冷链基站蓄冷期气流组织模拟研究.pdf

冷链基站蓄冷期气流组织模拟研究孟颖1,唐世乾2,迟媛1,吴飞1,王恩宇3(1.北京特种工程设计研究院,北京 100020;2.天津市津安热电有限公司,天津 300204;3.河北工业大学,天津 300401)摘要:为解决果蔬冷链初始端的冷藏保鲜问题,设计了一种基于自然能源运行的果蔬保鲜装置 冷链基站,基站以保鲜室工作为主,以分布式光伏发电和地源热泵作为能源系统,结合相变蓄能技术为保鲜室供冷。对冷链基站蓄冷期气流组织进行模拟,模拟内容为风口布置数量、送风速度及送风角度不同时,保鲜室相变层相变时间的差异。结果表明:三对风口布置,送风速度为 4 m/s,且出风角度为-20时,保鲜室内部换热效果较好,相变层蓄冷效果较好,相变层相变时间较短。该研究对于冷链基站蓄冷期的蓄冷效果有明显提升,为后期保鲜室的正常工作提供了有力保障。关键词:冷链基站;蓄冷期;气流组织;风口布置;送风速度;送风角度DOI 编码:10.16641/11-3241/tk.2023.04.018S i m u l a t i n g o f t h e a i r d i s t r i b u t i o n i n c o l d c h a i n b a s e s t a t i o n d u r i n g c o l d s t o r a g e p e r i o dMENG Ying1,TANG Shiqian2,CHI Yuan1,WU Fei1,WANG Enyu3(1.Beijing Special Engineering Design and Research Institute,Beijing 100020,China;2.Tianjin Jinan Thermal Power Co.Ltd.,Tianjin 300204,China;3.Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China)A b s t r a c t:In order to solve the problem of cold storage and freshness of fruits and vegetables at the initial end of the cold chain,a cold chain base station,which is a kind of fruit and vegetable fresh-keeping device based on natural energy is designed.The base station mainly works in the fresh-keeping room.The base station uses a distributed photovoltaic power generation system and a ground source heat pump as the energy system,and combines phase change energy storage to provide cooling for the fresh-keeping room.By simulating the air distribution during the cold storage period of the cold chain base station,the simulation content is the difference of the phase change time of the phase change layer in the fresh-keeping room when the number of air vents,the air supply speed and the air supply angle are different.The results show that when three pairs of air vents are arranged,the air supply speed is 4 m/s,and the air outlet angle is-20,the heat exchange effect inside the fresh-keeping room is better,the phase change layer has better cold storage effect,and the phase change time of the phase change layer is shorter.This research has significantly improved the cold storage 621区域供热 2023.4 期effect of the cold chain base station during the cold storage period,provides a strong guarantee for the normal operation of the preservation room in the later stage.K e y w o r d s:cold chain base station;cold storage period;air distribution;air outlet layout;air supply speed;air supply angle0 引言近几年,政府大力推进“菜篮子工程”等多项举措促进农产品的生产、流通和销售 1,随着第三方物流产业的发展,农产品在“运输-送达”消费者手中这一环节已经取得了良好成效。