（制冷及低温工程专业论文）小型装配式冷库库内气流组织与数值模拟.pdf

摘要 摘要 随着人们生活质量的提高，食品的质量越来越多的得到了关注，而小型装配式 冷库以其简便、实用、高效等诸多优点被人们青睐。但是对冷库内货物的降温速率 和贮藏质量起至关重要作用的是冷库内合理的气流组织，合理的气体流场才能保证 均匀的温度场。 本文以华北电力大学小型装配式试验冷库为研究对象，建立了一个三维紊流数 值计算模型，采用了k 一两方程模型和比较成熟的s i m p l e 算法，对小型装配式冷 库库内的各种送风方式进行数值模拟。从而详细的给出了每种送风方式下冷库内的 速度矢量图，并对每种送风方式的优缺点进行了分析。通过对冷库流场的动态仿真 研究，最后得出对于采用冷风机强制循环库内空气的小型装配式冷库影响其库内气 流组织的因素，主要包括冷风机的送风方式、冷风机的风速、冷风机左右旋布置方 式、冷库拐角的圆形挡及冷库内货物的摆放形式等诸多因素。本文的模拟研究结果 对小型装配式冷库内气流组织的优化设计和改造具有参考价值，有利于提高小型装 配式冷库的设计水平，同时也进一步说明了c f d 工具在冷库优化和设计等方面的 重要作用和意义。 关键词：冷库；气流组织；数值模拟 华北电力大学硕上学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i f e ，t h eq u a l i t yo ff o o dh a sb e e nm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n w h i l et h em i n i p a n e la s s e m b l e dc o l d s t o r a g e w i t hi t s s i m p l e ，p r a c t i c a l ， e f f i c i e n c ya n dm a n y o t h e ra d v a n t a g e sh a sb e e nf a v o r r e db ym a n yp e o p l e t h er e a s o n a b l e a i r f l o wo r g a n i z a t i o ni st h em o s ti m p o t a n tt ot h ec o o l i n gr a t ea n ds t o r a g eq u a l i t yo ft h e c o l ds t o r a g e sf o o d s t u f f s ，b e c a u s er e a s o n a b l ef l o wf i e l dc a ne n s u r eu n i f o r mt e m p e r a t u r e f i e l d i nt h i sp a p e r , at h r e e d i m e n s i o n a lp h y s i c a la n dt u r b u l e n c em a t h e m a t i c sm o d e li n s i d e t h el o wt e m p e r a t u r ec o l ds t o r eo fn o r t hc h i n ae l e c t r i cp o w e ru n i v e r s i t y ( 3 5m ( 1 ) x 2 0 m ( w ) 2 5m ( h ) ) w a se s t a b l i s h e da n dar e l a t e dc o m p u t e rp r o g r a mw i t ht h et w ok - e e q u a t i o nm o d e la n ds i m p l ea l g o r i t h mw a sd e v e l o p e df o ra l lk i n d so fa i rd i s t r i b u t i o n m o d eb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，w h i c ha r ed e t a i l e d l yg i v e nf o rv e l o c i t yv e c t o ra n d a n a l y z e dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e si ne a c hm o d eo fw a yo fv e n t i l a t i o no fc o l d s t o r a g e b a s e do nt h es t u d yo fd y n a m i cs i m u l a t i o no ff l o wf i e l do fc o l ds t o r a g e ，f i n a l l y t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a