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    恒溫恒濕立體倉庫孔板送風的影響因素及參數優化

      信息來源:   發布時間:2021-06-08  點擊數:

    隨著現代化企業生產規模的不斷擴大, 自動化立體倉庫——高架庫成為生產物流係統中的一個重要環節, 目前立體倉庫大多用孔板送風進行空調。這種孔板送風在工業空調中 (如恒溫室, 潔淨室及某些實驗環境等) 應用廣泛, 特點是在直接控製的區域內能夠形成比較均勻的速度場和溫度 (濃度) 場。由於靜壓箱箱體的幾何特性和箱體的進出風口特性是影響靜壓分布的均勻性的重要因素, 直接關係到孔板的送風性能, 為了更好地滿足倉庫溫濕度場均勻性的要求, 本文準備以上海卷煙廠高架庫為例, 利用CFD軟件Fluent對高架庫的流場和溫度場進行分析, 並在分析的基礎上優化內部的氣流組織, 希望結果可以為此類建築的空調係統設計提供依據。

    1 廠房模型

    上海卷煙廠廠房內的輔料暫存間采用立體高架庫形式暫存輔料, 該高架庫內部分布12條貨架, 貨架上方設置局部孔板吊頂, 吊頂和牆、上樓板在一起組成了一個送風靜壓箱, 風管伸入這個靜壓箱送風, 新風通過靜壓箱混合再由局部孔板送風, 通風采用上送下回方式, 共有送風口30個和回風口87個貨架, 高架庫底部設置有回風管。圖1為該高架庫空調送回風方式示意圖。根據生產中輔料暫存的工藝要求, 高架立體庫內的溫度、濕度場都必須保持很好的均勻性。

    圖1 高架庫送回風示意

    圖1 高架庫送回風示意   

    本文的分析以夏季供冷工況為例, 分析工作首先按庫房的實際大小建立Realizable 湍流模型, 模型中的動量方程、湍流脈動動能、耗散率以及能量方程都采用一階迎風格式求解, 壓力修正采用SIMPLE 方法;其中送回風口相對較小, 為了提高計算精度計算時單獨網格劃分。靜壓箱送風孔板設為porous-jump模型;庫房中等熱輻射采用輻射模型, 選取DO模型描述, 牆壁和貨架的吸收係數和散射係數取5 000 m-1, 空氣的吸收係數和散射係數取為0。另外設定送風口設為速度入口, 湍流強度為5%, 粘性率為1 000。分析假定該立體高架庫的最大設計送風量為240, 000 m3/h, 風速為1.85 m/s, 由於回風口采用2.3 m/s恒定風速排風, 故將回風口設為速度入口, 風速取負。

    2 模型的驗證

    為了驗證模型的準確性, 在進行模擬分析前先對上海卷煙廠高架庫的夏季製冷工況進行現場測試, 在貨架區域選擇距地高度為3 m, 9 m和15 m的3個測試麵, 每個測試麵上均勻布置9個測點, 利用Testo175-2型電子溫濕度記錄儀對倉庫內溫濕度進行實時連續測試, 測試時間為3個工作日。

    驗證工作選取9 m測試麵上9個測點的數據進行分析比較。

    圖2-圖4是測點處實際測試溫度值與模擬溫度值。可以看出:在這些點上, 模擬結果的平均溫度值都稍低於測試平均值, 而且高度越高模擬結果的溫度值越低;溫度分層現象也比測試結果明顯。造成這些現象的原因, 可能是模擬用的模型對倉庫的實際情況進行了簡化, 忽略了倉庫實際具有的滲透風量以及其他各種因素。不過從整體上來看, 模擬值與測試結果變化趨勢還是是一致的, 模擬結果應當具有一定的可信度。

    3 靜壓箱內送風口位置的影響

    靜壓箱內的送風形式主要是側送風, 風管深入靜壓箱內部送風;要實現孔板送風方式下室內氣流的均勻分布, 靜壓箱的設計必須合理。為了比較靜壓箱內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風口用於靜壓箱的側送風, 麵積與高架庫設計風口麵積相當;在靜壓箱的頂部建立大小和數量與設計完全相同的風口用於靜壓箱頂部的送風;在靜壓箱底部向上的送風也按當前高架庫采用的風口布置形式。模擬時設定高架庫的最大設計送風量24萬m3/h, 送風溫度為20 ℃。送風口位置對空調效果的影響的模擬結果如下。

    3.1 靜壓箱內部速度分布與孔板靜壓分布

    圖5是庫房空調采用側進風的模擬結果。從圖中可以看到, 在兩個風口的作用下靜壓箱內的氣流分成左右兩個對稱的速度場分布, 從風口吹出的空調風遇到靜壓箱壁麵後折回, 在左右兩邊各形成了一個渦旋, 兩個風口的中間也形成了一個渦旋。從圖中還可以看到, 箱內速度分布很不均勻, 各塊孔板出風風速也大小不一樣, 即使同一個孔板送出的風也不很均勻。由此可見, 單側送風不利於靜壓箱內的氣體均勻流動。

