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    恒温恒湿立体仓库孔板送风的影响因素及参数优化

      信息来源:   发布时间:2021-06-08  点击数:

    随着现代化企业生产规模的不断扩大, 自动化立体仓库——高架库成为生产物流系统中的一个重要环节, 目前立体仓库大多用孔板送风进行空调。这种孔板送风在工业空调中 (如恒温室, 洁净室及某些实验环境等) 应用广泛, 特点是在直接控制的区域内能够形成比较均匀的速度场和温度 (浓度) 场。由于静压箱箱体的几何特性和箱体的进出风口特性是影响静压分布的均匀性的重要因素, 直接关系到孔板的送风性能, 为了更好地满足仓库温湿度场均匀性的要求, 本文准备以上海卷烟厂高架库为例, 利用CFD软件Fluent对高架库的流场和温度场进行分析, 并在分析的基础上优化内部的气流组织, 希望结果可以为此类建筑的空调系统设计提供依据。

    1 厂房模型

    上海卷烟厂厂房内的辅料暂存间采用立体高架库形式暂存辅料, 该高架库内部分布12条货架, 货架上方设置局部孔板吊顶, 吊顶和墙、上楼板在一起组成了一个送风静压箱, 风管伸入这个静压箱送风, 新风通过静压箱混合再由局部孔板送风, 通风采用上送下回方式, 共有送风口30个和回风口87个货架, 高架库底部设置有回风管。图1为该高架库空调送回风方式示意图。根据生产中辅料暂存的工艺要求, 高架立体库内的温度、湿度场都必须保持很好的均匀性。

    图1 高架库送回风示意

    图1 高架库送回风示意   

    本文的分析以夏季供冷工况为例, 分析工作首先按库房的实际大小建立Realizable 湍流模型, 模型中的动量方程、湍流脉动动能、耗散率以及能量方程都采用一阶迎风格式求解, 压力修正采用SIMPLE 方法;其中送回风口相对较小, 为了提高计算精度计算时单独网格划分。静压箱送风孔板设为porous-jump模型;库房中等热辐射采用辐射模型, 选取DO模型描述, 墙壁和货架的吸收系数和散射系数取5 000 m-1, 空气的吸收系数和散射系数取为0。另外设定送风口设为速度入口, 湍流强度为5%, 粘性率为1 000。分析假定该立体高架库的最大设计送风量为240, 000 m3/h, 风速为1.85 m/s, 由于回风口采用2.3 m/s恒定风速排风, 故将回风口设为速度入口, 风速取负。

    2 模型的验证

    为了验证模型的准确性, 在进行模拟分析前先对上海卷烟厂高架库的夏季制冷工况进行现场测试, 在货架区域选择距地高度为3 m, 9 m和15 m的3个测试面, 每个测试面上均匀布置9个测点, 利用Testo175-2型电子温湿度记录仪对仓库内温湿度进行实时连续测试, 测试时间为3个工作日。

    验证工作选取9 m测试面上9个测点的数据进行分析比较。

    图2-图4是测点处实际测试温度值与模拟温度值。可以看出:在这些点上, 模拟结果的平均温度值都稍低于测试平均值, 而且高度越高模拟结果的温度值越低;温度分层现象也比测试结果明显。造成这些现象的原因, 可能是模拟用的模型对仓库的实际情况进行了简化, 忽略了仓库实际具有的渗透风量以及其他各种因素。不过从整体上来看, 模拟值与测试结果变化趋势还是是一致的, 模拟结果应当具有一定的可信度。

    3 静压箱内送风口位置的影响

    静压箱内的送风形式主要是侧送风, 风管深入静压箱内部送风;要实现孔板送风方式下室内气流的均匀分布, 静压箱的设计必须合理。为了比较静压箱内的气流情况以及孔板的静压分布情况, 模拟工作在静压箱西南壁建立了两个风口用于静压箱的侧送风, 面积与高架库设计风口面积相当;在静压箱的顶部建立大小和数量与设计完全相同的风口用于静压箱顶部的送风;在静压箱底部向上的送风也按当前高架库采用的风口布置形式。模拟时设定高架库的最大设计送风量24万m3/h, 送风温度为20 ℃。送风口位置对空调效果的影响的模拟结果如下。

    3.1 静压箱内部速度分布与孔板静压分布

    图5是库房空调采用侧进风的模拟结果。从图中可以看到, 在两个风口的作用下静压箱内的气流分成左右两个对称的速度场分布, 从风口吹出的空调风遇到静压箱壁面后折回, 在左右两边各形成了一个涡旋, 两个风口的中间也形成了一个涡旋。从图中还可以看到, 箱内速度分布很不均匀, 各块孔板出风风速也大小不一样, 即使同一个孔板送出的风也不很均匀。由此可见, 单侧送风不利于静压箱内的气体均匀流动。