tm a n yf a c t o r sw h i c hm a i n l yi n c l u d ew a yo f v e n t i l a t i o nf o rt h ep a c k a g e da i rc o n d i t i o n e r , s p e e do ft h ep a c k a g e da i rc o n d i t i o n e r , s p i n a r o u n da l t e r n a t ea r r a n g e m e n to ft h ep a c k a g e da i rc o n d i t i o n e r , c o m e rb a f f l e ，t h es t a c k m o d eo ff o o d s t u f f se t c ，w h i c hw o u l da f f e c tt h ef l o wf i e l di nt h em i n i - p a n e la s s e m b l e d c o l ds t o r a g ew h i c hu s et h ep a c k a g e da i rc o n d i t i o n e r t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ni nt h i s p a p e rh a st h er e f e r e n c ev a l u ef o ro p t i m i z a t i o nd e s i g na n dt r a n s f o r m a t i o no n f l o wf i l e do f t h em i n i p a n e la s s e m b l e dc o l ds t o r a g e ，i tw i l li m p r o v ed e s i g nl e v e lf o rt h em i n i - p a n e l a s s e m b l e dc o l ds t o r a g ea n di tw a sf o u n dt h a tc f dw a sap o w e r f u lt o o lt od e s i g na n d o p t i m i z et h ef l o wf i e l di nt h ec o l ds t o r a g e k e y w o r d s ：c o l ds t o r a g e ；f l o wf i l e d ；s i m u l a t i o n 华北电力大学硕一l 学位论文 1 1 研究的背景和意义 第1 章绪论 随着社会的发展，生活节奏的加快，人们生活水平的不断提高，人们对食品质 量的要求也在不断的提升，但是如何使食品的质量得到保证? 这也是近年来人们普 遍关心的问题，食品的安全、营养，越来越受到人们的关注。食品质量的评价与食 品的外观及营养成分紧密相连。但是食品的外观及营养成分的变化却又与冷藏、冷 冻有密切的关系。冷藏冷冻主要就是将食品置于低温环境中( 一般是各种冷藏库) ， 目的是使易腐食品能够获得较长的储藏时间。为了不断的满足人们的需求，达到人 们的要求，对食品的储藏已经成为一项重要的工作。冷库是发展冷冻冷藏业的基础 设施，也是在低温条件下贮藏货物的建筑群。由此可见，冷库行业的发展势在必行 【i 】 o 有调查表明小型装配式冷库内气流组织对食品的冷藏保鲜起着决定性的作用， 随着小型装配式冷库的发展，其库内气流组织对食品的冷冻、冷藏的影响也越来越 多的得到了人们的关注。特别是小型装配式冷库大都采用冷风机强制对流循环空气 的冷却方式进行冷却，因此小型冷库的冷却方法对冷库库内的气流组织起着决定性 的作用。 近年来冷库行业发展很快，但是一直存在的一个难题就是冷库流场的设计。为 了能够更好的掌握冷库内气流组织的信息，通常采用的方法是对冷库进行试验测量 或者对其做流场的可视化研究。但是这两种做法在实际的实施过程中都存在很大的 局限性，一方面是提高了使用成本，另一方面是很难获得整个流场内的详细信息。 计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，以下简称为c f d ) 是在计算机技术 的基础上发展起来的一种数值计算工具，主要用于求解流体流动问题和传热问题。 c f d 数值技术的运用可以很好地解决上述难题，它是根据实际问题建立模型，在此 基础上借助数值计算，仿真模拟出整个流场的流动情况。鉴于此，用c f d 技术可 以更好的分析冷库内气流组织的分布情况。冷藏库内气流组织的合理分布可以保证 库内冷量的均匀分配，传热效率的提高，货物干耗的降低，提高货物的保鲜冷藏质 量，并且可以达到节能的目的。有调查表明，目前大多数冷藏库内的气流组织存在 不合理分布的问题1 2 j 。 纵观上述讨论，对小型装配式冷库库内气流组织的研究是很有意义的。 华北电力大学硕上学位论文 1 2 国内外研究历史和现状 从最近几年看来，我国冷库的建设发展十分迅速。