    圖2 高度3 m處的溫度

    圖2 高度3 m處的溫度   


    圖3 高度9 m處的溫度

    圖3 高度9 m處的溫度   


    圖2~圖4圖例:■測試值■模擬值

    圖4 高度15 m處的溫度

    圖4 高度15 m處的溫度   


    圖6是由底部向上送風 (即氣流通過管道流向頂棚的上部然後壓下送出) 時的模擬結果。從圖中可以看出, 送風氣流由頂棚壓下後, 雖然在送風口出風氣流的卷吸作用下有一小部分壓下的氣流被卷吸到風口處再次送出, 但是大部分的氣流還是通過孔板送出的, 而且通過孔板送出的氣流速度比較均勻, 不過氣流在通過大風口處 (圖中上側) 的孔板時會出現回流, 這主要因為大風口 (圖中上側) 的送風量比較大, 氣流卷吸作用強烈所導致的結果。

    圖7是風口由頂棚向下送風的模擬結果, 可以看到送風口的氣流流到靜壓箱的底麵後絕大部分沿底麵通過孔板送出, 很少部分在卷吸作用下向上流回送風口。從圖中還可以看到, 不同位置上的孔板的送風速度不同, 兩側送風速度較大, 中間的孔板送風速度較小, 相同孔板的送風速度均勻。

    圖5 側送風速度矢量圖

    圖5 側送風速度矢量圖   


    圖6 高度底部向上送風速度矢量圖

    圖6 高度底部向上送風速度矢量圖   


    圖7 頂部送風速度矢量圖

    圖7 頂部送風速度矢量圖   


    圖8-圖10是不同送風方式下孔板靜壓分布的模擬結果。可以看到孔板的靜壓分布直接影響到送風的均勻性, 靜壓分布得越均勻送風也越均勻。采用側送風, 孔板靜壓分布的特點是, 遠離風口處壓力大, 接近風口壓力小, 見圖8;這主要由於送風氣流流動造成的。采用頂部送風, 靜壓分布的均勻性較側送風好, 孔板的靜壓最大處出現在接近風口位置以及兩側靠牆處, 見圖10;這是因為送風由頂部送至底麵時以及氣流沿靜壓箱壁麵下沉, 造成靜壓增大。

    圖8 靜壓箱側送風孔板靜壓分布

    圖8 靜壓箱側送風孔板靜壓分布   


    圖9 靜壓箱底部向上送風孔板靜壓分布

    圖9 靜壓箱底部向上送風孔板靜壓分布  


    圖10 靜壓箱頂部送風孔板靜壓分布

    圖10 靜壓箱頂部送風孔板靜壓分布   


    由圖8-圖10還可以看到, 側送風和頂部送風的孔板靜壓最大值與最小值差異較大, 約為-0.09~0.66 Pa之間。圖9是底部向上送風的孔板靜壓分布模擬結果。可以看到, 靜壓分布比較均勻, 最大處位置與頂部送風 (圖10相似) , 孔板的靜壓最大值與最小值差異不大, 約為-0.12~0.10 Pa之間。由此可見, 當風管伸入靜壓箱向上送風時, 孔板靜壓分布較均勻。

    3.2 高架庫內部的溫度、速度場

    高架庫內部溫度場的分布比較複雜。圖11和圖12以分別是高度為9 m平麵以及高架庫寬20.5 m處立麵的溫度分布模擬結果。可以看到, 水平麵上的溫度分布呈梯狀, 部分區域高部分區域低;立麵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, 水平麵上靠近貨架處以及牆角處的溫度較高, 其餘溫度分布較均勻;值得注意的是倉庫中個別貨架間距過近而且缺少回風口, 通風效果較差, 因此溫度也就較高。從立麵圖還可以看出, 溫度分層現象很明顯, 分層高度均勻。從圖15和圖16中可以看到, 水平麵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;立麵雖然也顯示了溫度分層但分層高度不均勻, 總體情況優於側送風。為了進一步評價高架庫的溫度和速度的分布特性, 可以用溫度不均勻係數kt和流速不均勻係數ku[1]作為指標。所謂溫度不均勻係數, 是指各測點溫度值的均方根偏差與平均溫度的比值, 流速不均勻係數同樣也是這樣的比值。本文以水平麵9 m為例, 測點布置同測試安排, 再對實際測點進行加密, 共取45個測點, 對測定數據進行處理, 得到不均勻性指標見表1。可以看到上送風的ktku最小, 溫度場和流場最均勻。

