基于空氣制冷系統的高密度冷庫降溫-維持工況仿真計算特性分析

王少鵬，張益誠，羅君，王俊新，陳良，侯予

(1.中國艦船研究設計中心，武漢 430064；2.西安交通大學制冷與低溫工程系，西安 710049；3.武漢市計量測試檢定(研究)所，武漢 430050)

船艏冷庫的容積是影響船舶的自持力的重要因素，出航物資的需求矛盾日益突出。由于船舶冷庫設計的特殊性，通過增加冷庫數量的方式以增加食物儲藏量的做法受限于船舶條件，只能采取提高容積率，優化貨物存放形式來緩解這種矛盾。船舶冷庫設計中，需要考慮到艙室自身高度及圍護結構的限制，其內部的氣流組織與陸地冷庫內部的氣流組織存在諸多差異。陸地冷庫內部的高度一般為5～6 m，船舶冷庫內部的高度一般為2.2～3.0 m。高度尺度的不同，會導致在相同的送風條件下，兩者達到穩態流場時其內部的溫度場、氣流場存在較大差異。冷庫內的蔬菜、肉類表面區域風速對其儲藏品質的有著較大影響，其表面區域風速越高，干耗程度也隨之增高，但蔬菜、肉類表面區域的風速過低則會導致蔬菜、肉類降溫時間增長，不利于其保鮮和貯存。一般來說，冷庫內貨垛間的空氣流速保持在0.3～0.8 m/s之間較為適宜。結合此前學者的相關研究，針對高密度冷庫用空氣制冷系統，建立系統非穩態降溫模型。模型送風管路、冷庫熱負荷、回風管路，對于冷庫夏季降溫-維持工況，配合回熱器非穩態傳熱模型，完成制冷系統動態性能仿真，計算高密度冷庫內的溫度場可以達到的精度水平以及冷庫內的降溫過程。

1 控制方程

在分析流動問題時，控制體需要同時滿足質量、動量和能量3大守恒定律。同時，考慮到冷庫內流場流體已處于湍流狀態，流動存在不穩定性，且忽略冷庫內流體黏性對流體流動的影響。采用Fluent中廣泛應用的湍流模型標準-兩方程模型，該模型能在較大的范圍內保持足夠的計算精度。

此外，由于壁面處存在黏性底層，流動速度速度低，湍流發展不充分，流動狀態接近層流，從壁面到主流區的過渡區域，流動狀態復雜多變，在仿真計算過程中采用將壁面函數法作為壁面粘性底層換熱的計算方法，直接將湍流核心區和壁面之間的物理量建立對應關系，對于主流區采用湍流模型直接計算，忽略壁面的流動情況。

2 建模及網格劃分

冷庫的幾何模型見圖1。回風口尺寸為10 m×0.2 m(×)，孔板送風的靜壓箱總尺寸為7 m×10 m×0.2 m(××)。其中，靜壓箱按照對稱關系，分為10個分區。

圖1 高密度冷庫幾何模型示意

冷庫的公稱容積為210 m，屬于小型冷庫，容積利用系數為0.52，冷庫儲存凍肉(-18 ℃，即255.15 K)，密度取400 kg/m，所以冷庫計算容量為43.68 t。工況為基礎容積率，進貨量100%。貨物尺寸為1.3 m×1.2 m×2.5 m(××)，間距0.1 m，貨物高度為2.5 m，貨物數量為28塊，堆垛布置方式見圖2。

圖2 高密度冷庫內貨物堆垛方式示意

根據美國國家標準與技術研究院(NIST)相關標準信息查詢相應的空氣物性，包括摩爾質量、臨界溫度、臨界壓力、密度、導熱系數和黏性系數等參數。保溫材料采用硬質聚氨酯泡沫，密度為40 kg/m；定壓比熱容為1 260 J/(kg·K)，熱導系數為0.22 W/(m·K)，冷藏貨物主要為凍肉，密度400 kg/m，定壓比熱容2 000 J/(kg·K)，熱導系數為2.0 W/(m·K)。

整體建模采用非結構化網格劃分，經網格無關性計算后，選定網格數量為379.7萬。

3 邊界條件及工況

進口邊界條件采用速度邊界條件：進風口風速為1.0 m/s，靜壓為30 Pa，溫度：編寫UDF，采用混風模型對進口溫度進行定義。

出口邊界條件采用壓力出口條件：出風口壓力為0。

冷庫壁面邊界條件采用第三類邊界條件，壁面外表面的對流換熱系數為10 W/(m·K)，厚度為200 mm。

冷庫運行時的環境溫度在夏季設計工況時為35 ℃(308.15 K)，相對濕度為60%。

定義初始條件：冷庫內的空氣溫度為-18 ℃(255.15 K)，貨物初始溫度-17 ℃(256.15 K)。

夏季工況，環境溫度為35 ℃(308.15 K)，相對濕度為60%。

空氣制冷機在冷庫初始降溫及維持工況運行時，其性能參數分別見表1。

表1 空氣制冷機初始降溫及維持工況的性能參數

4 結果與討論

4.1 冷庫降溫-維持工況溫度隨時間的變化

冷庫內向各截面(=0.2 m，=0.8 m，=1.6 m，=2.4m)的空氣及溫變化見圖3。

圖3 高密度冷庫內空氣平均溫度的變化

由圖3可見，冷庫內空氣平均溫度在13 min左右時可降低到目標溫度-18 ℃(255.15 K)；大約在15 min，貨物溫度達到-18 ℃(255.15 K)。冷庫內全部截面溫度達到-18 ℃(255.15 K)，并維持在-18 ℃(255.15 K)。在維持工況，冷庫內全部截面的溫度波動較小，且不隨時間變化，溫度場的控制精度較高。