据调查，未来1 0 年内，我 国的冷藏车平均每年增长2 8 以上，冷藏库平均每年增长3 0 以一l z 。截止到2 0 0 9 年，我国冷库容积已经达到1 8 0 0 万立方米。表1 - l 是中国、美国2 0 0 8 年和2 0 0 9 年冷库容积的变化情况。 表1 i 中国2 0 0 8 年和2 0 0 9 年冷库容积的变化 从表1 1 可知，中国冷库的容积发展还有很大的空间，中国人口是美国的五倍， 从市场对冷库的需求程度来看，我们不难看出，中国未来冷库需求量很大。随着中 国冷库行业的发展，小型装配式冷库的发展更是不容小觑。 小型装配式冷库是近年发展起来的一种拆装迅速且安装简易的冷藏设备，它与 传统的土建冷库相比具有很多的优点。首先是具有良好的保温隔热和防潮防水性 能，其次是抗压强度高，阻燃、抗震性能好，再者是其重量轻、组合灵活、安装方 便等。所有的这些优点都迫使其迅速发展。 随着近年来冷藏链的提出和迅速发展，食品冷冻、冷藏，也就是食品的保鲜方 面的研究已经扩展到了整个冷藏链的各个环节。c f d 技术在食品的冷冻冷藏方面的 研究越来越多的得到了人们的肯定。 i 2 1 国外研究历史和现状 食品的保鲜冷藏一直以来都是冷藏链中的一个薄弱环节，对如何改善冷库内的 气流组织、温度场、湿度场、以及如何使冷库节能，国内外的许多学者在这些方面 已经做了大量的工作。 m i t t a l 和m a l l i k a r j u n a n 在二十世纪末的时候曾对肉制品的冻结过程进行了模拟 1 3 1 。b a l e o 等【4 】人在1 9 9 5 年的时候模拟了陈列柜风幕的空气流动情况，随后s t r i b 1 i n g d 等【5 1 人建立了冷藏陈列柜的二维c f d 模型，并模拟研究了冷藏陈列柜柜内气流场 和传热机理。 华北电力大学硕上学位论文 a s s o u a 和x i a n g a 在9 8 年的时候就对蔬菜冷藏问利用c f d 数值模拟工具进行 模拟，在模型计算时加入了了浮升力的计算，从而得出浮升力对模型的影响。经研 究实验数据与计算结果想吻合。a s s o u a 和x i a n g a 对一个甜菜冷藏间进行试验和模 拟，发现经过l5h 冷却后，实验测得数据和模拟结果温度仅相差o 5 ，这就充分 显示了c f d 技术在制冷领域做模拟的优势1 6 j 。 2 0 0 0 年的时候，m o u r e h 和d e r e n s 模拟研究了在冷链配送过程中冻结食品采用 托盘包装后的的升温状况1 7 j 。 阿根廷学者l a u r aa c a m p a n o n e 和v i v i a n ao s a l v a d o r i t 8 】曾在2 0 0 4 年先后发表 过两篇文章，预测了食品在冷冻过程中的冻结时问和食品在冷冻和冷藏过程中的质 量损失。 伊朗学者m j a v a n m a r d 以及n r o k n i 等人于2 0 0 5 年在如何保存鸡肉方面做了研 究，他们在冷库中应用1 ，射线，研究并指出这种做法能够不改变鸡肉的化学成分、 水分以及对鸡肉内部微生物的生长有抑制作用，能够延长鸡肉保存的时间1 9 j 。 h b n a h o r 等人在2 0 0 5 年【旧】建立了三维冷藏库c f d 模型，分别计算了满负荷 冷藏库和空库中流体的温度、速度和湿度，并且模拟了冷却器和风机内流体的流动 情况。 m k c h o u r a s i a 和t k g o s w a m i 两位学者对冷藏库的相关理论研究了多年，曾 在2 0 0 7 年时建立了稳态的冷藏库二维c f d 模型，对冷藏库内马铃薯的水分损失和 传热进行了详细的分析，后来又对袋装的马铃薯在冻结过程中，单独一堆堆的形状 大小对热量传递的影响进行了模拟，还对堆垛间不同的排列对热量传递的影响进行 了模拟，作者的研究结果对于如何合理安排冷藏库内的堆垛具有指导性的作用。最 近，m k c h o u r a s i a 和t k g o s w a m i 又利用冷藏库三维c f d 模型，对冷藏库中风 速不同的空气幕装置对效率的影响进行了比较，得出了效率曲线的形状趋势和喷射 速率大小正好相反，为冷藏库的发展和研究指明了新的方向【1 1 - 1 3 o 1 2 2 国内研究历史和现状 近年来，国内在制冷领域使用数值计算对食品的冷藏，以及制冷设备的改 进等方面也得到了广泛的推广，并且取得了相当满意的效果。 c f d 技术在流场的优化设计中，从很早以前就显示了其的优越性。冷库设 计中的一个很重要的问题就是流场优化，因为食品的冷藏保鲜质量直接取决于 箱内空气流场和温度场的分布。早在二十世纪九十年代时，陶文铨和凌长明就 建立了冰箱从启动到周期性非稳态运行的模型，并对其非稳态自然对流进行了模 拟。边界条件采用的是两个蒸发器的温度和冰箱的外表面温度，最终模拟出了直冷 华北电力大学硕上学位论文 式冰箱在周期性非稳态工况下的温度场和速度场【1 4 1 。 紧接着在二十世纪末，杨沫、俞炳丰等人研究分析了冰箱箱内的三维流场 分布情况。其中杨沫i is l 根据冰箱内流场换热和流动问题，从而对其建立了物理 和数学模型，对冰箱功能室内流动与换热的物理模型进行简化，作了一些假设。 