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制冷车辆供气系统效率的建模

R. A. Pitarma¹ amp; J. E. Ramos² 1Polytechnic Institute of Guarda, Portugal 2Polytechnic Institute of Leiria, Portugal

摘要

冷藏车厢内的空气循环不足是受控温度下货物易腐烂的主要原因之一。准确了解室内空气运动对于改善寒冷条件以及提高机械和电气系统的能效至关重要。本文提出了一种计算模型来预测冷藏车厢内的速度，温度和相对湿度场。该模型由计算机程序组成，其中使用有限体积法解释描述冷藏室中的气流模式和热/质量传递的一般方程。计算机模型通过从缩小比例模型中获得的测量值进行实验验证，该模型旨在提供与原型的相似性。计算模型用于计算由长途车辆的隔间中使用的不同类型的空气供应系统提供的冷质量，例如温度分布。数值解的结果表明该模型如何在实践中有利地用于研究和开发冷藏室的设计。

关键词：计算机模拟，建模，冷藏运输，公路运输，冷藏室，空气分配，食品运输。

1.简介

为了保持质量，冷冻食品工业的全球扩张和易腐品的商业交换使得在受控温度下的公路运输显著增长。 例如，商业食品部门，包括农业，食品制造运输和零售业，占英国温室气体排放总量的22％。 食品配送和零售约占其中的三分之一，估计食品运输占总排放量的1.8％[1]。 因此，道路运输制冷是食品链中的关键环节，不仅体现在在维持运输产品的温度完整性方面，而且在其对能源消耗和温室气体排放方面有很大影响。

储存在寒冷状态的食品的质量和营养价值，受储存期的时间，温度，空气速度和相对湿度的影响。 一些研究表明，温度和湿度的不均匀性很大，制冷设备中的气流不均匀会导致食品质量和安全性下降[2]。 温度控制不足会使微生物生长或酶促变质。 能源消耗也非常重要。不应以牺牲产品质量为代价来降低能耗。 因此，目标包括协调这两个（相互矛盾的）因素。

大多数食品制冷系统的温度均匀性直接受系统中气流模式的控制[3]。在这种情况下，准确了解室内空气运动对于提供冷条件和提高机械和电气系统能效的腔室设计至关重要。正确的空气循环值及其在腔室中的适当分布是必不可少的参数。根据[4]，冷藏车厢内的空气循环不当是易受控温度下易腐产品道路运输不足的主要原因之一。空气分配系统的改造可以降低温度传播，从而降低必要的制冷功率[5]，并改善侧壁温度[6]。实验研究非常昂贵。但气流的数值模拟提供了一个机会，可以更好地理解影响系统性能的潜在现象，从而降低温度异质性，提高制冷系统的效率和效率[7]。

在冷藏室中有许多可能的空气分配系统配置和各种操作条件，但在实践中使用的情况很少。 [5]报道了冷藏长途车辆的实验性全尺寸研究，该研究包括对三个薄壁和一个传统道路冷藏车的比较温度测量，结果显示货物的温度差异最大为12ordm;C。以前没有报道过缩小模型，最近，在五辆冷藏面包车上进行了绝缘效果，下拉时间和机械制冷装置效率的实验评估[8]。然而，数值模拟在该研究领域取得了相当大的进展。通过[9]对14 m3冷藏室的速度和温度分布进行了数值计算。实验验证仅针对显示合理一致性的温度结果进行，强制对流冷藏室的数值预测表明，通过壁的热流，空气分布和空气循环速率决定了室内的温度分布[10]。冷藏室是一个11m3的酸奶室，在实验验证中获得了很好的一致性。 [11]提出了冷藏车厢的简化建模。尽管仅研究了气流模式，但结果令人满意。 [12]报道了载有托盘的半挂车车厢内产生的气流的CFD模拟和实验研究。食品冷链中的实验研究和建模的回顾可以在[2]中找到，并且[3]对冷藏食品应用中气流的数值模型进行了回顾。

本文介绍了一种计算模型，用于预测和可视化冷藏车厢中易腐食品的道路运输状况。 该模型由计算机程序组成，其中使用有限体积法解释描述冷藏室中的气流模式和热/质量传递的一般方程。 湍流的影响由k-ε湍流模型描述。

2.材料和方法

控制方程式：

稳态，不可压缩和湍流的控制方程的时间平均形式可以用一般方程式，用笛卡尔张量表示法表示：

其中： Ui 是坐标轴 xi( x , y , z )中的平均速度分量( u , v , w ); 是因变量;  是的扩散系数; S是变量的源项。在方程式中，连续性，动量，热能和浓度种类，变量分别获得值1，Ui（方向 xi的平均速度），比焓h和水蒸汽的平均浓度 w（比湿度）。有关详细信息，请参阅[13]。湍流由湍流动能（k）和一个关于耗散率(  )的传输方程描述，即k  湍流模型[14]。因此，需要解决两个额外的传输方程，其中k和作为因变量。浮力的影响包括在速度垂直分量的方程和湍流模型中，墙壁上的速度分量，k-和热能的边界条件是用壁函数[14]指定的。