4.2 冷庫在降溫工況時不同截面整體溫度場

、、方向各個截面及貨物在降溫工況的溫度場分布(冷庫達到降溫目標的時間點)見圖4。其中，方向截面為：=-3.45 m、=3.45 m；方向截面為=-4.95 m、=4.95 m；方向截面為=0.05 m。

圖4 x、y、z方向各截面及貨物的溫度場

冷庫降溫過程中，庫內大部分區域的溫度逐漸接近目標溫度-18 ℃(255.15 K)，并且隨著持續供冷，冷庫內的溫度場也趨于分布均勻。

4.3 降溫工況時貨物不同截面的溫度場

方向(=0.2 m，=0.8 m，=1.6 m，=2.4 m)貨物各截面在降溫工況時的溫度場分布(冷庫達到降溫目標的時間點)見圖5。

圖5 z方向貨物各截面的溫度場

結合圖4、圖5可見，在冷庫的降溫過程中，冷庫內方向截面區域的溫度逐漸接近目標溫度-18 ℃(255.15 K)，并且隨著持續的供冷，方向截面的溫度場也趨于分布均勻。此時，貨物的溫度基本接近目標溫度-18 ℃(255.15 K)。

4.4 冷庫不同截面在降溫工況的均勻性

、、方向各個截面在降溫工況的溫度情況(冷庫達到降溫目標的時間點)見圖6。

圖6 降溫工況各截面溫度

其中，方向截面分別為

=-3.45 m，=-1.75 m，=0 m，

=1.75 m，=3.45 m；

方向截面分別為

=-4.95 m，=-2.5 m，=0 m，

=2.5 m，=4.95 m；

方向截面分別為

=0.05 m，=0.6 m，=1.3 m，

=1.9 m，=2.6 m；

=0.2 m，=0.7 m，=1.3 m，

=2.0 m，=2.5 m。

由圖6可以看出，在降溫工況，目標溫度剛達到時刻，冷庫內部分截面的溫度能夠維持在目標溫度-18 ℃(255.15 K)，有部分截面處的溫度低于-19 ℃(254.15 K)，同時也有部分截面處的溫度高于-17 ℃(256.15 K)。這說明在降溫工況時，冷庫內的溫度均勻性較差。

4.5 冷庫在維持工況時不同截面整體溫度場

、、方向各個截面及貨物在維持工況的溫度場見圖7。其中，方向截面：=-3.45 m、=3.45 m；方向截面：=-4.95 m、=4.95 m；方向截面：=0.05 m。

圖7 x、y、z方向各截面及貨物的溫度場

在冷庫的維持工況過程中，冷庫內方向各個截面區域的溫度分布相對比較均勻，且非常接近目標溫度-18 ℃(255.15 K)。

4.6 維持工況時貨物不同截面的溫度場

方向(=0.2 m，=0.8 m，=1.6 m，=2.4 m)貨物各截面在維持工況時的溫度場見圖8。

圖8 z方向貨物各截面的溫度場

在冷庫的維持運行過程中，冷庫內向各個截面區域的溫度分布相對比較均勻，大部分區域溫度已達到目標溫度-18 ℃(255.15 K)。其中，最高溫度為-17.1 ℃(256.05 K)，在靠近墻面的交界處；最低溫度為-19 ℃(254.15 K)，位置靠近送風板。可見，最大溫度波動值為-1.0 ℃，滿足高精度冷庫溫度波動小于±1℃的要求。

4.7 冷庫不同截面在維持工況的均勻性

、、方向各截面在維持工況的溫度見圖9。

圖9 維持工況各截面溫度柱狀圖

其中，方向截面分別為

=-3.45 m，=-1.75 m，=0 m，

=1.75 m，=3.45 m；

方向截面分別為

=-4.95 m，=-2.5 m，=0 m，

=2.5 m，=4.95 m；

方向截面分別為

=0.05 m，=0.6 m，=1.3 m，

=1.9 m，=2.6 m；

=0.2 m，=0.7 m，=1.3 m，

=2.0 m，=2.5 m。

由圖9可見，在維持工況，冷庫內全部截面的溫度能夠維持在目標溫度-18 ℃，在堆垛區域空間內溫度甚至在±0.5 ℃內波動。

采用空氣制冷的高密度冷庫在夏季降溫-維持工況的結果為：①夏季降溫工況，13 min時，冷庫的空氣溫度降低到-18 ℃,15 min時，冷庫內全部截面的溫度達到了-18 ℃；貨物溫度也達到了-18 ℃；②夏季維持工況，冷庫內全部截面的溫度和貨物溫度能夠維持在目標溫度-18 ℃，溫度波動較小，在±0.5 ℃波動，且不隨時間變化，有很好的維持工況控制溫度精度和溫度均勻性。

5 結論

1)高密度冷庫的空氣制冷系統通過孔板送風的形式，可在貨物密度達到0.52的高密度冷庫內營造較好的溫度場，該溫度場的降溫速率可以保持在較高的水平，可極大縮減冷庫的降溫時間，滿足船用冷庫對降溫工況的時間要求，且溫度場的控制精度較高(≤±1 ℃)，同時溫度均勻性也保持在較高的水平(≤±1 ℃)。

2)在降溫工況達到目標溫度時，庫內的溫度場均勻性稍差，冷庫內部分截面的溫度超過目標溫度及高精度冷庫建議的波動值(±1 ℃)，此時冷庫正處于空氣制冷機組由降溫工況運行向維持工況運行動態切換的過程，該過程僅需約2 min，說明空氣制冷機組的調節性能對于快速營造冷庫內穩態溫度場具有優勢。