微分方程的离散采用的是控制容积积分法对其进行离散，压力和速度的耦合采 用s i m p l e 算法，对流一扩散项的离散采用乘方格式，模拟结果和实验值吻合较 好。俞炳丰【l6 j 选用某厂生产的b d 1 8 0 冷冻箱为研究对象，首先对制冷系统进行 仿真模拟，在此基础上，实现对冷冻箱内部三维速度场、温度场和压力场的整 体求解，最后对蒸发器的布置方式进行了优化设计。 在1 9 9 8 年时，丁国良也利用数值模拟工具对冰箱建立了二维稳态模型，使用有 限元程序对冰箱内部的二维稳态空气流场进行了模拟，分别研究了冰箱热负荷、 冰箱内部隔板以及蒸发器和门之间的间距、还有冰箱内部隔板的导热系数对箱 内温度分布与流场的影响，经过分析后，对箱内空气流场和温度场进行了优化 【1 7 - 1 8 1 o 随着社会的进步，冷藏链的提出和发展，食品冷藏、冷冻过程的研究已经 渗透到整个冷藏链的各个环节。在冷库方面运用c f d 模拟技术进行研究也逐渐 显示出了其优越性。 胡熊飞，刘楚芸，王剑锋等人分别对不同的两个冷库的流场建立了二维模型， 对库内气流组织进行模拟研究，然后将两库的气流组织进行比较，从而得出结 论在冷库的流场存在一个中心大回流，因为受冷库墙壁的影响，流场的主流有 靠近边界流动的趋势。无论是水平还是垂直速度都表现为两边大、中问小的格 局【1 9 2 0 1 。 胡浩等1 2 1 1 人根据水果气调库的物理模型，建立了库内空气流动、传热和传 质的非稳态数学模型，后又根据库内冷藏水果的物理模型，再加上水果的呼吸 放热原理，从而建立了货物区的传热、传质控制方程，采用s i m p l e 算法和整体 求解的方法，针对水果气调库降温、降氧等非稳态过程进行了数值模拟，但最 后的模拟结果没有作进一步的验证研究。 但是由于大空间的强紊流情况复杂，c f d 在冷库中的应用还是相对较少， 余克志和陈天及曾在2 0 0 1 年时对使用吊顶式冷风机的小型装配式冷库建立了二 维物理模型，并根据物理模型建立了湍流数学模型，运用数值计算方法对具有 货物内热源的小型冷库的速度场和温度场进行了模拟计算，揭示了库内气体流 场特性与温度场分布特性，在此基础上分析了装货高度和位置对库内速度场和 温度场的影响，研究得出装货对小型冷库的速度场和温度场分布影响较大，合 理的堆积高度和位置有利于货物的冷却与储藏。 4 华北电力大学坝上学位论文 近年来上海水产大学的谢品 2 1 运用c f d 模拟软件在小型装配式冷库流场方 面做了不少的研究。曾对小型装配式冷库建立了二维湍流数值计算模型，并采 用交错网格技术和s i m p l e 算法对其进行求解计算。结果表明冷库流场的主流贴 附边界流动，并且在整个冷库的流场中存在着一个中心大回流区，流场在冷库 的拐角处速度成减小趋势。并经过试验验证，其试验结果与模拟结果相吻合。 在此研究基础上，作者还将可能影响冷藏库内气体流场的几个设计参数进行了 数值模拟研究，研究结果表明冷风机出口风速等参数对冷藏库内温度场和流场 的变化有很大的影响，进一步说明数值模拟工具在冷藏库设计和优化过程中的 重要作用和意义。 苏庆勇和贺广兴 2 3 】在2 0 0 7 年对冷藏柜建立了物理和数学模型，用s i m p l e 算法计算冷藏柜内空气的自然对流，从而得到了冷藏柜内空气相应点的温度变 化情况，并且对相应点的温度变化过程进行了实验研究。实验结果与理论计算 结果吻合较好，计算温度与实验温度的差值在1 以内，最终验证了计算程序的 可靠性和数学模型的正确性。 华北电力大学王长海1 2 4 】于2 0 0 8 年在其硕士毕业论文中对小型装配式冷库采 用冷风机循环库内空气冷却方式，建立了物理模型和数学模型，揭示了风机旋 转气流对库内气流分布特性的影响，并且指出库内流场直接影响货物的冷冻或 贮藏效果。 1 3 本文的研究内容和目的 根据小型装配式冷库自身的优点，使其越来越频繁的应用于各种冷藏冷冻 需要的地方。但是由于冷藏库内气流组织的不稳定性，速度场、温度场的不确 定性，对冷库的保鲜冷藏效果有很大的影响。本论文在已有的理论研究成果和实 验数据的基础上，主要以华北电力大学小型低温实验冷库为研究对象，采用了k s 两方程标准模型和比较成熟的s i m p l e 算法对小型装配式冷库库内气流组织进行数 值模拟，以正确地反映冷库中流场的特点。根据小型装配式冷库一般采用冷风机强 制循环空气的方式，对冷库内不同的冷却方法进行数值模拟，从而找出适合小型冷 库的最优的冷却方法。 本论文的研究内容如下： ( 1 ) 根据计算流体力学原理，建立小型装配式冷库库内空气流动的数学模 型。采用了经过浮力修正的k 一占模型，利用有限容积法对偏微分方程进行离散， 在求解速度压力耦合的方程中采用s i m p l e 算法。 华北电力大字坝上学位论文 ( 2 ) 根据冷库制冷负荷的计算方法，对华北电力大学小型装配式冷库实验室 内的热流量进行计算，并且介绍冷库传统的冷却方式。 ( 3 ) 以华北电力大学小型试验冷库为基础，建立一个三维紊流的数值计算 模型。在冷库物理模型的基础上，根据不同的送风方式，以及货物摆放情况， 模拟其库内速度场和温度场，并对其分析得出结论。 ( 4 ) 分析模拟结果，对小型装配式冷库库内气流组织的优化和设计提出指导 性的建议和意见。 6 华北电力大学硕上学位论文 第2 章冷库冷负荷计算及库内冷却方式 2 1 冷库制冷负荷计算 冷库内的制冷负荷可以理解为单位时间内必须从冷问取出的热量；或者是冷库 在单位时间内从制冷机获得的冷量。冷库内制冷负荷的计算，其目的在于正确合理 的确定冷间的冷却设备负荷和机械负荷。本文中介绍制冷负荷的计算，目的是在确 定冷库内的热流量，最重要的是确定不同送风方式冷风机的出口风速，从而保证冷 库所需要的冷量。 2 1 1 冷负荷计算所用设计参数 ( 1 ) 库内计算温度，。的确定1 2 5 1 冷库内的温度一般均低于外界大气温度( 个别严寒地区除外) 。而库温一般是 由食品冷加工的工艺条件、储藏食品的性质、贮藏期限及技术经济分析确定的。本 文中的小型装配式冷库用来贮藏生鲜水果、蔬菜、鲜蛋及肉类，所以库温要求保持 在0 2 。c 范围内。 ( 2 ) 库外计算温度，。，的确定 对于制冷负荷的计算，一般都考虑室外最不利的工作条件，但是本文中的实验 型微型冷库建在实验室内，所以取其实验室内平均温度为2 2 c 。 ( 3 ) 库内计算空气相对湿度 冷间内的相对湿度也是保持食品质量的重要因素，一般情况室内相对湿度通常 定为8 5 左右，有时候为了减少食品干耗，可将相对湿度增大到9 5 左右。 ( 4 ) 库外计算空气相对湿度 库外计算空气相对湿度的确定，是为了计算通风换气热流量和开门热流量。 2 1 2 冷库生产能力和库容量计算 ( 1 ) 设有吊轨的冷库冷却间生产能力的计算 华北电力大学坝上学位论文 ( 2 1 ) o = 一 l z - ij ” 1 0 0 0 t 式中设有吊轨的冷却间每日冷加工能力，t ； ，吊轨有效总长度，m ： ，货物冷加工时间，h ： 掰：为吊轨单位长度净载货质量，k g m 。 ( 2 ) 设有搁架的冷库冷却间生产能力的计算 n m | 2 4 朋s2 面斋 q 。2 ) 式中m 。搁架式冷却间每日冷加工能力，t ： 搁架式冷却设备设计摆放冷却食品容器的件数； 蝶每件食品的净质量，k g ； ，货物冷加工时间，h 。 ( 3 ) 库房容量计算 g ：娶塑( 2 - 3 ) 1 0 0 0 式中g 拎库计算吨位，t ： v 拎藏间的公称体积，m 3 ： 风食品的计算密度，k g m 3 ： ，7 拎藏间的体积利用系数。 2 1 3 冷库内热流量的计算 大型冷藏库库内的制冷负荷一般由五部分热流量组成：围护结构热流量，、货 物热流量中：、通风换气热流量，、电动机运转热流量。、操作热流量，。 ( 1 ) 围护结构热流量的计算 由于库内外存在温差以及外墙、屋顶等受太阳辐射热的作用，通过冷藏间的墙 体、地面、楼地板、屋顶传入的热量进入冷间后消耗的冷量，称为维护结构热流量 o 。维护结构热流量的计算公式为： i = k a a ( t 。一乙) ( 2 - 4 ) 式中。维护结构热流量，w ； k 维护结构的传热系数，w ( m 2 ) ； 华北电力大学帧上掌位论文 爿维护结构的传热面积，m 2 ： 卜维护结构两侧温差修正系数； f 。维护结构外侧的计算温度，； ，。维护结构内侧的计算温度，。 ( 2 ) 货物热流量中，的计算 由于食品和冷藏问内空气之间存在温差。食品在冷加工过程中向冷间散发热量 引起的制冷负荷，称为货物热流量，。 货物热流量的计算公式： 2 = 0 2 。+ 2 + 巾2 。+ 中2 ， ：去f 掣嗍掣 + 芝型岍巾。 5 式中，货物热流量，w ； ，。食品热流量，w ； ，包装材料和运载工具热流量，w ： ，货物在冷却时的呼吸热流量，w ； ，。货物在冷藏时的呼吸热流量，w ； m 拎间的每日进货量，k ； 忽货物在冷问内初始降温时的比焓，k j k g ； h ，货物在冷间内终止降温时的比焓，k j k g ； ，食品冷加工时间，h ： 最货物包装材料或运载工具质量系数； c 6 运载工具或包装材料的比热容，k j ( k g ) ； ，一重载工具或包装材料进入冷间时的温度，； ，运载工具或包装材料在冷问终止降温时的温度，宜取冷间设计温度， ： 货物冷却初始温度时单位质量的呼吸热流量，w k g ； 。货物冷却终止温度时单位质量的呼吸热流量，w k g ； m 拎却物冷藏间的冷藏质量，k g ； 1 3 b l k j h 换算成1 3 6w 的热量。 ( 3 ) 通风换气热流量，的计算 由于冷藏间内储存食品( 如水果、蔬菜、鲜蛋) 需要新鲜空气或者是冷间内操 9 华北电力大学硕上学位论文 作人员需要进行换气时，由室外新鲜空气带入热量引起的制冷负荷，称为冷间内通 风换气热流量，。在冷藏间内，由j j 二水果、蔬菜等活性食品在冷藏期内要不断的 进行“需氧呼吸”，呼吸过程中吸收氧气放出二氧化碳和水分，因此，冷藏间内需 要通风换气的热量，通风换气的热量计算公式为： 卟吒坞。= 去l 学i - 3 0 n ，p ( 卜九) 6 ， 式中，通风换气热流量，w ； ，。拎间换气热流量，w ： ，。