摘要： 為解決生物樣本的深冷低溫存儲問題，本文設(shè)計了一種利用液氮制冷的深冷低溫箱，并對低溫箱的制冷性能進(jìn)行研究。采用Fluent軟件模擬與實驗相結(jié)合的方法，模擬低溫箱中換熱器自然對流換熱過程，研究了LN2深冷低溫冷藏箱的制冷性能，對自然對流換熱時間、低溫箱中的氣流流動規(guī)律以及LN2的消耗量進(jìn)行預(yù)測，結(jié)合模擬結(jié)果，對低溫箱的制冷性能展開實驗研究，并將實驗數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。研究結(jié)果表明，由于渦流作用，箱體前部溫度均勻性優(yōu)于后部，箱內(nèi)最大氣體流速0.24 m/s，低溫箱內(nèi)平均溫度從初始溫度288.15 K下降到123 K，耗時264 min，平均制冷量1434.09 kW，該過程消耗LN2質(zhì)量為 110.94 kg，模擬時間誤差16.3%，LN2質(zhì)量誤差15.7%。該研究為LN2深低溫冷藏箱的設(shè)計提供了理論依據(jù)，具有一定的應(yīng)用價值。

　　關(guān)鍵詞： 液氮; 低溫箱; 數(shù)值模擬; 制冷性能

　　作者： 郭帥帥

　　低溫技術(shù)是我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防現(xiàn)代化過程中不可缺少的技術(shù)，通常溫度低于173 K以下的冷處理叫做深冷處理，該技術(shù)在工業(yè)氣體液化和分離、材料處理、質(zhì)檢科研、超導(dǎo)應(yīng)用、航空航天、生物醫(yī)療、基因儲存、能源以及實驗等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。液氮(LN2)、液氫及液化天然氣等低溫液化氣體用于深冷處理時，具有簡單、清潔、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點，但是其制冷性能的穩(wěn)定性和制冷效率有待研究。近幾年，許多學(xué)者對液氮在制冷方面的應(yīng)用展開了大量研究。徐瀚洲等人[4]設(shè)計了一種食品冷藏箱，研究了箱內(nèi)自然對流和強制對流兩種工況下降溫的特性和液氮消耗量，結(jié)果表明箱內(nèi)采用風(fēng)機(jī)強制對流的工況下降溫更快，但液氮消耗量更大;王斯民等人[5]以LN2作為研究工質(zhì)，對豎直圓管內(nèi)低溫流體的沸騰相變流動進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，冷流體吸熱沸騰后，蒸發(fā)流成為豎直圓管壁面換熱的主要部分，沸騰換熱成為主要的換熱過程;陳書平等人[6]的研究表明隨著LN2流速的增大，氣化管內(nèi)的換熱也增加;R. Tavakoli等人[7]提出使用VOF法追蹤兩相流界面，得到提高計算精度、加快收斂速度的方法，對兩相流的模擬計算具有一定的參考價值;M. Herrmann等人[8]建立了基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格體系上的兩相流模型，應(yīng)用于較精細(xì)的網(wǎng)格;Jiang等人[9]采用DNS和LES封閉模型方程建立了單流體兩相流模型;V. V. Klimenko等人[10]研究了LN2作為研究工質(zhì)的強制對流兩相流，提出需要氣化的冷工質(zhì)流動方向為從下向上時，傳熱效果最好。大多數(shù)研究者對LN2管內(nèi)沸騰管熱的研究，而關(guān)于LN2換熱器的自然對流換熱的研究較少。基于此，本文采用Fluent軟件模擬低溫箱中換熱器與箱內(nèi)空氣的自然對流換熱過程，采用數(shù)值模擬與實驗相結(jié)合的方法，預(yù)測自然對流換熱時間、低溫箱中的氣流流動規(guī)律以及液氮的消耗量，從而探究深冷低溫箱的工作特性。該研究在制冷方面具有一定的應(yīng)用前景。

