恒溫恒濕立體倉(cāng)庫(kù)孔板送風(fēng)的影響因素及參數(shù)優(yōu)化

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　　隨著現(xiàn)代化企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)——高架庫(kù)成為生產(chǎn)物流系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),目前立體倉(cāng)庫(kù)大多用孔板送風(fēng)進(jìn)行空調(diào)。這種孔板送風(fēng)在工業(yè)空調(diào)中(如恒溫室,潔凈室及某些實(shí)驗(yàn)環(huán)境等)應(yīng)用廣泛,特點(diǎn)是在直接控制的區(qū)域內(nèi)能夠形成比較均勻的速度場(chǎng)和溫度(濃度)場(chǎng)。由于靜壓箱箱體的幾何特性和箱體的進(jìn)出風(fēng)口特性是影響靜壓分布的均勻性的重要因素,直接關(guān)系到孔板的送風(fēng)性能,為了更好地滿足倉(cāng)庫(kù)溫濕度場(chǎng)均勻性的要求,本文準(zhǔn)備以上海卷煙廠高架庫(kù)為例,利用CFD軟件Fluent對(duì)高架庫(kù)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行分析,并在分析的基礎(chǔ)上優(yōu)化內(nèi)部的氣流組織,希望結(jié)果可以為此類建筑的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

　　上海卷煙廠廠房?jī)?nèi)的輔料暫存間采用立體高架庫(kù)形式暫存輔料,該高架庫(kù)內(nèi)部分布12條貨架,貨架上方設(shè)置局部孔板吊頂,吊頂和墻、上樓板在一起組成了一個(gè)送風(fēng)靜壓箱,風(fēng)管伸入這個(gè)靜壓箱送風(fēng),新風(fēng)通過(guò)靜壓箱混合再由局部孔板送風(fēng),通風(fēng)采用上送下回方式,共有送風(fēng)口30個(gè)和回風(fēng)口87個(gè)貨架,高架庫(kù)底部設(shè)置有回風(fēng)管。圖1為該高架庫(kù)空調(diào)送回風(fēng)方式示意圖。根據(jù)生產(chǎn)中輔料暫存的工藝要求,高架立體庫(kù)內(nèi)的溫度、濕度場(chǎng)都必須保持很好的均勻性。

　　圖1高架庫(kù)送回風(fēng)示意

　　本文的分析以夏季供冷工況為例,分析工作首先按庫(kù)房的實(shí)際大小建立Realizable湍流模型,模型中的動(dòng)量方程、湍流脈動(dòng)動(dòng)能、耗散率以及能量方程都采用一階迎風(fēng)格式求解,壓力修正采用SIMPLE方法;其中送回風(fēng)口相對(duì)較小,為了提高計(jì)算精度計(jì)算時(shí)單獨(dú)網(wǎng)格劃分。靜壓箱送風(fēng)孔板設(shè)為porous-jump模型;庫(kù)房中等熱輻射采用輻射模型,選取DO模型描述,墻壁和貨架的吸收系數(shù)和散射系數(shù)取5000m-1,空氣的吸收系數(shù)和散射系數(shù)取為0。另外設(shè)定送風(fēng)口設(shè)為速度入口,湍流強(qiáng)度為5%,粘性率為1000。分析假定該立體高架庫(kù)的最大設(shè)計(jì)送風(fēng)量為240,000m3/h,風(fēng)速為1.85m/s,由于回風(fēng)口采用2.3m/s恒定風(fēng)速排風(fēng),故將回風(fēng)口設(shè)為速度入口,風(fēng)速取負(fù)。

　　為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性,在進(jìn)行模擬分析前先對(duì)上海卷煙廠高架庫(kù)的夏季制冷工況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,在貨架區(qū)域選擇距地高度為3m,9m和15m的3個(gè)測(cè)試面,每個(gè)測(cè)試面上均勻布置9個(gè)測(cè)點(diǎn),利用Testo175-2型電子溫濕度記錄儀對(duì)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)試,測(cè)試時(shí)間為3個(gè)工作日。

　　驗(yàn)證工作選取9m測(cè)試面上9個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較。

　　圖2-圖4是測(cè)點(diǎn)處實(shí)際測(cè)試溫度值與模擬溫度值。可以看出:在這些點(diǎn)上,模擬結(jié)果的平均溫度值都稍低于測(cè)試平均值,而且高度越高模擬結(jié)果的溫度值越低;溫度分層現(xiàn)象也比測(cè)試結(jié)果明顯。造成這些現(xiàn)象的原因,可能是模擬用的模型對(duì)倉(cāng)庫(kù)的實(shí)際情況進(jìn)行了簡(jiǎn)化,忽略了倉(cāng)庫(kù)實(shí)際具有的滲透風(fēng)量以及其他各種因素。不過(guò)從整體上來(lái)看,模擬值與測(cè)試結(jié)果變化趨勢(shì)還是是一致的,模擬結(jié)果應(yīng)當(dāng)具有一定的可信度。