操作人员需要的新鲜空气热流量，w ： 饥令间外空气的比焓，k j k g ： 吃令间内空气的比焓，k j k g ； ，l 每日换气次数，可以采用2 3 次； 屹羚间内净体积，m 3 ； 成拎间内空气密度，k g , m 3 ： 门，操作工人的人数： 2 仁一天换算成2 4 小时的数值； 3 每个操作人员每小时需要的新鲜的空气量，m 3 h 。 ( 4 ) 电动机运转热流量。的计算 连续运转的电动设备热流量中。： 。= 只孝6 ( 2 - 7 ) 式中。电动机运转热流量，w ； 只电动机额定功率，k w ； 孝转化系数，电动机在冷间内时取1 ，电动机在冷问外时取0 7 5 ； b 电动机运转时间系数，对冷风机配用的电动机取l ，对冷间内其他设 备配用的电动机可按实际情况取值。 ( 5 ) 操作热流量。的计算 库门开启换热、操作人员散热和冷问内照明、动力设备运行产生的热量而引起 的制冷负荷，称为经营操作热流量，。 吁吒鸲一，。吨以+ 去血华乎逝+ 云孵( 2 - 8 ) 1 0 华北电力大学帧上学位论文 式中。操作热流量，w ； ，。照明热流量，w ： ，。开门引起的热流量，w ； ，操作人员热流量，w ； 。每平方米地板面积照明热流量，冷却间、冻结间、冷藏问、冰库和 冷间内穿堂可取2 3 w m 2 ，操作人员长时间停留的加工问、包装间等可取4 7 w m 2 ： 以拎间地面面积，m 2 ： 仇门樘数： 仇每日开门换气次数； m 空气幕效率修正系数，可取0 5 ，如果不设空气幕时，应取l ； 3 2 仁每日操作时间系数，按每曰操作3 小时计算： ，7 ，操作人员数量； 中，每个操作人员产生的热流量，w ：冷间设计温度高于或等于5 。c 时， 宜取2 7 9 w ，冷问设计温度低于5 时，宜取3 9 5 w ： 玩，、丸、k 、成的取值同中，。 2 1 4 小型装配式冷库热流量计算 根据2 1 3 中介绍的冷库的冷负荷的计算，对华北电力大学小型装配式冷库实 验室进行计算，该冷库内热流量经过简化后主要由货物热流量和围护结构热流量以 及冷风机运转时产生的热流量三部分组成。 ( 1 ) 货物热流量【3 l 】 根据所储藏的货物的不同，不同的货物在不同的温度下产生的呼吸热不同，本 文模拟中选用经过包装后的晚熟苹果为研究对象。晚熟苹果在库内的呼吸热的计 算，首先查资料得晚熟苹果在0 - 2 c 下的呼吸热大致为1 0 1 4 w t ，每平方米苹果的 重量大致为4 0 0 k g ，从而可以根据冷库内箱装苹果的体积大小算出货物的热流量。 ( 2 ) 维护结构热流量的计算 由2 1 3 的计算方法可知对于本文研究中的小型装配式冷库，其维护结构的热 流量主要是由于库内外的温差产生的，根据计算公式： i = k a a ( t w 一乙) ( 2 - 9 ) 即可得出。式中k 为维护结构的传热系数，可用式2 1 0 的公式进行计算： 华北电力大学帧上学位论文 1 k = _ - ( 2 1 0 ) ldi + + 口。 a 口。 式中口。，口。为内外表面的传热系数。根据小型装配式冷库维护结构环境条件，可 由冷库维护结构表面传热系数和热阻表查出口。= 1 7 4 4 ( m 2 ) ，口。= 1 1 6 3 w ( m 2 - ) ， 又根据冷库的隔热材料为硬质聚氨酯泡沫塑料，所以其导热系数旯= 0 0 3 2 w ( m 2 - ) ，隔热层的厚度万= o 1 m ，室外温度取实验室内平均温度，。= 2 2 c ，室内温 度取f 。= o ，口为维护结构两侧温差修正系数，本文中取a = 1 2 。将上面的数据带 入公式即可求出维护结构的热流量大致为3 6 9 2 5 8 w 。 ( 3 ) 冷风机运转所产生的热流量 本文小型装配式冷库选用的制冷设备为北京比泽尔制冷设备有限公司生产的 4 e c 一4 2 型压缩机，冷风机为d d 2 5 型吊项式冷风机。该风机的功率大致为3 x 5 0 0 w 。 根据以上的研究即可求出小型装配式冷库库内的热流量。 2 2 冷库内冷却方式 第六届国际农业工程大会( c i g r ) 2 0 0 6 年在波兰召开，大会的主题为“食品 工程的未来”，由于广大消费者对新鲜食品的要求越来越高，食品安全以及食品质 量在未来将是一个至关重要的问题。在冷冻装置的研发过程中，一般大量精力都投 入到计算热负荷和设备的选型方面，忽视了冷冻装置内部冻结温度和气流组织等参 数间的匹配问题，往往这些因素是影响冷冻装置性能的主要因素。它不仅影响冷冻 装置的整体性能，而且对食品的冷冻质量以及干耗情况都有很重要的影响。所以， 围绕冷冻装置气流组织的优化，学者们展开了相继的讨论和研究，但是对冷库内气 流组织的研究不是很多，气流组织的均匀性对冷库内食品的冷藏效果也会产生很大 的影响【2 6 】。 所以经过上面的讨论，对小型装配式冷库内冷藏物冷冻保鲜起决定性作用的是 其库内气流组织。而影响库内气流组织的主要是空气的温度场、速度场还有湿度场。 其中速度场又是最主要的，对其他场起着决定性的作用。 2 2 1 冷库冷却、冻结效率的影响因素 根据以上讨论，需要对冷库内的气流组织予以评价。从传热的角度定性分析， 影响冻结效率的主要因素是： 华北电力大学坝_ 上学位论文 ( 1 ) 冷库内冷冻食品和库内冷空气之间的温差； ( 2 ) 冷库内食品表面与冷空气之间的对流换热系数； ( 3 ) 冷库内流场的均匀性。 