但在冷链初始端的“采摘-运输”这一短暂存放的时间段内,由于存储设备不完备 等 原 因 导 致 果 蔬 腐 烂,使 农 户 遭 受损失 2,3。我国目前的冷藏设备存在无法在田间地头等远离电网电力支持区域持续稳定工作的缺陷,每年仅果蔬腐烂就能造成超过 1 000 亿元的损失 4,5,为此,我国大力发展冷链物流,有效改善了果蔬腐烂的问题 6,7。但农产品的预冷和冷却环节仍然较为薄弱 8,本文从这一现状出发 9,设计一种依靠自然能源运行的保鲜基站 冷链基站 10-12,可使果蔬在采摘初期更好地储存。该基站采用太阳能光伏发电系统为其内部用电设备提供电力支持,地源热泵系统为其保鲜室供冷,其中保鲜室外包裹相变层,相变层在蓄冷期储存冷量。冷链基站相变层是为了保证果蔬更好地储存,相变层在蓄冷期高效率的蓄冷对于冷链基站具有至关重要的作用。这一研究对于解决我国农产品采摘初期冷藏问题具有重要的社会效益和经济效益。1 冷链基站介绍本文以太阳能光伏发电系统为冷链基站提供电力支持,以地热能为冷链基站提供所需冷量,结合相变蓄冷技术设计冷链基站。该基站为长 12.2 m、宽 2.4 m、高 2.6 m 的箱体,其顶部倾斜布置太阳能光伏组件,安装角度为 30。冷链基站结构主要分为三部分:控制室、设备室和保鲜室。控制室及设备室围护结构均为钢板,保鲜室围护结构如图 1 所示,由外到内依次为基站外箱体、保温层、相变层、基站内箱体。0C60C=123 41-0C=?)3-?()4-0C6?图1 保鲜室围护结构示意图2 冷链基站模型介绍2.1 物理模型将冷链基站保鲜室简化处理后的主要结构是相变层的箱体,其外部尺寸长、宽、高分别为7.0 m、2.4 m、2.6 m,其中相变层厚度为 0.1 m。2.2 数学模型为了方便模型的建立及数值模拟计算,本文对于所研究的问题进行适当假设:将保鲜室内的空气视为牛顿流体,在固体壁面速度无滑移;保鲜室内部的空气符合 Boussinesq(布辛涅斯克)假设,忽略空气的相变过程;保鲜室内部壁面各点的温度比较接近,辐射换热量远远小于对流换热量,因此忽略保鲜室内部辐射换热。相变区数学模型符合 FLUENT(流体)中721区域供热 2023.4 期的熔化/凝固模型的理论分析,能量方程为:H=h+H(1)H=L(2)=0TTm e l t(3)式中:H任意时刻的比焓,J/kg;h基准焓(初始焓值),J/kg;H相变潜热项,J/kg;液相率;L物质的相变潜热,J/kg;T相变层温度,K;Tm e l t相变材料相变点温度,K。模拟相变材料凝固阶段为送风初始温度在固相线Ts之下,本文采用相变材料的固相线Ts为 280 K,其比热容为 2.5 kJ/(kgK),相变潜热为 170 kJ/kg。2.3 边界条件及求解过程(1)入口边界本文送风口采用速度边界条件,送风温度为 4,由于湍流动能k和湍流动能耗散很难测量或者计算,故选用湍流强度和特性尺寸来定义湍流,将湍流强度取为 5%。送风口为长方形,水力直径取d=4A/(A为送风口面积,为送风口湿周)。(2)出口边界本文的出风口采用 Outflow(速度进口,出口),该出口边界适用于求解之前气体流速和压力未知的情况。(3)壁面边界本研究存在两个壁面边界条件:相变层内边界及相变层外边界。相变层内边界两侧分别为不同的流体,设置为耦合边界条件。保鲜室外边界即基站外表面选用第三类边界条件,需要计算保鲜室外壁面与周围流体的传热系数。经计算,保鲜室外壁面传热系数为 0.268 W/(m2K),环境温度设为 29,基站壁面速度情况按无滑移条件处理,即壁面各方向速度为 0。2.4 网格划分及网格无关性验证本保鲜室箱体模型为长方体,划分网格为结构网格,网格质量均在 0.99 以上,在模拟之前需进行网格无关性验证。如图 2 所示,取风口在短边布置情况下的模型为研究对象。送风口送风温度 4,送风速度 3 m/s,进行非稳态模拟时长为 1 h,其他相关设置参考本文 2.3 节。将保鲜室模型分别划分为 45 万、88 万、118 万、154 万网格数进行非稳态模拟,对比这4 种网格数下非稳态模拟 1 h 后每个监测面的平均温度。监测面垂直于 X 轴选取,自X=500 mm 开始每隔 1 000 mm 设置一个监测面,共计 7 个。网格数量划分越多,网格质量越高,计算结果越精确。但是网格数量越多,对计算机性能的要求越高,计算速度也会随之下降。图 3 为 7 个监测面的平均温度,从图中可以看出,当网格数大于 118 万时,各个监测面的平均温度很接近,但与网格数为 154 万相比,网格数为 118 万的模拟速度更快,故将 118 万网格数作为模型网格数。;-2?(68?()?(=8/-2+mm2 4002 2006 800XZY图2 网格无关性模型821区域供热 2023.4 期X-1500X-500X-2500 X-3500 X-4500 X-5500X-6500281.2281.3281.4281.5281.6281.782,/K)26D 45=88=118=154=图3 网格无关性验证(a)A,-2)D(b)4,-2)D(c)9,-2)D,)6;-22002400150/-23400+mmXZY2400XZY+mm2003400150,)6/-2;-215020034002400220022002200,)6+mmXZY;-2/-2图4 不同风口数量布置示意图3 结果与分析3.1 风口数量对比分析在送风量及送风速度不变的情况下,通过改变单个风口尺寸的大小来改变风口数量,如图 4 所示为不同风口数量布置示意图。