果的誤差屬于可接受范圍內(nèi)的誤差，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果一致性較高，本文建立的畜禽轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)烘干房CFD 數(shù)值模型可用于車(chē)輛烘干過(guò)程的模擬仿真。

3 基于車(chē)體表面溫度分布的氣流組織優(yōu)化

首先對(duì)既有烘干房的烘干過(guò)程及車(chē)體表面溫度的分布進(jìn)行模擬，基于車(chē)體溫度分布均勻性指標(biāo)對(duì)烘干氣流組織進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 既有烘干房?jī)?nèi)被烘干車(chē)輛表面溫度分布及誘因

畜禽式貨車(chē)車(chē)體較大，各部分烘干效果通常存在一定差異，車(chē)體的表面溫度云圖可以直觀地看出車(chē)輛烘干的均勻性，如圖7所示。

圖7 車(chē)體表面溫度分布圖

由圖 7（a）可知，各層車(chē)廂的底部溫度分布均勻，且溫度均在60 ℃以上，說(shuō)明車(chē)廂內(nèi)的烘干效果良好。但由圖 7（b）、（c）可知，雖然車(chē)體外側(cè)80%以上的區(qū)域表面溫度可以達(dá)到60 ℃以上，但其溫度分布不均勻。其中一層車(chē)尾方向的欄桿外側(cè)以及底盤(pán)后掛箱的區(qū)域溫度較高，最高溫度分別可達(dá) 86.3 ℃和84.6 ℃，車(chē)頭下方溫度較低，最低溫度 52.7 ℃，不能達(dá)到烘干要求的60 ℃。根據(jù)觀測(cè)點(diǎn)計(jì)算車(chē)輛表面溫度分布的不均勻系數(shù)為0.142。

研究表明，在烘干房?jī)?nèi)放置風(fēng)機(jī)有利于對(duì)室內(nèi)熱空氣形成擾流作用，從而提高速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)的均勻性[12-13]，但由圖8 送風(fēng)口氣流軌跡可以看出，后置風(fēng)機(jī)的循環(huán)風(fēng)量過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致后置風(fēng)機(jī)循環(huán)風(fēng)量產(chǎn)生的回流影響了送風(fēng)氣流的射流，使熱空氣不易到達(dá)車(chē)體前側(cè)，造成車(chē)體表面溫度分布不均。如圖8所示，由于后置風(fēng)機(jī)的循環(huán)風(fēng)量過(guò)大，送風(fēng)口送出的熱空氣射流最大距離僅3.4米，且大部分氣體在距離送風(fēng)口1.5米處就已被后置風(fēng)機(jī)吸走，這就造成了靠近車(chē)尾的欄桿外層直接接觸到大量的熱空氣而被加熱，而車(chē)頭區(qū)域沒(méi)有直接接觸到高溫空氣而溫度較低。

圖8 側(cè)墻送風(fēng)口氣流軌跡圖

接下來(lái)的優(yōu)化將對(duì)后置風(fēng)機(jī)以及送回風(fēng)口進(jìn)行調(diào)整，并以車(chē)體烘干的均勻性以及送風(fēng)氣流的送達(dá)距離作為優(yōu)化目標(biāo)。

3.2 后置風(fēng)機(jī)位置與數(shù)量調(diào)整設(shè)計(jì)

對(duì)模型的分析發(fā)現(xiàn)，后置風(fēng)機(jī)過(guò)多，射流相互干擾，對(duì)送風(fēng)口的射流起到嚴(yán)重的阻礙作用。為節(jié)約改造成本，仍采用原型號(hào)的后置風(fēng)機(jī)，僅調(diào)整風(fēng)機(jī)的數(shù)量與空間位置，具體改進(jìn)方案見(jiàn)表3。

表3 后置風(fēng)機(jī)優(yōu)化方案

不同方案下，數(shù)值模擬結(jié)果如圖9所示。

圖9 車(chē)身表面溫度分布

由圖 9 可知，不同方案的模擬結(jié)果中，均為車(chē)輛左側(cè)欄桿的觀測(cè)點(diǎn) hl3 溫度最高，變化范圍為91.4～95.80 ℃、方案3的hl3溫度最低。而車(chē)底的觀測(cè)點(diǎn) bo3 溫度最低，變化范圍為 56.63～61.05 ℃，方案 3的bo3的溫度最高。另外由圖 10可知，隨著風(fēng)機(jī)數(shù)量的減少，送風(fēng)口的射流距離逐漸增加，溫度不均勻系數(shù)先下降后上升。以車(chē)身表面溫度不均勻系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，選用車(chē)身表面溫度的不均勻系數(shù)最小，為 0.107，且送風(fēng)射流距離達(dá)9.1 m的方案3作為后置風(fēng)機(jī)的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

圖10 溫度不均勻系數(shù)及送風(fēng)射流距離

3.3 送回風(fēng)口布局改進(jìn)設(shè)計(jì)