　　1系統(tǒng)介紹

　　冷藏箱系統(tǒng)原理圖如圖1所示。該冷藏箱的存儲溫度設(shè)置為123 K，LN2從自增壓灌流出，經(jīng)緩沖間利用下進(jìn)上出的方式進(jìn)入翅片管式換熱器，換熱器在低溫箱中通過自然對流的方式進(jìn)行熱交換，使低溫箱溫度降低。保溫層能夠減少低溫箱內(nèi)的冷量損失，當(dāng)?shù)蜏叵鋬?nèi)平均溫度低于設(shè)定溫度時，電控箱發(fā)出指令，電磁閥關(guān)閉;當(dāng)?shù)蜏叵鋬?nèi)溫度高于設(shè)定溫度時，電磁閥開啟。為觀察自然對流過程中低溫箱內(nèi)的溫度均勻性及降溫速率，對低溫箱中自然對流換熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬，與實驗結(jié)果進(jìn)行對比，并檢驗其合理性。

　　2低溫箱數(shù)值模擬研究

　　2.1幾何模型

　　本文研究的冷藏箱及換熱器幾何模型如圖2所示。圖2a中，藍(lán)色區(qū)域為低溫箱壁，綠色區(qū)域為低溫?fù)Q熱器部分，低溫箱長度為1.9 m，寬度為1.0 m，高度為1.3 m，斜面傾斜度為60°。將換熱器簡化為與實驗中換熱器換熱面積相同的階梯型長方體，低溫箱外使用保溫材料，假設(shè)低溫箱與外界無熱量交換，箱內(nèi)為干空氣，選取LN2為低溫介質(zhì)，不考慮換熱器內(nèi)的相變和箱內(nèi)輻射換熱。初始時刻箱內(nèi)溫度為288.15 K，隨著液氮通入換熱器，其表面溫度開始下降，在自然對流的作用下，箱內(nèi)溫度逐漸下降，直到理想溫度。網(wǎng)格劃分選用體網(wǎng)格的Tetra/Mixed網(wǎng)格類型，冷藏箱網(wǎng)格劃分網(wǎng)格數(shù)為196 628，換熱器網(wǎng)格劃分網(wǎng)格數(shù)共為52 623，網(wǎng)格質(zhì)量檢查結(jié)果均在0.3以上，質(zhì)量良好。

　　2.3計算方法

　　利用Fluent 16.0軟件進(jìn)行模擬，選用Tecplot360EX 2015R1對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行處理，求解方法采用壓力基求解器，控制方程的離散格式采用一階迎風(fēng)格式，速度-壓力耦合采用SIMPLE算法進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計算。當(dāng)求解器參數(shù)設(shè)定完成后，設(shè)定k-ε標(biāo)準(zhǔn)模型參數(shù)，定義重力沿Y軸負(fù)方向及計算中管道壁面材料(copper)與冷藏箱壁面材料(aluminum)的屬性[14]，設(shè)定計算邊界條件，冷藏箱表面熱流為0，由于冷藏箱自然對流傳熱過程為非穩(wěn)態(tài)過程，換熱器壁面平均溫度隨箱內(nèi)平均溫度發(fā)生變化。根據(jù)換熱器的模擬結(jié)果，擬

　　合出管道壁面溫度與環(huán)境溫度的對應(yīng)關(guān)系，編寫成UDF導(dǎo)入Fluent，作為換熱器壁面溫度設(shè)置的依據(jù)[1520]。在冷藏箱底部、中部及頂部各設(shè)定5個監(jiān)測點a、b、c、d、e，并設(shè)定監(jiān)測參數(shù)。冷藏箱內(nèi)監(jiān)測點位置及編號如圖3所示。初始化后，patch換熱器壁面溫度及冷藏箱內(nèi)部初始溫度為288.15 K，設(shè)置時間步長、時間步數(shù)后進(jìn)行迭代計算。得到監(jiān)測點數(shù)據(jù)后，將監(jiān)測點a1至e1和a3至e3的數(shù)據(jù)分別平均后，得到冷藏箱底部和上部平均溫度，將監(jiān)測點a1至e1、a2至e2、a3至e3的數(shù)據(jù)平均后，得到冷藏箱內(nèi)平均溫度。

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