Обеспечение эффективного охлаждения в авторефрижераторах с помощью моделирования

06/09/2016

Авторефрижераторы должны поддерживать холодную температуру для качественного хранения продуктов в процессе транспортировки. Поэтому оптимизация изоляционных материалов и систем охлаждения в таких автомобилях является важным этапом при разработке. Для подтверждения эффективности одного из таких авторефрижераторов в закрытом и отрытом режимах французская компания Air Liquide объединилась с сертифицированным консультантом COMSOL SIMTEC. Совместно они провели тепловые и CFD-расчёты в программном обеспечении COMSOL Multiphysics®.

Поддержание холодной температуры в рефрижераторах

Для перевозки продуктов питания и других скоропортящихся продуктов были разработаны авторефрижераторы, которые поддерживают холодную температуру внутри кузова. Если указанные продукты не охлаждать должным образом, они могут нагреться выше допустимой температуры и испортиться. Эта проблема особенно актуальна при высоких окружающих температурах, которые действуют в течении длительного времени.

Фотография авторефрижератора.
Авторефрижератор.

На первый взгляд задача правильного охлаждения авторефрижератора может показаться простой. Однако, есть некоторые важные обстоятельства и условия, которые необходимо иметь ввиду. Во-первых, система охлаждения должна быть оптимизирована для сохранения заданной температуры. Во-вторых, необходимо правильно подобрать материалы для стенок кузова для достаточной изоляции и поддержки требуемой температуры.

А сейчас рассмотрим процесс погрузки и разгрузки товаров. Корректная интерпретация при моделировании циклов открытия и закрытия дверей авторефрижератора является нетривиальной задачей. Тем не менее, данные циклы важно учитывать, чтобы получить реалистичные результаты эффективности охлаждения.

Давайте посмотрим, как команда SIMTEC помогла компании Air Liquide — лидеру в области технологий и услуг для промышленности и здравоохранения, смоделировать эти процессы.

Разработка расчетной модели авторефрижератора

Когда необходимо выбрать лучшие теплоизоляционные материалы для эффективной системы воздушного охлаждения, важно иметь представление об аэротермических процессах внутри холодильной камеры. Давайте разберем, как можно смоделировать такие процессы в COMSOL Multiphysics, объединив физические интерфейсы вычислительной гидро- и газодинамики (CFD) и теплопередачи.

Команда SIMTEC создала аэротермическую модель системы, чтобы рассчитать теплопередачу в нормальном режиме эксплуатации авторефрижератора. Их целью являлся расчет распределения температуры и скорости воздуха внутри холодильной камеры в процессе открытия и закрытия дверей.

Начнём с более детального рассмотрения геометрии модели. Инженеры создали модель холодильной камеры в виде параллелепипеда с системой охлаждения, которая состоит из двух круглых отверстий, используемых для забора воздуха, и одного прямоугольного отверстия — для обдува камеры охлаждённым воздухом. За счет использования симметрии в плоскости yz, эффективно перейти к рассмотрению только одной половины холодильной камеры

На рисунке изображена геометрия холодильной камеры.
Геометрия авторефрижератора. Слева показана геометрия холодильной камеры без симметрии, по центру — половина моделируемой системы, справа — крупный план системы охлаждения. Изображение из статьи, опубликованной на конференции пользователей COMSOL, Гренобль 2015, представленное авторами Alexandre Oury, Patrick Namy, и Mohammed Youbi-Idrissi.

При моделировании команда инженеров рассматривала два цикла работы авторефрижератора. Для них использовались различные вычислительные методы расчёта распределения температуры и скорости воздуха. На первом этапе, который длится примерно 3 часа, задние двери холодильной камеры закрываются и начинает работать система охлаждения. Вентиляторы и холодильная установка охлаждают камеру. Начальная температура воздуха в системе охлаждения равна -27°C. Затем она начинает подниматься из-за контакта воздуха с тёплыми стенками камеры. Для минимизации степеней свободы в системе инженеры использовали только ондосторонние мультифизические взаимосвязи (между уравнениями CFD и теплопередачи) при моделировании.

На рисунке стрелкой показано направление потока холодного воздуха в авторефрижераторе.
Стрелкой показано направление потока холодного воздуха в авторефрижераторе при закрытой задней двери. Изображение из статьи, опубликованной на конференции пользователей COMSOL, Гренобль 2015, представленное авторами Alexandre Oury, Patrick Namy, и Mohammed Youbi-Idrissi.

На втором этапе, длительность порядка 10 минут, задние двери холодильной камеры открываются, а системы вентиляции и охлаждения — отключаются. В отличии от первого этапа, здесь использовались полноценные двусторонние "мультифизики", связывающие теплопередачу и газодинамику. Используя эти физические интерфейсы, инженеры проанализировали воздушные потоки в камере и изменения температуры с течением времени.

Как открытие и закрытие дверей влияет на температуру в холодильной камере?

Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим результаты моделирования на первом этапе, когда задние двери закрыты. На рисунке ниже показаны линии тока для скорости воздуха спустя 10000 секунд (приблизительно 2 часа 45 минут). К этому моменту времени воздух достигает максимальной скорости у крыши камеры и вдоль дверей. Скорость быстро уменьшается при прохождении воздуха через остальную часть камеры.