　　靜壓箱內(nèi)的送風(fēng)形式主要是側(cè)送風(fēng),風(fēng)管深入靜壓箱內(nèi)部送風(fēng);要實(shí)現(xiàn)孔板送風(fēng)方式下室內(nèi)氣流的均勻分布,靜壓箱的設(shè)計(jì)必須合理。為了比較靜壓箱內(nèi)的氣流情況以及孔板的靜壓分布情況,模擬工作在靜壓箱西南壁建立了兩個(gè)風(fēng)口用于靜壓箱的側(cè)送風(fēng),面積與高架庫(kù)設(shè)計(jì)風(fēng)口面積相當(dāng);在靜壓箱的頂部建立大小和數(shù)量與設(shè)計(jì)完全相同的風(fēng)口用于靜壓箱頂部的送風(fēng);在靜壓箱底部向上的送風(fēng)也按當(dāng)前高架庫(kù)采用的風(fēng)口布置形式。模擬時(shí)設(shè)定高架庫(kù)的最大設(shè)計(jì)送風(fēng)量24萬(wàn)m3/h,送風(fēng)溫度為20℃。送風(fēng)口位置對(duì)空調(diào)效果的影響的模擬結(jié)果如下。

　　3.1靜壓箱內(nèi)部速度分布與孔板靜壓分布

　　圖5是庫(kù)房空調(diào)采用側(cè)進(jìn)風(fēng)的模擬結(jié)果。從圖中可以看到,在兩個(gè)風(fēng)口的作用下靜壓箱內(nèi)的氣流分成左右兩個(gè)對(duì)稱的速度場(chǎng)分布,從風(fēng)口吹出的空調(diào)風(fēng)遇到靜壓箱壁面后折回,在左右兩邊各形成了一個(gè)渦旋,兩個(gè)風(fēng)口的中間也形成了一個(gè)渦旋。從圖中還可以看到,箱內(nèi)速度分布很不均勻,各塊孔板出風(fēng)風(fēng)速也大小不一樣,即使同一個(gè)孔板送出的風(fēng)也不很均勻。由此可見(jiàn),單側(cè)送風(fēng)不利于靜壓箱內(nèi)的氣體均勻流動(dòng)。

　　圖2高度3m處的溫度

　　圖3高度9m處的溫度

　　圖2～圖4圖例:■測(cè)試值■模擬值

　　圖4高度15m處的溫度

　　圖6是由底部向上送風(fēng)(即氣流通過(guò)管道流向頂棚的上部然后壓下送出)時(shí)的模擬結(jié)果。從圖中可以看出,送風(fēng)氣流由頂棚壓下后,雖然在送風(fēng)口出風(fēng)氣流的卷吸作用下有一小部分壓下的氣流被卷吸到風(fēng)口處再次送出,但是大部分的氣流還是通過(guò)孔板送出的,而且通過(guò)孔板送出的氣流速度比較均勻,不過(guò)氣流在通過(guò)大風(fēng)口處(圖中上側(cè))的孔板時(shí)會(huì)出現(xiàn)回流,這主要因?yàn)榇箫L(fēng)口(圖中上側(cè))的送風(fēng)量比較大,氣流卷吸作用強(qiáng)烈所導(dǎo)致的結(jié)果。

　　圖7是風(fēng)口由頂棚向下送風(fēng)的模擬結(jié)果,可以看到送風(fēng)口的氣流流到靜壓箱的底面后絕大部分沿底面通過(guò)孔板送出,很少部分在卷吸作用下向上流回送風(fēng)口。從圖中還可以看到,不同位置上的孔板的送風(fēng)速度不同,兩側(cè)送風(fēng)速度較大,中間的孔板送風(fēng)速度較小,相同孔板的送風(fēng)速度均勻。

　　圖5側(cè)送風(fēng)速度矢量圖

　　圖6高度底部向上送風(fēng)速度矢量圖

　　圖7頂部送風(fēng)速度矢量圖

　　圖8-圖10是不同送風(fēng)方式下孔板靜壓分布的模擬結(jié)果?？梢钥吹娇装宓撵o壓分布直接影響到送風(fēng)的均勻性,靜壓分布得越均勻送風(fēng)也越均勻。采用側(cè)送風(fēng),孔板靜壓分布的特點(diǎn)是,遠(yuǎn)離風(fēng)口處壓力大,接近風(fēng)口壓力小,見(jiàn)圖8;這主要由于送風(fēng)氣流流動(dòng)造成的。采用頂部送風(fēng),靜壓分布的均勻性較側(cè)送風(fēng)好,孔板的靜壓最大處出現(xiàn)在接近風(fēng)口位置以及兩側(cè)靠墻處,見(jiàn)圖10;這是因?yàn)樗惋L(fēng)由頂部送至底面時(shí)以及氣流沿靜壓箱壁面下沉,造成靜壓增大。