在對(duì)后置風(fēng)機(jī)的優(yōu)化結(jié)果中，左側(cè)欄桿 hl3測(cè)點(diǎn)溫度仍相對(duì)較高，而車(chē)輛底盤(pán)前側(cè) bo3 以及車(chē)頭 lo2溫度較低，這是因?yàn)槟Ｐ椭兴惋L(fēng)口位于車(chē)輛后方，且回風(fēng)口位于車(chē)頭側(cè)方，不利于熱空氣在車(chē)頭繞流。因此，在送回風(fēng)口的優(yōu)化中，首先將回風(fēng)口向車(chē)頭方向平移1.5 m至車(chē)頭前側(cè)，然后在側(cè)墻中部增設(shè)送風(fēng)口，為保證烘干房的輸送熱量不變，將送風(fēng)口大小減小為原尺寸一半，位置不變，另在房間中部增設(shè)同樣大小，同樣送風(fēng)參數(shù)的送風(fēng)口。具體優(yōu)化方案，如表4所示。

表4 送回風(fēng)口優(yōu)化方案

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，不同方案下各觀測(cè)點(diǎn)溫度及車(chē)身表面溫度分布的不均勻系數(shù)，如圖11、12所示。

圖11 車(chē)身表面溫度分布

由圖11可知，各方案中車(chē)體的最高溫度測(cè)點(diǎn)hl3均有所降低，且溫度較低的測(cè)點(diǎn)bo3溫度明顯上升，但其中方案5存在溫度低于 60 ℃的測(cè)點(diǎn)，不滿足烘干要求。另外，由圖12可知，隨著中部送風(fēng)口向回風(fēng)口方向的移動(dòng)，車(chē)身表面的平均溫度在逐漸下降，這是因?yàn)橹胁克惋L(fēng)口送出的熱空氣被回風(fēng)口吸入，未用于加熱車(chē)體。另外可以看出，各方案模擬結(jié)果計(jì)算所得車(chē)身表面溫度的不均勻系數(shù)呈 M 型，先下降后上升，其中方案 3的車(chē)身溫度不均勻系數(shù)最小，為 0.073，可作為送回風(fēng)口的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

圖12 溫度不均勻系數(shù)

綜上所述，烘干房的最終優(yōu)化方案為：首先調(diào)整后置風(fēng)機(jī)數(shù)量為2個(gè)，有效減少了后置風(fēng)機(jī)需要的循環(huán)風(fēng)量，降低了對(duì)送風(fēng)口射流的阻礙作用，從而增加送風(fēng)口的射流距離，避免車(chē)身欄桿后側(cè)溫度過(guò)高，初步提高了車(chē)身表面溫度分布的均勻性。之后調(diào)整送回風(fēng)口，將回風(fēng)口前移 1.5 m，同時(shí)將拆分送風(fēng)口至房間中部距離回風(fēng)口 7 m 處，有效提高了車(chē)輛前側(cè)（車(chē)頭及底盤(pán)前側(cè)）的溫度，進(jìn)一步提高了溫度分布的均勻性，從而縮短烘干保證期的時(shí)長(zhǎng)，降低烘干能耗。

4 結(jié)論

畜禽轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)烘干房的氣流組織對(duì)烘干效果和烘干效率具有重要影響。本研究采用車(chē)體表面溫度分布不均勻性系數(shù)作為衡量烘干房烘干效果和烘干效率的指標(biāo)，并結(jié)合第四代烘干房的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和 CFD 模擬，對(duì)這一假設(shè)進(jìn)行了驗(yàn)證。研究表明：

1）畜禽轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)烘干房被烘干物體（車(chē)輛）體積與烘干房自身體積的比較大，烘干房?jī)?nèi)氣流速度梯度大，且烘干過(guò)程中車(chē)體表面溫度的上下限有較為嚴(yán)格的規(guī)定，對(duì)烘干房?jī)?nèi)氣流組織提出較高要求。相對(duì)于以烘干房?jī)?nèi)空氣溫度、流速作為氣流組織評(píng)價(jià)的依據(jù)，車(chē)體表面溫度的均勻性作為烘干房氣流組織評(píng)價(jià)的依據(jù)更為直接和準(zhǔn)確。

2）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和 CFD 模擬結(jié)果對(duì)比表明，采用CFD 方法可以對(duì)畜禽轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)烘干房的氣流組織進(jìn)行較為準(zhǔn)確的模擬分析，支撐烘干房氣流組織設(shè)計(jì)。

3）案例分析表明，以車(chē)體表面溫度不均勻系數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)當(dāng)前第四代烘干房的氣流組織進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可在減少風(fēng)機(jī)數(shù)量的同時(shí)，提高烘干房?jī)?nèi)車(chē)輛烘干的效果，避免為保障車(chē)前側(cè)因熱風(fēng)覆蓋不均勻而烘干較慢，從而延長(zhǎng)烘干保證期時(shí)長(zhǎng)造成的能源浪費(fèi)問(wèn)題，同時(shí)也避免了車(chē)輛輪胎、后方欄桿等部位因過(guò)度烘干造成的局部溫度過(guò)高而帶來(lái)的安全隱患。