邸倩倩，王亞會，劉 斌，孫小峰，關(guān)文強(qiáng)

1 前言

冷藏展示柜廣泛應(yīng)用于超市或零售商店中，用于展示、銷售食品和其他商品。以超市為例，冷藏展示柜消耗電量約占總電能消耗的2/3［1］，因此能耗是冷藏柜最重要的性能指標(biāo)之一，降低能耗已成為冷藏柜設(shè)計研發(fā)的重點(diǎn)。近些年，以Hayes等對風(fēng)幕系統(tǒng)的研究為標(biāo)志揭開了降低敞開式冷藏柜的能耗和維持柜內(nèi)溫度的穩(wěn)定等方面的研究［2～7］。孟祥兆等通過建立了立式多擱架陳列柜風(fēng)幕及柜內(nèi)空氣流動和換熱的二維數(shù)學(xué)模型,并運(yùn)用SIMPLER算法進(jìn)行了數(shù)值計算，證明了模型假設(shè)的正確性［8］。呂彥力等利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立了各影響因素與冷藏柜負(fù)荷間的非線性模型，對敞開式冷藏陳列柜的負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測［9］。IGary等在提高前開放式超市冷藏陳列柜空氣分布一文中通過試驗(yàn)研究對比背部開孔模型和前方空氣模型對溫度均勻性和節(jié)能效果的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)空氣幕流量為70%背部穿孔板流量分配為30%時冷藏柜溫度場的均勻性和節(jié)能性能產(chǎn)生較理想的效果［10］。甄仌等研究了臥式敞開式陳列柜在導(dǎo)流板式和蜂窩式兩種不同的出風(fēng)口型式下陳列柜的性能，研究發(fā)現(xiàn)出風(fēng)口形式為蜂窩式形成的風(fēng)幕優(yōu)于導(dǎo)流板式，并且在優(yōu)化后的蜂窩式的出風(fēng)口角度為-3 ℃，出風(fēng)口風(fēng)速為0.9 m/s，蜂窩層數(shù)為6層時效果最佳［11］。俞炳豐等在冷凍箱內(nèi)溫度場、速度場的計算模擬一文中通過建立物理模型和數(shù)學(xué)模型采用SIMPLE算法結(jié)合模擬在冷凍箱內(nèi)穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行計算結(jié)果與實(shí)測相吻合，并提出改善冷藏廂內(nèi)溫度分布均勻性的措施［12］。吳學(xué)紅等通過在冷藏柜內(nèi)設(shè)計帶有相變蓄冷材料的熱管擱架，熱管擱架僅改變了前后傳熱性能，并在此基礎(chǔ)上研究添加肋片后的傳熱性能，發(fā)現(xiàn)在蓄冷擱架上添加類肋片可以提高蓄冷擱架的蓄冷速率改善冷藏柜內(nèi)溫度分布［13］。吳國珊通過SIMPLE算法計算對比不同布置形式下的冷藏柜內(nèi)溫度分布并與試驗(yàn)進(jìn)行對比，結(jié)果表明，蒸發(fā)器沿前后側(cè)面布置時降溫速率最快換熱效果最好，平均降溫速率達(dá)到0.71 ℃/min，并且發(fā)現(xiàn)選取隔熱效果好的雙層中空玻璃門可提高保溫效果［14］。陳天及等在敞開式低溫陳列柜的送風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計研究一文中研究不同風(fēng)機(jī)數(shù)量和送風(fēng)口的風(fēng)速下冷藏柜的溫度分布、能耗等，研究發(fā)現(xiàn)采用雙風(fēng)機(jī)情況下，柜內(nèi)風(fēng)幕各層的送風(fēng)速度分布更加合理，溫度場均勻性提高22.29%，并且功率消耗降低［15］。呂彥力等對臥式敞開式冷藏柜內(nèi)溫度分布進(jìn)行數(shù)值模擬，得出食品包溫度隨著送風(fēng)速度的增加先降低后升高，存在最佳送風(fēng)速度值［16］。穆景陽等以超市陳列柜為研究對象采用有限元法對陳列柜的風(fēng)幕進(jìn)行CFD數(shù)值模擬，對陳列柜風(fēng)幕形成的機(jī)理和影響參數(shù)進(jìn)行分析并用試驗(yàn)驗(yàn)證［17］。陳天及等通過改變臥式敞開式低溫陳列柜送風(fēng)口結(jié)構(gòu)改變風(fēng)幕，結(jié)果表明改變送風(fēng)口后風(fēng)幕各層送風(fēng)速度沿長度方向提高29.2%，溫度場均勻性提高 27%，功率消耗減少 7.4%［18，19］。