    圖11 高9 m側送風溫度分布圖

    圖11 高9 m側送風溫度分布圖   


    圖12 寬20.5 m側送風溫度分布圖

    圖12 寬20.5 m側送風溫度分布圖   


    圖13 高9 m底部向上送風溫度分布圖

    圖13 高9 m底部向上送風溫度分布圖   


    圖14 寬20.5 m底部向上送風溫度分布圖

    圖14 寬20.5 m底部向上送風溫度分布圖   


    圖15 高9 m頂部送風溫度分布圖

    圖15 高9 m頂部送風溫度分布圖   


    圖16 寬20.5 m頂部送風溫度分布圖

    圖16 寬20.5 m頂部送風溫度分布圖   


    表1 表1 溫度、速度不均勻係數     

    表1 表1 溫度、速度不均勻係數

    4 靜壓箱幾何尺寸的影響

    靜壓箱的幾何尺寸是影響靜壓箱內氣流組織和孔板靜壓分布均勻性的重要因素, 為了進一步分析這種現象, 模擬工作在圖7的基礎上把靜壓箱的高度減少0.65 m (風口位置為高架庫實際所布) , 把箱高從2.65 m改為2.00 m, 可以得到圖17和圖18的模擬結果。由圖17可以看出, 箱體高度減少以後靜壓箱內頂棚壓下的氣流速度明顯變大, 不過從總體來說與高度減少前的氣流組織相當, 兩者分布的差異不大, 孔板的送風速度還是高於風口上送風, 在左側大風口處的兩塊孔板也產生了回流。雖然此工況的回風速度較風口上送風時小, 但由圖18可以看出, 靜壓箱高度減少後靜壓分布總體與設計工況相似, 靜壓值在-0.13~0.13 Pa之間。由於兩者分布很相近, 其不均勻係數見表2。

    圖17 靜壓箱高2 m時高20 m處速度矢量圖

    圖17 靜壓箱高2 m時高20 m處速度矢量圖  


    圖18 靜壓箱高2 m時, 孔板靜壓分布圖

    圖18 靜壓箱高2 m時, 孔板靜壓分布圖  


    表2 靜壓不均勻係數     

    表2 靜壓不均勻係數

    由表2可以看出, 靜壓箱高度縮減至2 m後, 孔板靜壓平均值略有增加, 靜壓不均勻係數減小均勻性有了提高。文獻[2]指出, 孔板送風靜壓箱的靜壓均勻性和送風射程 (L) 與靜壓箱高 (H) 有關, 當比值L/H增加時均勻性變差, 保持L增加H均勻性可以改善, 即增加靜壓箱高度有利於孔板靜壓均勻分布。但是本文模擬結果表明並非如此, 模擬結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。

    通過高架庫現有送風口布置以及各種情況模擬發現, 孔板送風都或多或少的存在出流不均和出流偏斜。尤其是出流偏斜現象較嚴重。為此應當孔口空氣流出前的流速u (垂直於孔口出流方向) 和孔口流速u比值控製在0.25以下。

    5 優化送風量及送風參數

    采用高架庫模型對各種風量和送風參數條件下倉庫內的溫度場和速度場進行模擬, 可以研究風量, 送風參數與高架庫內的溫度分布的關係, 並從中求得出最優的送風量及送風參數。

    5.1 相同風量, 不同送風溫度

    模擬條件為送風量為22萬m3/h, 送風溫度分別為20 ℃和22 ℃, 圖19和圖20是高度為9 m處的水平麵的溫度分布模擬結果。由圖可以看出, 當送風溫度升高2 ℃, 高架庫內室溫明顯提高。

    圖19 高9 m送風溫度20 ℃

    圖19 高9 m送風溫度20 ℃   


    圖20 高9 m送風溫度22 ℃

    圖20 高9 m送風溫度22 ℃ 


    室內的溫度分布也可以用溫 (濕) 度均勻性指標TUI描述, 該指標定義為滿足規定溫 (濕) 度要求的測點數與總測點數之比。圖21是TUI的計算結果, 可以看出, 溫度升高2 K, 在23~25 ℃範圍內TUI升高約66.68%~161.54%, 因此相同風量時, 在一定的溫度範圍內可以通過提高送風溫度來達到經濟運行的效果。

    圖21 溫度的TUI對比圖

    圖21 溫度的TUI對比圖   


    5.2 相同送風溫度, 不同風量

    送風溫度為20 ℃, 送風量分別為20萬m3/h和18萬m3/h模擬結果見圖22和圖23。可以看出, 當送風量減小20 000 m3/h, 高架庫內室溫變化不明顯。圖24是TUI的計算結果, 可以看出, 送風量降低, 溫度沒有明顯的降低, 即在相同送風溫度情況下, 送風量的減小對高架庫內的平均溫度影響不敏感, 可以考慮通過減小風量達到經濟運行的效果。

    圖22 高9m送風量200, 000 m3/h

    圖22 高9m送風量200, 000 m3/h  


    圖23 高9 m送風量180, 000 m3/h

    圖23 高9 m送風量180, 000 m3/h   

    圖24 送風量的TUI對比圖

    圖24 送風量的TUI對比圖   


    6 結論

    (1) 確定風管伸入靜壓箱送風效果好於靜壓箱側送風。

    (2) 風管伸入靜壓箱由底部向上送風效果好於其他兩種送風情況。

    (3) 風管伸入靜壓箱由底部向上送風與風管伸入靜壓箱由頂部向下送風比較:溫度不均勻係數相似, 而速度不均勻係數較小。

    (4) 認為縮減靜壓箱高度有利於孔板送風的均勻性及靜壓箱氣流組織優化。

    (5) 溫度升高對於高架庫內平均溫度影響較大, 而風量減小則影響較小、建議可以通過減小風量, 提高送風溫度來達到節能的目的。

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