液氮冷藏運輸控制方式數(shù)值模擬分析

馬純強，高 青，李 艷

(吉林大學(xué) 熱能工程系，長春 130022)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟水平不斷提高，人們對鮮活物資需求越來越多，冷藏冷凍運輸技術(shù)也取得相應(yīng)發(fā)展，冷藏冷凍車載運輸需求越來越大。目前，我國公路冷藏車輛約有4萬多輛，占貨運汽車總量的0.3%，與發(fā)達國家比，我國的冷鏈流通率還存在很大差距。歐美等發(fā)達國家肉禽冷鏈流通率已達100%，水果在95%以上，而我國肉禽、水果的冷鏈流通率僅為15%和5%。

冷藏汽車制冷方式可分為水冰及鹽冰制冷、干冰制冷、機械制冷、蓄冷板制冷、液氮制冷等，這些制冷方式彼此差別很大，選擇哪種制冷方式應(yīng)綜合考慮。其中，液氮制冷的優(yōu)點是制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，在實現(xiàn)降溫的同時能夠調(diào)節(jié)空氣，而且降溫速率快，易于溫控，可以增加空氣中的氮氣，能抑制水果蔬菜保鮮腐爛，有利于保鮮。另外液氮制冷最大的優(yōu)點的是環(huán)保，液氮來自于空氣，液氮汽化制冷的同時釋放到空氣中不產(chǎn)生污染。但是，現(xiàn)階段液氮冷藏冷凍面臨最大的問題是液氮經(jīng)濟性低，充氮網(wǎng)點少。

我國液氮冷藏已經(jīng)有所探究和實驗，但是車輛冷藏運輸應(yīng)用還處于初始階段，主要的先期工作分別是:對液氮冷藏車系統(tǒng)初步設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計做了研究［1－2］，對液氮的冷藏品超速凍進行熱力和經(jīng)濟性分析［3］，對液氮集裝箱結(jié)構(gòu)做了初步設(shè)計研究［4］。在液氮凍結(jié)機理方面也開展了一些工作，如對液體氮消耗量和冷凍效能進行研究5，對液氮流態(tài)化系統(tǒng)的冷凍性能［6］及流態(tài)化裝置［7］等進行試驗和數(shù)值計算研究。

在液氮冷藏應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)中，面臨這復(fù)雜的溫度控制、液氮噴淋流量控制，液氮噴淋次數(shù)控制等諸多問題，各方面協(xié)調(diào)控制研究還處于開始階段。對液氮制冷的熱量轉(zhuǎn)換認識還很不足，造成冷藏負荷與液氮供給相差較大，降溫冷卻速率和液氮噴量控制存在問題等。因此，對液氮噴淋冷藏特性開展研究，探究冷藏箱體內(nèi)熱性能與液氮噴淋的特征關(guān)系具有重要應(yīng)用意義。

本文運用模擬計算手段，分析液氮冷藏車冷藏箱內(nèi)流場、溫度場、冷藏品冷藏特性以及溫變特性等，研究控制方式，為有效利用冷煤提供技術(shù)措施控溫方案，并奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 液氮制冷數(shù)值計算

1.1 FLUENT熱交換分析說明

液氮制冷降溫過程發(fā)生相變，引起復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)熱力現(xiàn)象。冷藏品降溫時，在其表面發(fā)生液體氮汽化及其隨時間變化的兩相界面問題。這種兩相界面同時存在于噴淋出的液滴和冷藏品表面，這種傳熱傳質(zhì)在數(shù)學(xué)上屬于強非線性問題，一般采用數(shù)值方法分析。

本文采用FLUENT軟件進行傳熱分析，建立并采用離散相模型。模擬球形或類球形的顆粒(代表液滴)構(gòu)成第二相分布在連續(xù)相中引起的傳質(zhì)傳熱、相間耦合以及耦合各環(huán)節(jié)涉及離散相的現(xiàn)象。如球形或類球形顆粒的分離和分級、噴霧(淋)冷卻或噴霧干燥。模擬噴霧包括兩相流現(xiàn)象，需要同時求解氣相和液相控制方程。

(1)采用Discret Droplet Method(DDM)12方法，應(yīng)用通用差分控制方程求解，獲得顆粒的傳熱傳質(zhì)、動量和噴淋軌跡結(jié)果。