因此，本文提出一種新的冷藏柜結(jié)構(gòu)送風(fēng)系統(tǒng)，并測試采用橫流風(fēng)機(jī)冷藏柜內(nèi)裝有食品包時內(nèi)部溫度場的分布，通過建立模型分析最佳送風(fēng)速度，旨為冷藏展示柜的節(jié)能降耗提供一定的理論指導(dǎo)。

2 試驗(yàn)裝置與方法

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置為水平風(fēng)幕敞開式冷藏展示柜，結(jié)構(gòu)尺寸0.7 m × 0.4 m × 0.3 m（長×寬×高），送風(fēng)系統(tǒng)采用橫流風(fēng)機(jī)（型號：04028-24V），風(fēng)機(jī)安裝在冷藏柜的頂部，右側(cè)布置有4個回風(fēng)口。制冷機(jī)組采用內(nèi)置式全封閉壓縮冷凝機(jī)組，制冷系統(tǒng)的制冷劑為R134a，無水乙二醇作為載冷劑。換熱器采用翅片管式換熱器，換熱器頂部直接與冷藏柜腔體底部隔板接觸。采用T型熱電偶測量相關(guān)溫度參數(shù)，使用前進(jìn)行標(biāo)定（精度為0.1 ℃）。采用型號為GP20無紙記錄儀記錄。采用型號為Testo425手持式熱敏風(fēng)速儀對風(fēng)幕不同位置風(fēng)速進(jìn)行測量。

2.2 試驗(yàn)步驟

首先對48個食品包的密封狀況進(jìn)行檢測，確保其密封完好，檢查后的食品包平整有序的放置于溫度為-10 ℃的冰箱冷凍室中，冷凍12 h，并確保完全凍結(jié)備用。完成熱電偶的標(biāo)定后開啟冷藏柜啟動開關(guān)使其降溫至顯示面板溫度為-2 ℃，進(jìn)行熱電偶的布置，冷藏柜內(nèi)熱電偶共6層，第1層固定在隔板上，其余5層固定在食品包表面（每8個食品包為一層），每層熱電偶之間間隔為3 cm，自下而上編號分別為第1～6層。熱電偶的溫度測點(diǎn)布置如圖1，2所示。

圖1 每層溫度測點(diǎn)布置

圖2 溫度測點(diǎn)

2.3 數(shù)值模擬

模型的簡化假設(shè)：

（1）將流動簡化為二維問題，認(rèn)為冷藏柜內(nèi)部在沿長度方向上是一致的；

（2）忽略冷藏柜內(nèi)因水蒸氣發(fā)生相變對內(nèi)部溫度場和速度場的影響；

（3）采用Boussinesq假設(shè)，忽略粘性耗散，假設(shè)除密度外其它物性為常數(shù)，密度變化只考慮動量方程中與體積有關(guān)的項(xiàng)；

（4）將空氣視為理想氣體，忽略外界空氣流動對冷藏柜的影響。

由以上簡化假設(shè)得風(fēng)幕數(shù)值模擬時采用的控制方程包括：

質(zhì)量連續(xù)方程：

式中 u,v——x，y方向上流體速度，m/s動量守恒方程：

式中 ρ——空氣的密度，kg/m3狀態(tài)方程：

式中 T——柜內(nèi)溫度，K

固體傳熱中涉及的方程：

圖4 保溫蓋閉合狀態(tài)下冷藏柜內(nèi)溫度分布

式中 h——傳熱系數(shù)，W/（m2·K）

Text——外部溫度，K

模擬不同風(fēng)幕出口風(fēng)速條件下溫度場和速度場的分布，網(wǎng)格劃分采用COMSOL中自帶的程序?qū)ξ锢韴鲞M(jìn)行劃分。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分