送风口的宽度设置为 150 mm,回风口宽度设置为 200 mm,风口的长度随风口数量而变化,以保持总风量一定,其中送风口上边界距921区域供热 2023.4 期离保鲜室顶部 400 mm,回风口下边界距离保鲜室底部 400 mm。本文分别对一对、两对及三对风口布置时的相变层相变时间进行模拟。如图 5 所示,相同送风速度下,风口数量不同时达到相同液相率所需的时间有较大差异。当送风速度一定时,三种布置方式下总的风口面积是相同的,由图可得,风口数量越多,相变层达到相同的相变程度所需的时间越短。原因在于随着送风口数量的增加,保鲜室内部冷风输入量更加均衡,相变层达到相同液相率的时间更短,冷却效果更好;而单一风口使得保鲜室内部受冷集中,导致整体变相时间较长,冷却效果不佳。10002003004005006000.30.40.50.60.70.80.91.0A?5;0/h=)A-2=)4-2=)9-2图5 不同风口数量下的相变时间曲线图3.2 送风速度对比分析送风速度的差异会影响保鲜室内空气与相变层的换热效率,本文在保持总风量一定的情况下,对三对风口布置的模型进行模拟,分析不同送风速度下相变层达到相同液相率所用的时间,结果如图 6 所示,随着送风速度的增加,相变时间呈缩短趋势。这是因为送风速度越大,对于保鲜室内部气流场的扰动越明显,对流换热效果越好,相变层达到相同液相率所用的时间越短。3.3 送风角度对比分析不仅风口数量和送风速度会影响相变时间,而且送风角度也会对保鲜室内的温度场产生影响,从而影响相变时间。本文对三对10002003004005006007000.30.40.50.60.70.80.91.0A?5;0/h 2m/s 3m/s 4m/s图6 不同送风速度下的相变时间曲线图风口布置,送风速度为 4 m/s 的模型进行模拟,分析送风角度分别为向上倾斜 40(40)、向上倾斜 20(20)、水平送风(0)、向下倾斜20(-20)、向下倾斜 40(-40)时相变层的相变时间。在不同送风角度的情况下,相变材料达到相同液相率所需时间如图 7 所示。10002003004005006000.30.40.50.60.70.80.91.0A?5;0h-40-20 0 20 40图7 不同送风角度相变时间曲线图由图 7 可知,在送风角度为-20时,相变时间最短,其次是水平送风,这是因为向下倾斜送风可以避免风口对面墙壁的直吹。而向上倾斜送风时,角度越大,相变所需时间越长,其原因在于冷空气撞击顶部壁面容易引起动量损失,削弱了对流换热效果。4 结论本研究为冷链基站蓄冷期的模拟研究,分别对风口数量、送风速度及送风角度三个方面进行分析,衡量标准为达到相同液相率031区域供热 2023.4 期所用的时长。模拟结果显示:(1)单一风口布置时,容易使保鲜室受冷集中,增加风口数量可使冷风输入量更加均衡,蓄冷效果更好;(2)送风速度越大,对保鲜室内气流场的扰动越明显,蓄冷效果越好;(3)送风角度为-20时保鲜室内部蓄冷效果最好,相变层达到相同液相率所用时间最短。参考文献 1孙春华.我国生鲜农产品冷链物流现状及发展对策分析 J.江苏农业科学,2013,41(1):395-399.2毕国通.我国生鲜农产品冷链物流发展现状与对策研究 J.中国商论,2017(20):60-61.3周家华,常虹,赵毅,等.中国果蔬冷链物流的发展现状及建议 J.食品工业科技,2012,33(6):8-10.4吴汶书,陈久梅.我国第三方冷链物流发展的现状和对策研究 J.物流技术,2013,32(1):19-21+28.5申江,杨萌.食品冷链的技术发展 J.包装工程,2015,36(15):1-8+72.6阎星列.我国食品冷链物流发展现状及对策研究 J.吉林农业,2018(17):84.7袁学国,邹平,朱军,等.我国冷链物流业发展态势、问题与对策 J.中国农业科技导报,2015,17(1):7-14.8王志刚,王启魁,钟倩琳.农产品冷链物流产业的发展现状、存在问题及对策展望 J.农业展望,2012,8(4):55-59.9周善元.取之不尽,用之不竭的洁净能源 太阳能 J.江西能源,2000(4):8-10+37.10孟颖.太阳能光伏地源热泵冷链基站的研究 D.天津:河北工业大学,2020.11王恩宇,孟颖,屈泽,等.一种用于保鲜基站的太阳能-地源热泵系统:201920978970.7 P.2020-03-13.12王恩宇,孟颖,屈泽,等.一种基于太阳能-地源热泵运行的恒温保鲜基站:201920979015.5 P.2020-03-13.(上接第 84 页)11蒲天骄,陈盛,赵琦,等.能源互联网数字孪生系统框架设计及应用展望 J.中国电机工程学报,2021,41(6):2012-2029.12孙飞.基于 Icepak 的强迫风冷散热器数值模拟研究 J.环境技术,2022,40(1):142-146.13BEZANSON J,EDELMAN A,KARPINSKI S,et al.Julia:A fresh approach to numerical computing J.SIAM 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