摘要： 為解決生物樣本的深冷低溫存儲問題，本文設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行研究。采用Fluent軟件模擬與實驗相結合的方法，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律以及LN2的消耗量進行預測，結合模擬結果，對低溫箱的制冷性能展開實驗研究，并將實驗數據與模擬數據進行對比。研究結果表明，由于渦流作用，箱體前部溫度均勻性優于后部，箱內最大氣體流速0.24 m/s，低溫箱內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質量為 110.94 kg，模擬時間誤差16.3%，LN2質量誤差15.7%。該研究為LN2深低溫冷藏箱的設計提供了理論依據，具有一定的應用價值。

　　關鍵詞： 液氮; 低溫箱; 數值模擬; 制冷性能

　　作者： 郭帥帥

　　低溫技術是我國國民經濟建設和國防現代化過程中不可缺少的技術，通常溫度低于173 K以下的冷處理叫做深冷處理，該技術在工業氣體液化和分離、材料處理、質檢科研、超導應用、航空航天、生物醫療、基因儲存、能源以及實驗等領域得到了廣泛應用[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、經濟等優點，但是其制冷性能的穩定性和制冷效率有待研究。近幾年，許多學者對液氮在制冷方面的應用展開了大量研究。徐瀚洲等人[4]設計了一種食品冷藏箱，研究了箱內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，結果表明箱內采用風機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，對豎直圓管內低溫流體的沸騰相變流動進行了數值模擬，結果表明，冷流體吸熱沸騰后，蒸發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]建立了基于非結構網格體系上的兩相流模型，應用于較精細的網格;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作為研究工質的強制對流兩相流，提出需要氣化的冷工質流動方向為從下向上時，傳熱效果最好。大多數研究者對LN2管內沸騰管熱的研究，而關于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空氣的自然對流換熱過程，采用數值模擬與實驗相結合的方法，預測自然對流換熱時間、低溫箱中的氣流流動規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用前景。

　　1系統介紹

　　冷藏箱系統原理圖如圖1所示。該冷藏箱的存儲溫度設置為123 K，LN2從自增壓灌流出，經緩沖間利用下進上出的方式進入翅片管式換熱器，換熱器在低溫箱中通過自然對流的方式進行熱交換，使低溫箱溫度降低。保溫層能夠減少低溫箱內的冷量損失，當低溫箱內平均溫度低于設定溫度時，電控箱發出指令，電磁閥關閉;當低溫箱內溫度高于設定溫度時，電磁閥開啟。為觀察自然對流過程中低溫箱內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行數值模擬，與實驗結果進行對比，并檢驗其合理性。

　　2低溫箱數值模擬研究

　　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，藍色區域為低溫箱壁，綠色區域為低溫換熱器部分，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，假設低溫箱與外界無熱量交換，箱內為干空氣，選取LN2為低溫介質，不考慮換熱器內的相變和箱內輻射換熱。初始時刻箱內溫度為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，箱內溫度逐漸下降，直到理想溫度。網格劃分選用體網格的Tetra/Mixed網格類型，冷藏箱網格劃分網格數為196 628，換熱器網格劃分網格數共為52 623，網格質量檢查結果均在0.3以上，質量良好。

　　2.3計算方法

　　利用Fluent 16.0軟件進行模擬，選用Tecplot360EX 2015R1對數值模擬結果進行處理，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格式，速度-壓力耦合采用SIMPLE算法進行非穩態計算。當求解器參數設定完成后，設定k-ε標準模型參數，定義重力沿Y軸負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態過程，換熱器壁面平均溫度隨箱內平均溫度發生變化。根據換熱器的模擬結果，擬

　　合出管道壁面溫度與環境溫度的對應關系，編寫成UDF導入Fluent，作為換熱器壁面溫度設置的依據[1520]。在冷藏箱底部、中部及頂部各設定5個監測點a、b、c、d、e，并設定監測參數。冷藏箱內監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部初始溫度為288.15 K，設置時間步長、時間步數后進行迭代計算。得到監測點數據后，將監測點a1至e1和a3至e3的數據分別平均后，得到冷藏箱底部和上部平均溫度，將監測點a1至e1、a2至e2、a3至e3的數據平均后，得到冷藏箱內平均溫度。

　　推薦閱讀：細胞生物學研究課題怎么參與