風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速0.8 m/s為最佳風(fēng)幕速度。本文模擬僅以風(fēng)幕出口風(fēng)速為0.8 m/s時冷藏柜保溫蓋開啟和保溫蓋閉合時溫度和速度分布為例。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 冷藏柜保溫蓋閉合狀態(tài)下溫度分布

將預(yù)冷過的食品包放入冷藏柜中，食品包的堆碼方式為層與層之間緊密疊加，熱電偶布置在食品包上，布置好熱電偶，待冷藏柜內(nèi)溫度穩(wěn)定后，取最后10 min內(nèi)溫度的平均值為每層測點(diǎn)溫度。測量數(shù)據(jù)由ORIGIN軟件進(jìn)行匯總，結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，第一層測點(diǎn)溫度穩(wěn)定值于-4.5 ℃左右，這主要是由于第一層測點(diǎn)布置在冷藏柜底部隔板上且緊靠蒸發(fā)器翅片所以其溫度明顯低于其它測點(diǎn)的溫度，第2層測點(diǎn)至6層熱電偶測點(diǎn)的溫度由-2.2 ℃依次升高到-1.2 ℃；當(dāng)食品包放入冷藏柜8～9 h后食品包溫度升到最高溫度從-1.7 ℃到-0.2 ℃不等；如圖5所示，隨后的約50 h時間中，外界環(huán)境溫度出現(xiàn)波動，溫度幅度約為2 ℃，冷藏柜內(nèi)的溫度隨著環(huán)境溫度的降低也出現(xiàn)小幅度降低，降溫約為0.3 ℃，與試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果相吻合［16］；在試驗(yàn)進(jìn)行到57 h時，環(huán)境溫度出現(xiàn)突然降低的現(xiàn)象，此時冷藏柜的內(nèi)外溫差減小，制冷系統(tǒng)的熱負(fù)荷減小，因此冷藏柜內(nèi)部溫度略有降低；之后環(huán)境溫度逐漸回升并穩(wěn)定，冷藏柜內(nèi)溫度也逐漸恢復(fù)穩(wěn)定。

圖5 環(huán)境溫度

3.2 冷藏柜保溫蓋開啟狀態(tài)下溫度分布

將升溫后的食品包取出并再次放入冰箱冷凍室中重新預(yù)冷10～12 h，待食品包重新冷凍后，放入冷藏柜中進(jìn)行保溫蓋開啟試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)由ORIGIN軟件處理后得如圖6所示曲線。

圖6 保溫蓋開啟狀態(tài)下冷藏柜內(nèi)溫度分布

從圖6可知，保溫蓋開啟狀態(tài)時冷藏柜中第1層測點(diǎn)的溫度最低且要略高于保溫蓋閉合狀態(tài)時冷藏柜的溫度，說明保溫蓋處于開啟狀態(tài)時，外界環(huán)境的影響可以擴(kuò)散至食品包的最底層；第2層至第6層各測點(diǎn)的溫度約在4 h左右后升至最高溫度，第2層溫度相對較低為-0.5 ℃，第3至5層測點(diǎn)的溫度基本一致為-0.1 ℃，而第6層測點(diǎn)的溫度最高為1.2 ℃，表明保溫蓋開啟狀態(tài)時外界環(huán)境對冷藏柜內(nèi)食品包溫度的影響主要集中在最上層。隨著貯藏時間的延長，第1層的測點(diǎn)的溫度逐漸降低至-4 ℃左右，與控制面板顯示的擱板溫度接近，第2層至第5層的溫度隨著時間的延長基本穩(wěn)定在0 ℃左右無明顯變化，而第6層測點(diǎn)溫度隨著時間的延長逐漸升高，最終穩(wěn)定在2.5 ℃左右。第23～40 h中，外界環(huán)境溫度持續(xù)降低，冷藏柜內(nèi)除第1層測點(diǎn)溫度有明顯下降而其余各層溫度基本保持不變，如圖7所示。在此情況下，冷藏柜主要通過推拉門與外界進(jìn)行熱交換，推拉門未采取特殊保溫措施，因此冷藏柜通過推拉門的冷量損耗較大。

圖7 環(huán)境溫度

3.3 有負(fù)載時層間溫差特點(diǎn)