(2)對于穩(wěn)定和非穩(wěn)定流動，應(yīng)用拉氏公式時應(yīng)考慮離散相的慣性、拉力、重力等等。

(3)使用液滴汽化傳熱傳質(zhì)模型，解決液滴在不凝性氣體中蒸發(fā)。氣相中只有兩種組分，一種是空氣，一種是汽化的氮氣。

(4)采用液滴碰撞模型，解決液氮在噴淋過程中發(fā)生的液滴碰撞發(fā)生的傳熱傳質(zhì)問題。模擬液氮噴淋中的非穩(wěn)態(tài)液滴，每次噴淋形成的液滴都是數(shù)百萬個顆粒，對計算碰撞帶來極大的困難。因此，F(xiàn)LUENT運用液滴組模型，可以有效的簡化運算，液滴組模型在統(tǒng)計意義上就是一群液滴。使用一群液滴組，每個液滴組代表真實液滴數(shù)104，那么碰撞的計算量就將明顯減少。

在FLUENT數(shù)值模型中，除使用離散相模型以外，還采用多種氣體模型，計算模型內(nèi)存在空氣和液氮氣化。冷藏車內(nèi)的氣體流動屬于紊流，故選用k－ε模型計算。

1.2 構(gòu)建冷藏箱體模型

箱型模型尺寸X*Y*Z=3 m*9 m*2m，噴嘴布置采用48型布置方式，即用四排布置，每排八個噴嘴，頂置式(簡稱:48型排列)。假設(shè)物料矩形堆積，形狀尺寸為X*Y*Z=1 m*1 m*0.18m，料堆個數(shù)為28個，具體放置分布如圖1所示。

圖1 冷藏箱模型

模型中液氮冷藏箱冷負荷:

本文以近似的植物類范圍選取物性參數(shù)，并以實體堆積為例，如表1所示。為了熱量計算的實用性，冷藏車箱內(nèi)溫度與冷藏品最佳儲藏溫度盡量保持一致，同時減少溫度波動持續(xù)時間，還要保證車箱內(nèi)各處溫度盡量一樣。

表1 冷藏品物理參數(shù)

2 數(shù)值計算結(jié)果分析

2.1 降溫方式分析

假設(shè)計算工況是:先將物料從27℃冷卻至2℃，然后再保持溫度運輸10小時。液氮每個嘴流量m分別選擇0.5g/s、0.8g/s兩種情況。在冷藏車車廂前后對角上下錯位布置循環(huán)風機，以獲得車廂內(nèi)均勻的溫度。

在運輸過程中，冷藏階段采取間歇噴淋方式。本文分析中，冷藏階段控溫溫差分別選定ΔT=±2℃、ΔT=±1℃、ΔT=±2℃ ～±1℃ ～±0.5℃三種方式，前二種溫度控制方式是定值控溫，后一種溫度控制方式為變量控溫。

圖2和圖3分別為液氮噴射量不同的情況下冷藏運輸階段的溫度變化圖，兩組圖中的a、b、c分別為三種控溫情況下的冷藏品中心點溫度變化，包括冷藏階段間歇液氮噴淋的降溫過程和升溫過程。顯然，在十小時的冷藏階段，升溫時間呈遞增現(xiàn)象。在每一次停噴升溫過程中，開始時段升溫比較迅速，而后升溫變緩，當接近設(shè)定控制溫度的上限時，升溫更加緩慢，緩慢溫升時段占據(jù)整個時間的大部分。通常過長的接近上限溫度保持時間，使偏離冷藏品最佳保存溫度的時間過長，不利于冷藏品的長期保存。

取其中一個升溫－降溫過程溫度變化過程，如圖4所示。中間虛線代表冷藏品的最佳溫度。ABCD為升溫和降溫一個循環(huán)，ABC為液氮停止噴淋后，冷藏箱內(nèi)溫度上升階段，圖線表明AB段升溫速度快，BC段升溫緩慢，所以在BC段升溫時間較長，這時間段偏離最佳儲藏溫度遠。BC段越短制冷性能越好，越有利于冷藏運輸。

由圖2的a、b可知，在液氮每個嘴噴量m=0.5kg/s情況下，ΔT=±2℃，ΔT=±1℃控溫模式下，分別對應(yīng)的最長升溫時間為t=6080s和t=3158s。顯然，相同的液氮噴量，控制溫差越大，偏離最佳溫度的時間越長，不利于恒溫運輸冷藏品的儲藏。對于植物類冷藏品，ΔT=±2℃的溫度下限低于273.6K，使冷藏物出現(xiàn)冰凍冷害，喪失保鮮。

圖2 不同控溫物料中心點溫度變化

由圖2、3可以看出，在控制相同溫差ΔT=±2℃情況下，采用不同的液氮每個嘴噴量m=0.5g/s和m=0.8g/s，分別對應(yīng)的最長升溫時間為t=6080s和t=4516s。表明相同的控制溫差，噴氮量越大緩速升溫段越短，有利于冷藏。每個液氮噴量越多，增加液氮的消耗，不可取，應(yīng)該找到噴量的平衡點。