    图2 高度3 m处的温度

    图2 高度3 m处的温度   


    图3 高度9 m处的温度

    图3 高度9 m处的温度   


    图2~图4图例:■测试值■模拟值

    图4 高度15 m处的温度

    图4 高度15 m处的温度   


    图6是由底部向上送风 (即气流通过管道流向顶棚的上部然后压下送出) 时的模拟结果。从图中可以看出, 送风气流由顶棚压下后, 虽然在送风口出风气流的卷吸作用下有一小部分压下的气流被卷吸到风口处再次送出, 但是大部分的气流还是通过孔板送出的, 而且通过孔板送出的气流速度比较均匀, 不过气流在通过大风口处 (图中上侧) 的孔板时会出现回流, 这主要因为大风口 (图中上侧) 的送风量比较大, 气流卷吸作用强烈所导致的结果。

    图7是风口由顶棚向下送风的模拟结果, 可以看到送风口的气流流到静压箱的底面后绝大部分沿底面通过孔板送出, 很少部分在卷吸作用下向上流回送风口。从图中还可以看到, 不同位置上的孔板的送风速度不同, 两侧送风速度较大, 中间的孔板送风速度较小, 相同孔板的送风速度均匀。

    图5 侧送风速度矢量图

    图5 侧送风速度矢量图   


    图6 高度底部向上送风速度矢量图

    图6 高度底部向上送风速度矢量图   


    图7 顶部送风速度矢量图

    图7 顶部送风速度矢量图   


    图8-图10是不同送风方式下孔板静压分布的模拟结果。可以看到孔板的静压分布直接影响到送风的均匀性, 静压分布得越均匀送风也越均匀。采用侧送风, 孔板静压分布的特点是, 远离风口处压力大, 接近风口压力小, 见图8;这主要由于送风气流流动造成的。采用顶部送风, 静压分布的均匀性较侧送风好, 孔板的静压最大处出现在接近风口位置以及两侧靠墙处, 见图10;这是因为送风由顶部送至底面时以及气流沿静压箱壁面下沉, 造成静压增大。

    图8 静压箱侧送风孔板静压分布

    图8 静压箱侧送风孔板静压分布   


    图9 静压箱底部向上送风孔板静压分布

    图9 静压箱底部向上送风孔板静压分布  


    图10 静压箱顶部送风孔板静压分布

    图10 静压箱顶部送风孔板静压分布   


    由图8-图10还可以看到, 侧送风和顶部送风的孔板静压最大值与最小值差异较大, 约为-0.09~0.66 Pa之间。图9是底部向上送风的孔板静压分布模拟结果。可以看到, 静压分布比较均匀, 最大处位置与顶部送风 (图10相似) , 孔板的静压最大值与最小值差异不大, 约为-0.12~0.10 Pa之间。由此可见, 当风管伸入静压箱向上送风时, 孔板静压分布较均匀。

    3.2 高架库内部的温度、速度场

    高架库内部温度场的分布比较复杂。图11和图12以分别是高度为9 m平面以及高架库宽20.5 m处立面的温度分布模拟结果。可以看到, 水平面上的温度分布呈梯状, 部分区域高部分区域低;立面上的温度分布不均匀, 局部温度高。从图13和图14中可以看到, 水平面上靠近货架处以及墙角处的温度较高, 其余温度分布较均匀;值得注意的是仓库中个别货架间距过近而且缺少回风口, 通风效果较差, 因此温度也就较高。从立面图还可以看出, 温度分层现象很明显, 分层高度均匀。从图15和图16中可以看到, 水平面的温度分布情况与图13相同, 但温度更高些, 温度分布的均匀性也略差;立面虽然也显示了温度分层但分层高度不均匀, 总体情况优于侧送风。为了进一步评价高架库的温度和速度的分布特性, 可以用温度不均匀系数kt和流速不均匀系数ku[1]作为指标。所谓温度不均匀系数, 是指各测点温度值的均方根偏差与平均温度的比值, 流速不均匀系数同样也是这样的比值。本文以水平面9 m为例, 测点布置同测试安排, 再对实际测点进行加密, 共取45个测点, 对测定数据进行处理, 得到不均匀性指标见表1。可以看到上送风的ktku最小, 温度场和流场最均匀。