数值解法程序：

为了验证计算模型，实验在实验室规模上进行。基于尺寸分析的物理建模技术[10]用于从原型卡车腔室获得物理特性。实验箱由1.52 x 0.72 x 0.66 m3箱体和6 mm有机玻璃幕墙组成（图1）。该装置用两个紧密配合的50mm厚的发泡聚苯乙烯层绝缘。应用计算机连接的空调实验室单元的辅助实验装置用于再现实验室中的入口空气流动条件。入口空气温度To =5.0ordm;C，控制精度为0.25ordm;C。空气沿纵向流入房间，通过靠近天花板放置的方形供应开口，并通过另一个下方方形通风口离开室。平均入口速度为Uo = 3.1 m/s。然而，进行速度测量以表征入口部分处的速度分布。外部空气温度为Te= 25℃。通过铺设在地板区域上的电加热带产生内部空间负载（49.4W），精度为2％，以产生均匀的负载分布。

H W L

进口 出口

高度 宽度 高度 宽度

0.66 0.72 1.52 0.06 0.24 0.12 0.32 m

图1：实验缩小模型图

使用7个热电偶（T型，200 m线径）的垂直耙进行温度测量，精度为0.25ordm;C。几次初步运行后选择的采样率为1 Hz。 即每7秒对7个通道中的每一个进行采样）。

通过Dantec Streamline热线风速计系统获得空气速度大小

U = (u2 v2 w2)0.5 测量值，该系统具有全向热膜传感器 测量精度小于 plusmn;1%, plusmn;0.02 m/s.

验证结果：

仿真模型用于预测上述缩小比例模型中的速度和温度场。 使用11times;18times;19控制体积网格进行计算。 由于实验室的对称性及其操作条件，计算域仅覆盖了一半的流场。 进行了网格依赖性测试，表明该网格和双网格（22 x 36 x 38）的结果之间的差异不显着。 根据在简化模型中获得的实验数据验证预测。 图2示出了计算的和测量的速度和温度无量纲轮廓之间的比较的示例。 入口条件 (Uo,To) 用于标准化计算和测量结果。 获得的肯定协议表明该模型可以方便地用于工程目的的实践中。

图2：预测（ ）和测量（o）无量纲速度（a）和温度（b）曲线

3.案例研究

所考虑的情况在图3中示意性地表示。模拟的冷藏车室是12.25times;2.20times;2.10m3的聚氨酯绝缘室（100mm厚）。车身设计和结构的详细描述见[1,4,10]。入口和出口部分的几何参数如表1所示。本模拟中考虑的相关功能参数如表2所示。三个测试用例（A，B和C）的主要目标是验证性能主要通风系统实现的温度质量。制冷系统的典型布置和冷藏半挂车中的空气分布如图3所示。在这些车辆中，主要使用顶部空气输送。制冷单元风扇使得温度受控的空气在车辆，车顶，墙壁，地板和门的内部周围循环，以移除从外部传导和渗透的热量，返回到冷却盘管。测试案例C模拟由纺织材料中的管道构成的均匀供气系统。在所有情况下，假设相同的功能参数，例如，假设空气流通速率等于每小时60次换气[6,10]（见表2）。来自地板的内部热负荷用于模拟储存产品的呼吸热产生的显著贡献。另一方面，由于来自车辆发动机的废热和来自路面的辐射，通过地板的热量增加增加。因此，地板外表面的温度假定高于环境空气温度10℃[4]。

Plane S

d R

H

W

L

Test case A

d B2

Plane S

d B 1

d R

H

L

W

Test case B

Plane T

d

C

d R

H

W

L

Test case C

图3：研究的三种不同车辆配置图（测试案例）

表 1：每个测试案例的空气分配系统的入口和出口部分的几何特征

表2：研究配置的主要功能特征

4.结果和讨论

使用21times;22times;50控制体积网格进行计算。 根据腔室的对称性和操作条件，只有一半的几何形状被计算域覆盖。 在归一化残差降至0.09％以下后终止迭代过程。图4提供了针对三个测试案例获得的温度分布的预测结果的示例。鉴于所考虑的问题（温度控制），仅呈现温度场。与流动模式特征一致，给出了最能说明每个测试用例的腔室温度分布的平面：测试用例A和B的平面S（对称平面）;测试案例C的平面T（横向平面）。此外，表3总结了整个房间，出口部分和离地面最近的区域的温度和相对湿度场的结果。最高腔室温度位于下前壁（测试案例A和B）附近，并且沿着侧壁（测试案例C）位于右下方。车辆的空气温差为2.4-4.1ordm;C（表3）。预测表明在测试案例C中达到最高温度（9

资料编号：[4530]