縮小控溫溫差ΔT，可以限制過長時間的溫度偏離，但是這樣增加噴淋的次數(shù)，高頻次的噴淋系統(tǒng)的開關(guān)影響其使用壽命。本研究中，縮小控溫溫差有兩種方案，其一控制溫差至ΔT=±1℃，其計算結(jié)果如圖2、3－b所示;其二是分段逐步縮小控溫溫差，即先ΔT=±2℃，而后將溫度波動范圍縮小至ΔT=±1℃，直至縮小到ΔT=±0.5℃，其計算結(jié)果如圖2、3－c所示。由圖2、3知，一般噴淋操作次數(shù)增加主要出現(xiàn)在冷藏初期，冷熱負荷時變性的非穩(wěn)定期，應(yīng)適當增加溫差，此后逐步縮小溫差ΔT。用這種控溫機制可以有效減少噴淋操作次數(shù)。本文討論的ΔT=±2℃—±1℃—±0.5℃的三段溫度控制方式為變量控溫，即首先選擇ΔT=±2℃，當停止噴射液氮溫度升高時間t升＞750s，進入ΔT=±1℃溫度控制，當停止噴射液氮溫度升高時間t升＞1200s，再進入 ΔT= ±0.5℃溫度控制。

圖2 不同控溫物料中心點溫度變化

圖4 一個程升溫－溫降

表2 模擬計算結(jié)果

2.2 不同工況下的冷藏優(yōu)化分析

表2為不同每個嘴噴量m，不同控溫溫差ΔT，冷藏運輸計算結(jié)果統(tǒng)計。其中，可以獲知在三種控制方式下的有關(guān)液氮冷藏的基本性能和特征。計算工況為先將物料從27℃冷卻至2℃，然后冷藏控溫10小時運輸。

2.2.1 優(yōu)化有效噴淋時間和液氮總消耗

由表2可知，在三種溫度控制方式和兩種噴量情況下，能夠在10小時內(nèi)滿足冷藏條件，所需的有效冷藏噴淋總時間以變量控溫方式為最佳，在更小噴射流量(m=0.5g/s)下，有更短的噴射時間，同時，冷藏液氮耗量也為最低。但是，由于采用較小控溫溫差，循環(huán)操作次數(shù)(噴淋頻率)增加。通?？梢愿鶕?jù)冷藏品的生物性質(zhì)，不考慮其它因素的情況下，盡量采用較小的液氮噴射量和變溫控制溫差。

2.2.2 優(yōu)化平均溫升時間

由表2可知，在三種控制模式和兩種噴量情況下，能夠在10小時內(nèi)滿足冷藏條件，平均升溫時間以變量控溫控制為最短。在液氮較大噴射流量(m=0.8g/s)下，有更短的平均升溫時間，同時，噴淋操作次數(shù)(噴淋頻率)也將降低。

綜上所述，變控溫方式冷藏運輸方法可以充分利用冷藏能源，實現(xiàn)冷藏階段的噴淋總時間和液氮量消耗減少，平均升溫時間短。冷藏運輸前期使用較大的控溫溫差，可以有效減少噴淋系統(tǒng)的操作次數(shù)，后期控溫溫差逐漸減少，趨近最佳儲存溫度。且同時通過對最大停噴升溫時間進行控制，有效避免冷藏品溫度偏離最佳保存溫度時間太久，致使冷藏品質(zhì)下降。變量控溫可以對控溫溫差加以控制，同時也實現(xiàn)了對溫升溫降的延續(xù)時間控制，形成多維控制模式。在合理液氮噴射量范圍內(nèi)，進行噴射量控制，可以進一步完善冷藏品最優(yōu)保藏控制，并實現(xiàn)最佳的液氮噴射制冷和空氣調(diào)質(zhì)性能。

3 結(jié)論

(1)液氮冷藏運輸冷藏品時，采用變量控溫方式，可以減小冷藏品溫度波動和縮短溫度偏離最佳儲藏溫度的時間，提高冷藏品存放品質(zhì)。同時尋求最優(yōu)液氮噴射量和延長液氮噴淋裝置年限。

(2)變量控溫冷藏運輸方法可以充分利用冷煤，實現(xiàn)冷藏階段的噴淋總時間和液氮量消耗減小。冷藏運輸前期使用較大控溫溫差，可以有效減少噴淋系統(tǒng)的操作次數(shù)，后期控溫溫差逐漸減小，趨近最優(yōu)儲存溫度。

(3)變量控溫實現(xiàn)對控溫溫差和溫升溫降延續(xù)時間控制，達到多維控制模式。在合理液氮噴射量范圍內(nèi)，進行噴量調(diào)節(jié)，實現(xiàn)最優(yōu)的液氮噴射制冷和空氣調(diào)質(zhì)。

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