液氮深冷低温箱的数值模拟与实验研究

　　摘要： 为解决生物样本的深冷低温存储问题，本文设计了一种利用液氮制冷的深冷低温箱，并对低温箱的制冷性能进行研究。采用Fluent软件模拟与实验相结合的方法，模拟低温箱中换热器自然对流换热过程，研究了LN2深冷低温冷藏箱的制冷性能，对自然对流换热时间、低温箱中的气流流动规律以及LN2的消耗量进行预测，结合模拟结果，对低温箱的制冷性能展开实验研究，并将实验数据与模拟数据进行对比。研究结果表明，由于涡流作用，箱体前部温度均匀性优于后部，箱内最大气体流速0.24 m/s，低温箱內平均温度从初始温度288.15 K下降到123 K，耗时264 min，平均制冷量1434.09 kW，该过程消耗LN2质量为 110.94 kg，模拟时间误差16.3%，LN2质量误差15.7%。该研究为LN2深低温冷藏箱的设计提供了理论依据，具有一定的应用价值。

　　关键词： 液氮; 低温箱; 数值模拟; 制冷性能

　　作者： 郭帅帅

　　低温技术是我国国民经济建设和国防现代化过程中不可缺少的技术，通常温度低于173 K以下的冷处理叫做深冷处理，该技术在工业气体液化和分离、材料处理、质检科研、超导应用、航空航天、生物医疗、基因储存、能源以及实验等领域得到了广泛应用[1-3]。液氮(LN2)、液氢及液化天然气等低温液化气体用于深冷处理时，具有简单、清洁、经济等优点，但是其制冷性能的稳定性和制冷效率有待研究。近几年，许多学者对液氮在制冷方面的应用展开了大量研究。徐瀚洲等人[4]设计了一种食品冷藏箱，研究了箱内自然对流和强制对流两种工况下降温的特性和液氮消耗量，结果表明箱内采用风机强制对流的工况下降温更快，但液氮消耗量更大;王斯民等人[5]以LN2作为研究工质，对竖直圆管内低温流体的沸腾相变流动进行了数值模拟，结果表明，冷流体吸热沸腾后，蒸发流成为竖直圆管壁面换热的主要部分，沸腾换热成为主要的换热过程;陈书平等人[6]的研究表明随着LN2流速的增大，气化管内的换热也增加;R. Tavakoli等人[7]提出使用VOF法追踪两相流界面，得到提高计算精度、加快收敛速度的方法，对两相流的模拟计算具有一定的参考价值;M. Herrmann等人[8]建立了基于非结构网格体系上的两相流模型，应用于较精细的网格;Jiang等人[9]采用DNS和LES封闭模型方程建立了单流体两相流模型;V. V. Klimenko等人[10]研究了LN2作为研究工质的强制对流两相流，提出需要气化的冷工质流动方向为从下向上时，传热效果最好。大多数研究者对LN2管内沸腾管热的研究，而关于LN2换热器的自然对流换热的研究较少。基于此，本文采用Fluent软件模拟低温箱中换热器与箱内空气的自然对流换热过程，采用数值模拟与实验相结合的方法，预测自然对流换热时间、低温箱中的气流流动规律以及液氮的消耗量，从而探究深冷低温箱的工作特性。该研究在制冷方面具有一定的应用前景。

　　1系统介绍

　　冷藏箱系统原理图如图1所示。该冷藏箱的存储温度设置为123 K，LN2从自增压灌流出，经缓冲间利用下进上出的方式进入翅片管式换热器，换热器在低温箱中通过自然对流的方式进行热交换，使低温箱温度降低。保温层能够减少低温箱内的冷量损失，当低温箱内平均温度低于设定温度时，电控箱发出指令，电磁阀关闭;当低温箱内温度高于设定温度时，电磁阀开启。为观察自然对流过程中低温箱内的温度均匀性及降温速率，对低温箱中自然对流换热过程进行数值模拟，与实验结果进行对比，并检验其合理性。

　　2低温箱数值模拟研究

　　2.1几何模型

　　本文研究的冷藏箱及换热器几何模型如图2所示。图2a中，蓝色区域为低温箱壁，绿色区域为低温换热器部分，低温箱长度为1.9 m，宽度为1.0 m，高度为1.3 m，斜面倾斜度为60°。将换热器简化为与实验中换热器换热面积相同的阶梯型长方体，低温箱外使用保温材料，假设低温箱与外界无热量交换，箱内为干空气，选取LN2为低温介质，不考虑换热器内的相变和箱内辐射换热。初始时刻箱内温度为288.15 K，随着液氮通入换热器，其表面温度开始下降，在自然对流的作用下，箱内温度逐渐下降，直到理想温度。网格划分选用体网格的Tetra/Mixed网格类型，冷藏箱网格划分网格数为196 628，换热器网格划分网格数共为52 623，网格质量检查结果均在0.3以上，质量良好。

　　2.3计算方法

　　利用Fluent 16.0软件进行模拟，选用Tecplot360EX 2015R1对数值模拟结果进行处理，求解方法采用压力基求解器，控制方程的离散格式采用一阶迎风格式，速度-压力耦合采用SIMPLE算法进行非稳态计算。当求解器参数设定完成后，设定k-ε标准模型参数，定义重力沿Y轴负方向及计算中管道壁面材料(copper)与冷藏箱壁面材料(aluminum)的属性[14]，设定计算边界条件，冷藏箱表面热流为0，由于冷藏箱自然对流传热过程为非稳态过程，换热器壁面平均温度随箱内平均温度发生变化。根据换热器的模拟结果，拟

　　合出管道壁面温度与环境温度的对应关系，编写成UDF导入Fluent，作为换热器壁面温度设置的依据[1520]。在冷藏箱底部、中部及顶部各设定5个监测点a、b、c、d、e，并设定监测参数。冷藏箱内监测点位置及编号如图3所示。初始化后，patch换热器壁面温度及冷藏箱内部初始温度为288.15 K，设置时间步长、时间步数后进行迭代计算。得到监测点数据后，将监测点a1至e1和a3至e3的数据分别平均后，得到冷藏箱底部和上部平均温度，将监测点a1至e1、a2至e2、a3至e3的数据平均后，得到冷藏箱内平均温度。

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文章名称： 液氮深冷低温箱的数值模拟与实验研究

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