冷藏柜有負(fù)載狀況下保溫蓋閉合狀態(tài)和開啟狀態(tài)下各層測點(diǎn)之間的溫差如圖8，9所示，從圖8中可以看出，1，2層測點(diǎn)之間的溫差可達(dá)到2.5 ℃，但其余相鄰各層測點(diǎn)之間的溫差均保持在0.5 ℃以內(nèi)，4，5層測點(diǎn)之間的溫差基本為0 ℃，表明這一區(qū)域內(nèi)冷藏柜內(nèi)溫度波動極?。粶y量區(qū)域的頂部5，6層之間的溫差為0.25 ℃左右，冷藏柜保溫蓋閉合時，柜內(nèi)有效儲藏區(qū)域面積至少可達(dá)60%，且頂部食品包上下部的溫差在0.25 ℃以內(nèi)。由圖9可以看出，保溫蓋開啟時相鄰各層之間溫差遠(yuǎn)大于保溫蓋閉合狀態(tài)時，其中1，2層之間的溫差最大，2，3層和5，6層之間的溫差均在1 ℃左右，而2，3層和3，4層之間的溫差小于0.5 ℃，柜內(nèi)上下之間的溫差變大。

圖8 冷藏柜保溫蓋閉合時溫差的變化

圖9 冷藏柜保溫蓋開啟時溫差的變化

3.4 溫度不均勻性分析

在冷藏柜運(yùn)行過程中可以根據(jù)測點(diǎn)實(shí)際溫度對冷藏柜的設(shè)定溫度進(jìn)行調(diào)控，在實(shí)際運(yùn)行中由于果蔬受柜內(nèi)外環(huán)境間熱交換的影響，造成柜內(nèi)實(shí)際溫度與設(shè)定的溫度值不符。由圖8可以看出冷藏保溫蓋閉合時第1層與第2層測點(diǎn)之間溫差均高于其他相鄰各層之間。除1，2層之間溫差之外，其余相鄰各層測點(diǎn)之間溫差均小于0.5 ℃。風(fēng)幕在回風(fēng)口處一部分經(jīng)回風(fēng)口流出，另一部分與壁面碰撞后，沿壁面向下流動形成端壁回流，在冷藏柜底部形成一個大的渦流，并且第1層溫度測點(diǎn)與冷藏柜底部隔板固定在一起，緊鄰蒸發(fā)器所以受蒸發(fā)器溫度影響較大溫度較低。冷藏柜保溫蓋開啟時，由圖9可以看出1，2層之間和5，6層之間溫度測點(diǎn)溫差較大其余相鄰各層溫差較小。冷藏柜保溫蓋開啟時，由于沒有玻璃門的約束，冷空氣從出口流出后，風(fēng)幕呈一定角度向上下擴(kuò)散，空氣幕的上面部分吸收了外界環(huán)境的熱量導(dǎo)致溫度升高，流動向上偏轉(zhuǎn)，最終流入外界環(huán)境中，冷藏柜的冷耗也隨之增加，空氣強(qiáng)制對流換熱起主要作用造成5，6層食品包溫度測點(diǎn)溫差較大；一部分經(jīng)回風(fēng)口回到蒸發(fā)器進(jìn)行換熱重新循環(huán)，還有小部分與壁面碰撞后向下偏轉(zhuǎn)形成端壁渦流，空氣的強(qiáng)制對流換熱和蒸發(fā)器的共同作用使得1，2層溫度測點(diǎn)產(chǎn)生較大的溫差，使冷藏柜在保溫蓋開啟的情況下僅中間部分溫度分布較均勻。

4 結(jié)論

（1）冷藏柜有負(fù)載時,保溫蓋閉合時冷藏柜內(nèi)食品包的溫度主要集中在-1.5 ℃（±0.5 ℃）左右，可以滿足大部分產(chǎn)品的冰點(diǎn)儲藏溫度；當(dāng)保溫蓋開啟時柜內(nèi)溫度主要集中在0℃（+0.5 ℃）左右，頂層的食品包溫度明顯高于其它層，相當(dāng)于充當(dāng)了蓄冷材料的隔熱作用，維持內(nèi)部相對較低的溫度。

（2）敞開式冷藏陳列柜保溫蓋閉合可以有效維持食品包的低溫且柜內(nèi)溫度均勻性較好溫度梯度較保溫蓋開啟時低，同時大大提高冷藏柜內(nèi)有效使用面積。

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