　　圖8靜壓箱側(cè)送風(fēng)孔板靜壓分布

　　圖9靜壓箱底部向上送風(fēng)孔板靜壓分布

　　圖10靜壓箱頂部送風(fēng)孔板靜壓分布

　　由圖8-圖10還可以看到,側(cè)送風(fēng)和頂部送風(fēng)的孔板靜壓最大值與最小值差異較大,約為-0.09～0.66Pa之間。圖9是底部向上送風(fēng)的孔板靜壓分布模擬結(jié)果?？梢钥吹?靜壓分布比較均勻,最大處位置與頂部送風(fēng)(圖10相似),孔板的靜壓最大值與最小值差異不大,約為-0.12～0.10Pa之間。由此可見(jiàn),當(dāng)風(fēng)管伸入靜壓箱向上送風(fēng)時(shí),孔板靜壓分布較均勻。

　　3.2高架庫(kù)內(nèi)部的溫度、速度場(chǎng)

　　高架庫(kù)內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布比較復(fù)雜。圖11和圖12以分別是高度為9m平面以及高架庫(kù)寬20.5m處立面的溫度分布模擬結(jié)果?？梢钥吹?水平面上的溫度分布呈梯狀,部分區(qū)域高部分區(qū)域低;立面上的溫度分布不均勻,局部溫度高。從圖13和圖14中可以看到,水平面上靠近貨架處以及墻角處的溫度較高,其余溫度分布較均勻;值得注意的是倉(cāng)庫(kù)中個(gè)別貨架間距過(guò)近而且缺少回風(fēng)口,通風(fēng)效果較差,因此溫度也就較高。從立面圖還可以看出,溫度分層現(xiàn)象很明顯,分層高度均勻。從圖15和圖16中可以看到,水平面的溫度分布情況與圖13相同,但溫度更高些,溫度分布的均勻性也略差;立面雖然也顯示了溫度分層但分層高度不均勻,總體情況優(yōu)于側(cè)送風(fēng)。為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)高架庫(kù)的溫度和速度的分布特性,可以用溫度不均勻系數(shù)kt和流速不均勻系數(shù)ku[1]作為指標(biāo)。所謂溫度不均勻系數(shù),是指各測(cè)點(diǎn)溫度值的均方根偏差與平均溫度的比值,流速不均勻系數(shù)同樣也是這樣的比值。本文以水平面9m為例,測(cè)點(diǎn)布置同測(cè)試安排,再對(duì)實(shí)際測(cè)點(diǎn)進(jìn)行加密,共取45個(gè)測(cè)點(diǎn),對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到不均勻性指標(biāo)見(jiàn)表1?？梢钥吹缴纤惋L(fēng)的kt和ku最小,溫度場(chǎng)和流場(chǎng)最均勻。

　　圖11高9m側(cè)送風(fēng)溫度分布圖

　　圖12寬20.5m側(cè)送風(fēng)溫度分布圖

　　圖13高9m底部向上送風(fēng)溫度分布圖

　　圖14寬20.5m底部向上送風(fēng)溫度分布圖

　　圖15高9m頂部送風(fēng)溫度分布圖

　　圖16寬20.5m頂部送風(fēng)溫度分布圖

　　表1表1溫度、速度不均勻系數(shù)

　　靜壓箱的幾何尺寸是影響靜壓箱內(nèi)氣流組織和孔板靜壓分布均勻性的重要因素,為了進(jìn)一步分析這種現(xiàn)象,模擬工作在圖7的基礎(chǔ)上把靜壓箱的高度減少0.65m(風(fēng)口位置為高架庫(kù)實(shí)際所布),把箱高從2.65m改為2.00m,可以得到圖17和圖18的模擬結(jié)果。由圖17可以看出,箱體高度減少以后靜壓箱內(nèi)頂棚壓下的氣流速度明顯變大,不過(guò)從總體來(lái)說(shuō)與高度減少前的氣流組織相當(dāng),兩者分布的差異不大,孔板的送風(fēng)速度還是高于風(fēng)口上送風(fēng),在左側(cè)大風(fēng)口處的兩塊孔板也產(chǎn)生了回流。雖然此工況的回風(fēng)速度較風(fēng)口上送風(fēng)時(shí)小,但由圖18可以看出,靜壓箱高度減少后靜壓分布總體與設(shè)計(jì)工況相似,靜壓值在-0.13～0.13Pa之間。由于兩者分布很相近,其不均勻系數(shù)見(jiàn)表2。