    图11 高9 m侧送风温度分布图

    图11 高9 m侧送风温度分布图   


    图12 宽20.5 m侧送风温度分布图

    图12 宽20.5 m侧送风温度分布图   


    图13 高9 m底部向上送风温度分布图

    图13 高9 m底部向上送风温度分布图   


    图14 宽20.5 m底部向上送风温度分布图

    图14 宽20.5 m底部向上送风温度分布图   


    图15 高9 m顶部送风温度分布图

    图15 高9 m顶部送风温度分布图   


    图16 宽20.5 m顶部送风温度分布图

    图16 宽20.5 m顶部送风温度分布图   


    表1 表1 温度、速度不均匀系数     

    表1 表1 温度、速度不均匀系数

    4 静压箱几何尺寸的影响

    静压箱的几何尺寸是影响静压箱内气流组织和孔板静压分布均匀性的重要因素, 为了进一步分析这种现象, 模拟工作在图7的基础上把静压箱的高度减少0.65 m (风口位置为高架库实际所布) , 把箱高从2.65 m改为2.00 m, 可以得到图17和图18的模拟结果。由图17可以看出, 箱体高度减少以后静压箱内顶棚压下的气流速度明显变大, 不过从总体来说与高度减少前的气流组织相当, 两者分布的差异不大, 孔板的送风速度还是高于风口上送风, 在左侧大风口处的两块孔板也产生了回流。虽然此工况的回风速度较风口上送风时小, 但由图18可以看出, 静压箱高度减少后静压分布总体与设计工况相似, 静压值在-0.13~0.13 Pa之间。由于两者分布很相近, 其不均匀系数见表2。

    图17 静压箱高2 m时高20 m处速度矢量图

    图17 静压箱高2 m时高20 m处速度矢量图  


    图18 静压箱高2 m时, 孔板静压分布图

    图18 静压箱高2 m时, 孔板静压分布图  


    表2 静压不均匀系数     

    表2 静压不均匀系数

    由表2可以看出, 静压箱高度缩减至2 m后, 孔板静压平均值略有增加, 静压不均匀系数减小均匀性有了提高。文献[2]指出, 孔板送风静压箱的静压均匀性和送风射程 (L) 与静压箱高 (H) 有关, 当比值L/H增加时均匀性变差, 保持L增加H均匀性可以改善, 即增加静压箱高度有利于孔板静压均匀分布。但是本文模拟结果表明并非如此, 模拟结果表明减少静压箱高度H增加L/H的值, 静压箱的静压分布均匀性有可能更好。

    通过高架库现有送风口布置以及各种情况模拟发现, 孔板送风都或多或少的存在出流不均和出流偏斜。尤其是出流偏斜现象较严重。为此应当孔口空气流出前的流速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。

    5 优化送风量及送风参数

    采用高架库模型对各种风量和送风参数条件下仓库内的温度场和速度场进行模拟, 可以研究风量, 送风参数与高架库内的温度分布的关系, 并从中求得出最优的送风量及送风参数。

    5.1 相同风量, 不同送风温度

    模拟条件为送风量为22万m3/h, 送风温度分别为20 ℃和22 ℃, 图19和图20是高度为9 m处的水平面的温度分布模拟结果。由图可以看出, 当送风温度升高2 ℃, 高架库内室温明显提高。

    图19 高9 m送风温度20 ℃

    图19 高9 m送风温度20 ℃   


    图20 高9 m送风温度22 ℃

    图20 高9 m送风温度22 ℃ 


    室内的温度分布也可以用温 (湿) 度均匀性指标TUI描述, 该指标定义为满足规定温 (湿) 度要求的测点数与总测点数之比。图21是TUI的计算结果, 可以看出, 温度升高2 K, 在23~25 ℃范围内TUI升高约66.68%~161.54%, 因此相同风量时, 在一定的温度范围内可以通过提高送风温度来达到经济运行的效果。

    图21 温度的TUI对比图

    图21 温度的TUI对比图   


    5.2 相同送风温度, 不同风量

    送风温度为20 ℃, 送风量分别为20万m3/h和18万m3/h模拟结果见图22和图23。可以看出, 当送风量减小20 000 m3/h, 高架库内室温变化不明显。图24是TUI的计算结果, 可以看出, 送风量降低, 温度没有明显的降低, 即在相同送风温度情况下, 送风量的减小对高架库内的平均温度影响不敏感, 可以考虑通过减小风量达到经济运行的效果。

    图22 高9m送风量200, 000 m3/h

    图22 高9m送风量200, 000 m3/h  


    图23 高9 m送风量180, 000 m3/h

    图23 高9 m送风量180, 000 m3/h   

    图24 送风量的TUI对比图

    图24 送风量的TUI对比图   


    6 结论

    (1) 确定风管伸入静压箱送风效果好于静压箱侧送风。

    (2) 风管伸入静压箱由底部向上送风效果好于其他两种送风情况。

    (3) 风管伸入静压箱由底部向上送风与风管伸入静压箱由顶部向下送风比较:温度不均匀系数相似, 而速度不均匀系数较小。

    (4) 认为缩减静压箱高度有利于孔板送风的均匀性及静压箱气流组织优化。

    (5) 温度升高对于高架库内平均温度影响较大, 而风量减小则影响较小、建议可以通过减小风量, 提高送风温度来达到节能的目的。

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