如何获得较低的冷空气温度，如何使食品表面与冷空气之间有较高的对流换热 系数，如何使冷库内产生比较均匀的流场，这都是研究冷库气流组织所要考虑的主 要因素。而冷库内气流组织的理想与否，又与冷库库房内的冷却方式密不可分。 2 2 2 冷库内的冷却方法 随着冷库行业的不断发展，对冷库的制冷能力提出了更高的要求，一方面追求 大容量的冷库，一方面又需要小型实用的装配式冷库，不论是哪一种，都追求冷库 库温的稳定，因此，对冷库库房内的冷却方法的研究就显得尤为重要。选择冷库内 冷却方式考虑的主要是为了减少库内流场的波动，保持库内温度场和速度场的均 匀，其次是所选择的冷却方式能够提高空气流动速度，强化与被冷冻物体间的热交 换，强化空气和制冷设备之间的热交换。冷库库房传统的冷却方式分为【2 7 】： ( 1 ) 自然对流冷却 自然对流冷却即冷却空气的蒸发器为冷却排管。在这种冷却方法中，冷冻物和 冷却排管表面之间的热交换是靠冷热空气的自然对流来实现的，这种自然对流主要 是由冷冻物和冷空气之间的密度不同所产生的，自然对流的速率大约在 0 0 5 0 1 5 m s 之间，冷却排管与冷库库内空气总存在温度差。目前，对于大型的冷 库，我国大都采用排管来实现预期的室温。自然对流冷却又称为排管式冷却，排管 式冷却一般按照配管的布置方式还可分为：墙壁排管；顶棚排管；墙壁、顶 棚混合排管。 ( 2 ) 强制循环冷却 所谓强制循环冷却就是冷却空气的蒸发器为冷风机，冷风机强制循环库内空 气，这种冷却方法是目前小型装配式冷库最常用的冷却方式，库内空气气流组织理 想，且冷库内降温效果明显，是目前微型冷库最有效且节能的冷却方式。国外很多 低温冷藏库均采用冷风机强制循环冷却。 ( 3 ) 混合冷却方式 混合冷却方法理论上是将自然对流冷却与强制循环冷却相结合的冷却方式。一 般是在冷库中既布置冷却排管，又设置冷风机。当通过冷风机强制循环库内空气冷 却食品达到预定的冷冻效果之后，切断空气冷却器的电源，仅由排管冷却来保证维 持库内必要的温度，这样能减少冷冻物水分的损失，从而保证了食品的质量，同时 也起到节能的效果。 华北电力大学硕_ 上学位论文 ( 4 ) 墙壁式冷却 所谓墙壁式冷却其实是排管冷却的一利- ，它是在冷库的天花板和墙壁上安装排 管，但是排管所在的平面内要有一块平板与冷却装置四周的墙壁完全屏蔽。 ( 5 ) 外套式冷却 外套式冷却系统亦是气流式冷却系统的一种类型。在此冷却方式中，贮藏室的 天花板和墙壁可保证系统的冷却面，在贮藏室周围特制的外套中空气循环冷却。 在小型装配式冷库中，由于其结构等方面的特征，选择冷风机强制气流循环冷 却的方式对库内空气进行冷却，这样不但可以保证库内流场的稳定性，而且安装和 操作也特别方便。 2 3 本章小结 本章主要内容为 ( 1 ) 介绍了冷库内制冷负荷的计算，在此基础上计算了华北电力大学冷库性 能综合测试实验室的小型装配式冷库的热流量。 ( 2 ) 对目前冷库内采用的各种冷却方法进行了详细介绍，其中包括自然对流 冷却、强制循环冷却、混合冷却、墙壁式冷却和外套式冷却。 1 4 华北电力大学硕| 上学位论文 第3 章数值模拟技术 3 i 数值模拟技术概论 3 1 ic f d 技术概述 计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) ，作为一门独立的新 兴学科，是根据计算机数值计算和图像显示，通过在时间和空间上对流场数值解的 定量描述，把原来在空间域及时间域上连续的物理量的场，例如，温度场、速度场 以及压力场，可以通过有限个离散点上变量值的集合代替，按照一定的原则和方法 建立起与这些离散点上场变量之间有关系的代数方程组，然后求解代数方程获得场 变量的近似值，以达到对物理问题研究的目的。它具有实践性与理论性的双重特点， 形成了许多方法与理论，对现在很多复杂流动与传热问题提供了最有效的帮助。 形象的说，c f d 技术相当于“虚拟”地在计算机上做实验，用以模拟仿真实际 流体的流动状况。所以说计算机技术的发展和计算流体力学的应用密切相关。c f d 软件最早诞生于2 0 世纪7 0 年代的美国，但是在近几年才真正得到广泛的应用。c f d 软件现已成为解决各种流体流动与传热问题的一种强有力工具，成功解决了许多存 在于水利、海洋、航运、环境、食品、流体工程和流体机械等方面的技术问题。c f d 软件已经可以准确模拟过去只能靠实验手段才能得到的某些结果【2 8 2 9 1 。 3 1 2 计算流体动力学数值模拟的基本步骤 对于用c f d 技术进行数值模拟，不管是流动、传热问题，还是稳态、瞬态问 题，其数值模拟的过程一般都表示为以下几步： ( 1 ) 建立物理模型。根据所要研究的问题，对实际问题进行简化，建立其适 当的物理模型，这是求解任何实际问题都必须要进行的第一步。 ( 2 ) 确定控制方程。由物理模型建立控制方程，也就是将实际问题抽象的用 数学表达式的形式表示出来，即建立物理模型相对应的数学模型。一般情况，这一 步都比较简单，对于一般的流体流动而言，可直接写出其控制方程。