　　圖17靜壓箱高2m時(shí)高20m處速度矢量圖

　　圖18靜壓箱高2m時(shí),孔板靜壓分布圖

　　表2靜壓不均勻系數(shù)

　　由表2可以看出,靜壓箱高度縮減至2m后,孔板靜壓平均值略有增加,靜壓不均勻系數(shù)減小均勻性有了提高。文獻(xiàn)[2]指出,孔板送風(fēng)靜壓箱的靜壓均勻性和送風(fēng)射程(L)與靜壓箱高(H)有關(guān),當(dāng)比值L/H增加時(shí)均勻性變差,保持L增加H均勻性可以改善,即增加靜壓箱高度有利于孔板靜壓均勻分布。但是本文模擬結(jié)果表明并非如此,模擬結(jié)果表明減少靜壓箱高度H增加L/H的值,靜壓箱的靜壓分布均勻性有可能更好。

　　通過(guò)高架庫(kù)現(xiàn)有送風(fēng)口布置以及各種情況模擬發(fā)現(xiàn),孔板送風(fēng)都或多或少的存在出流不均和出流偏斜。尤其是出流偏斜現(xiàn)象較嚴(yán)重。為此應(yīng)當(dāng)孔口空氣流出前的流速u(垂直于孔口出流方向)和孔口流速u比值控制在0.25以下。

　　采用高架庫(kù)模型對(duì)各種風(fēng)量和送風(fēng)參數(shù)條件下倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行模擬,可以研究風(fēng)量,送風(fēng)參數(shù)與高架庫(kù)內(nèi)的溫度分布的關(guān)系,并從中求得出最優(yōu)的送風(fēng)量及送風(fēng)參數(shù)。

　　5.1相同風(fēng)量,不同送風(fēng)溫度

　　模擬條件為送風(fēng)量為22萬(wàn)m3/h,送風(fēng)溫度分別為20℃和22℃,圖19和圖20是高度為9m處的水平面的溫度分布模擬結(jié)果。由圖可以看出,當(dāng)送風(fēng)溫度升高2℃,高架庫(kù)內(nèi)室溫明顯提高。

　　圖19高9m送風(fēng)溫度20℃

　　圖20高9m送風(fēng)溫度22℃

　　室內(nèi)的溫度分布也可以用溫(濕)度均勻性指標(biāo)TUI描述,該指標(biāo)定義為滿足規(guī)定溫(濕)度要求的測(cè)點(diǎn)數(shù)與總測(cè)點(diǎn)數(shù)之比。圖21是TUI的計(jì)算結(jié)果,可以看出,溫度升高2K,在23～25℃范圍內(nèi)TUI升高約66.68%～161.54%,因此相同風(fēng)量時(shí),在一定的溫度范圍內(nèi)可以通過(guò)提高送風(fēng)溫度來(lái)達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的效果。

　　圖21溫度的TUI對(duì)比圖

　　5.2相同送風(fēng)溫度,不同風(fēng)量

　　送風(fēng)溫度為20℃,送風(fēng)量分別為20萬(wàn)m3/h和18萬(wàn)m3/h模擬結(jié)果見(jiàn)圖22和圖23?？梢钥闯?當(dāng)送風(fēng)量減小m3/h,高架庫(kù)內(nèi)室溫變化不明顯。圖24是TUI的計(jì)算結(jié)果,可以看出,送風(fēng)量降低,溫度沒(méi)有明顯的降低,即在相同送風(fēng)溫度情況下,送風(fēng)量的減小對(duì)高架庫(kù)內(nèi)的平均溫度影響不敏感,可以考慮通過(guò)減小風(fēng)量達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的效果。

　　圖22高9m送風(fēng)量200,000m3/h

　　圖23高9m送風(fēng)量180,000m3/h

　　圖24送風(fēng)量的TUI對(duì)比圖

　　(1)確定風(fēng)管伸入靜壓箱送風(fēng)效果好于靜壓箱側(cè)送風(fēng)。

　　(2)風(fēng)管伸入靜壓箱由底部向上送風(fēng)效果好于其他兩種送風(fēng)情況。

　　(3)風(fēng)管伸入靜壓箱由底部向上送風(fēng)與風(fēng)管伸入靜壓箱由頂部向下送風(fēng)比較:溫度不均勻系數(shù)相似,而速度不均勻系數(shù)較小。

　　(4)認(rèn)為縮減靜壓箱高度有利于孔板送風(fēng)的均勻性及靜壓箱氣流組織優(yōu)化。

　　(5)溫度升高對(duì)于高架庫(kù)內(nèi)平均溫度影響較大,而風(fēng)量減小則影響較小、建議可以通過(guò)減小風(fēng)量,提高送風(fēng)溫度來(lái)達(dá)到節(jié)能的目的。

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