На рисунке изображены линии тока, показывающие направление скорости воздуха при закрытых дверях.
Линии тока показывают направление скорости воздуха спустя 10000 секунд после закрытия дверей. Изображение из статьи, опубликованной на конференции пользователей COMSOL, Гренобль 2015, предоставленное авторами Alexandre Oury, Patrick Namy, и Mohammed Youbi-Idrissi.

Поле температур имеет схожее распределение со скоростью воздуха. Холодные области соответствуют максимальным скоростям и наоборот. По рисунку ниже видно, что самая тёплая область — это зона рециркуляции, которая находится в нижней части камеры. Температура воздуха там чуть больше 0°C.

На рисунке представлена температура воздуха в холодильной камере при закрытых дверях.
Линии тока показывают направление скорости воздуха спустя 10000 секунд после закрытия дверей. Изображение из статьи, опубликованной на конференции пользователей COMSOL, Гренобль 2015, предоставленное авторами Alexandre Oury, Patrick Namy, и Mohammed Youbi-Idrissi.

Инженеры также вычислили тепловые потери в холодильной камере. Они обнаружили, что воздух охлаждается внутри кузова, и общие потери тепла увеличиваются со временем. Большая часть тепла теряется через боковые и задние стенки. На графике ниже — синяя и красная линии, соответственно. Пол в кузове — самая толстая и изолированная часть, следовательно, потери тепла на её поверхности минимальны.

Усреднённые потери тепла для каждой из пяти стенок.
Графики усреднённых потерь тепла для каждой из пяти стенок при закрытых дверях. Изображение из статьи, опубликованной на конференции пользователей COMSOL, Гренобль 2015, предоставленное авторами Alexandre Oury, Patrick Namy, и Mohammed Youbi-Idrissi.

Переходим ко второму этапу… При выключенных системах охлаждения и вентиляции единственной движущей силой для воздуха является естественная конвенция, вызванная разницей между внешней и внутренней температурами. Так как температура внутри кузова намного ниже, тёплый воздух будет втекать в камеру. Ниже показано, что в начале тёплый воздух быстро поступает в камеру.

Через 50 секунд усреднённая скорость воздуха падает ниже 10 см/с. Через 500 секунд усреднённая скорость воздуха становится ниже, чем 2 см/с. Это связано с тем, что разница температур внутри кузова и снаружи значительно уменьшилась.

На рисунке изображена усреднённая температура холодильной камеры в различные моменты времени.
Усреднённая скорость воздуха внутри кузова через 2, 10, 50 и 500 секунд после открытия задних дверей. Изображение из статьи, опубликованной на конференции пользователей COMSOL, Гренобль 2015, предоставленное авторами Alexandre Oury, Patrick Namy, и Mohammed Youbi-Idrissi.

Примерно через 10 секунд после открытия задних дверей температура большей части камеры сравнялась с температурой окружающей среды (примерно 25°C). Исключением являются области вокруг стенок, где тепловая инерция помогает окружающему воздуху оставаться прохладным.

На рисунке изображена температура холодильной камеры в различные моменты времени.
Температура внутри камеры через 2, 10, 50, 500 секунд после открытия задних дверей. Изображение из статьи, опубликованной на конференции пользователей COMSOL, Гренобль 2015, предоставленное авторами Alexandre Oury, Patrick Namy, и Mohammed Youbi-Idrissi.

Затем инженеры сравнили результаты моделирования с физическими экспериментами. Они совпали в рамках допустимой погрешности. Однако учёных смутили колебания на графике результатов моделирования, которых нет при эксперименте. Инженеры объяснили это тем, что датчик температуры при физическом эксперименте располагался в другом месте. Другой возможной причиной является внутренняя инерция датчика, которая может оказывать небольшое влияние на температуру. При моделировании же отображается мгновенная температура воздуха.

График, сравнивающий результаты моделирования и физического эксперимента.
Графики численных расчетов (красная линия) и физического эксперимента (чёрная линия). Изображение из статьи, опубликованной на конференции пользователей COMSOL, Гренобль 2015, представленное авторами Alexandre Oury, Patrick Namy, и Mohammed Youbi-Idrissi.

Мультифизическое моделирование позволяет разрабатывать более сложные конструкции авторефрижераторов

При помощи COMSOL Multiphysics, команда SIMTEC выполнила моделирование аэротермических процессов внутри холодильной камеры, используя мультифизическую взаимосвязь интерфейсов для расчета турбулентной газодинамики и теплопередачи. Эти результаты в дальнейшем могут помочь спроектировать следующие поколения авторефрижераторов, определить наилучшие материалы стенок кузова, указать пути повышения мощностных характеристик и оптимальное местоположение системы охлаждения.

Узнайте больше о сертифицированном консультанте COMSOL SIMTEC и их услугах, посетив сайт.

Узнайте больше об использовании моделирования для анализа и оптимизации транспортных средств


Комментарии (0)

Оставить комментарий
Войти | Регистрация
Загрузка...
РУБРИКАТОР БЛОГА COMSOL
РУБРИКИ
ТЕГИ