n a v i e r - s t o k e s 方程( 简称n s 方程) 以及其相应的定解条件是最著名的湍流流动的数学模型 华北电力大学坝上学位论文 ( 3 ) 确定初始条件与边界条件。一个完整的数学描述，包括表达该问题的控 制方程、与之相应的初始条件和边界条1 - 1 二。控制方程要有确定解的前提条件就是有 确定的边界条件与初始条件。 所谓边界条件，是指在求解域的边界上所求解的变量或其一阶导数随地点及时 间变化的规律。只有边界问题合理给出的问题，才可能求得流场的解。用c f d 软 件模拟时，基本的边界条件包括有：流动进口边界、流动出口边界、给定压力边界、 壁面边界、对称边界及周期性边界等。 初始条件相对而言比较简单，稳态问题一般不需要初始条件。在非稳态问题中， 需要给出流动区域内各个计算点的所有流动变量的初值，主要就是在计算开始前初 始化相关的数据。 根据以上讨论的边界条件与初始条件，在c f d 计算时，针对所给定的边界条 件，在不同的网格节点上导入不同的边界条件的值。对所有的计算变量，给定整个 计算域内各单元的初始条件。要做到给定合理的初始条件，一般只能靠经验或者是 实测结果。 ( 4 ) 网格划分。对已经简化好的实际的物理模型，进行合理的网格划分。在 采用数值方法求解数学控制方程时，都是想方设法的将控制方程在空间区域上进行 离散，从而计算得到离散方程组。但是如果要在空间区域上将控制方程离散，这就 必须使用网格。网格质量的好坏严重影响模拟的结果，所以生成网格这一步很重要 的。现如今根据这个问题，已经有了对于各种区域进行离散的专门的网格生成技术。 对于相同的物理模型，根据求解问题的侧重点不同，需要采用不同的数值求解 方法，所以需要的网格形式是有区别的，但是网格生成的方法基本上是一致的。现 如今，网格的划分有结构网格和非结构网格两种形式。一般而言，结构网格是相对 在空间上比较规范的，例如对于一个四边形的区域，划分的网格一般是成行成列布 置的，但是对于非结构网格，就没有明显的列线和行线的分布。 对于二维的问题，常用网格单元有三角形和四边形等形式：对于三维问题，常 用网格单元有四面体、六面体、三棱柱等形式，在这整个计算区域上，所有的网格 通过节点联系在一起。 ( 5 ) 建立离散方程。对于上面已经建立好的控制方程，理论上具有精确的解 析解，但是一般由于现实问题的复杂性，很难获得方程的真解。因此，需要通过数 值计算的方法把计算域内相关的网格中心点和网格节点上的因变量值当做基本的 未知量来解决，所以就建立起了一组与这些未知量相关的代数方程组，然后通过求 解这组代数方程来得到这些节点值，求解域内其他未知量的值则可根据相关节点位 置上的值来确定。根据因变量在各个节点之间分布和假设以及方程离散方法的不 同，从而形成了不同的离散化方法。其中主要为有限元法、有限差分法、有限元体 1 6 华北电力大学坝上学位论文 积法等离散化方法。 ( 6 ) 控制参数的设定。对边界条件和初始条件进行离散，然后给定求解控制 参数。在前面确定边界条件和初始条件时，给出的是连续的，现在需要的是将连续 型的边界条件和初始条件转化为网格特定节点上的离散值。当控制方程，初始条件， 边界条件都在离散空间上离散好后，接着就需要给定流体的物理参数和湍流模型的 经验系数以及迭代计算的控制精度、瞬态问题的时间步长和输出频率等。 ( 7 ) 结果显示。求解离散方程，判断解的收敛性，显示并输出计算结果。当 模型计算方法确定以后，就可以对模型进行计算。而现实中的工作表明，这是整个 工作的主体，通常也会占用绝大多数的时问。在完成计算工作之后，因为只能通过 图像形象显示绝大多数的数据，所以如何处理数据结果图使其能更好的反映模拟结 果也是一项十分重要的工作。图3 1 为计算流体动力学详细的图表求解步骤： 控制方程的建立 上 初始条件及边界条件的确立 1 l 划分计算网格，生成计算节点 图3 1 数值模拟的计算步骤 1 7 华北电力大学硕上学位论文 3 2 湍流流动后一s 模型 自然界中的流体流动状态主要有两种形式，也就是层流( 1 a m i n a r ) 和湍流 ( t u r b u l e n c e ，也称为紊流) 。层流和紊流状态的划分是根据雷诺数的不同来划分的。 层流是指流体在流动过程中两层之间没有相互混掺，而湍流是指流体不是处于分层 流动状态。层流与湍流作为流动的两种基本状态，存在着临界的雷诺数，当超过相 应的临界雷诺数时，湍流就会被诱发。在层流状态下，可以用质量、动量和能量偏 微分方程来精确地描述气流流动【2 引。但在现实情况下，大部分实际问题都处在湍流 状态，本文中对小型装配式冷库库内流场气流组织的研究，因为库内的速度场是由 冷风机强制气流循环所形成的，所以在本文中，对小型装配式冷库库内速度场的模 拟拟采用三维、定常、不可压缩的湍流模型。 一般可以认为，对于不管多么复杂的湍流运动，非稳态n a v i e r - s t o k e s 方程( 又 称n s 方程) 都是适用的，流体的瞬时运动可以利用n s 方程及其相对应的定解条 件获得。但是因为n s 方程本身为一组高阶的偏微分方程，求解困难，只有一些可 以简化为线性方程或者某些简单边界条件下的相对比较简单的解析解可以被求解， 所以一般的问题都要利用数值模拟的方法