間冷冰箱冷藏室冷藏性能的數(shù)值研究

黃興宗，鐘 音，凌長明

(1.廣東海洋大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，廣東 湛江 518108；2.廣東海洋大學(xué)深圳研究院，廣東 深圳 524088)

0 引言

目前市面上的冰箱主要分為直冷和間冷兩種。他們各有優(yōu)劣，但間冷冰箱總體上要優(yōu)于直冷。間冷冰箱不會像直冷冰箱那樣容易結(jié)霜，食物與食物彼此也不會粘連不清。并且，間冷冰箱里的空氣是不斷循環(huán)的，且會通過除臭系統(tǒng)的過濾，冰箱內(nèi)部的味道可以長時間保持清新。此外，間冷冰箱比直冷冰箱的溫度控制更準(zhǔn)確。間冷冰箱逐漸成為主流，所以研究如何提高間冷冰箱的冷藏室的冷藏性能是十分必要的。

近年來對于間冷式冰箱的數(shù)值研究，主要集中在間冷式冰箱的箱體模型、風(fēng)道系統(tǒng)以及流場和溫度場等方面。如張守杰借助于CFD技術(shù)對某款風(fēng)冷冰箱的風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化[1]。西安交通大學(xué)的張耀吉通過改變風(fēng)冷冰箱的送風(fēng)角度，發(fā)現(xiàn)隨送風(fēng)角度的減小，冷藏室各層的平均溫度降低,箱內(nèi)溫度分布更加均勻，但箱內(nèi)溫度場改善的效果也逐漸減弱[2]。清華大學(xué)的王坦提出了體積元法和局部劃分法相結(jié)合的模塊劃分方法，運(yùn)用數(shù)值計算得出間冷冰箱空氣循環(huán)系統(tǒng)中各部分間的能量流動特性[3]。Md. Imran H. Khan、L.Abdolmaleki、劉忠寶等人為了解決冰箱冷藏室溫度波動較大的問題，提出在冷藏室應(yīng)用相變蓄冷材料的方法,并取得不錯的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[4-6]。上海交通大學(xué)的曾憲順為改進(jìn)間冷式酒柜內(nèi)溫度場均勻性，提出風(fēng)口布置、隔板布置、頂部風(fēng)幕布置、風(fēng)口方向設(shè)計這四種初步的方案，得出優(yōu)化組合四種方案可達(dá)到最佳均溫性能的結(jié)論[7]。昆明理工大學(xué)的姜宏比較不同邊界條件及不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)下的內(nèi)部流場情況,明確了參數(shù)變化與其內(nèi)部流場的關(guān)系[8]。Engin S?ylemez用CFD對HHR I、HHR II和HHR III三種類型的冰箱進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)HHR II和HHR III在新鮮食品隔間內(nèi)的氣流速度和溫度分布更加均勻[9]。Hasan Avc1用CFD與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對冰箱的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果與優(yōu)化前相比，冰箱的性能提高了7.7%[10]。河南理工大學(xué)的盛偉、李飛發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)離出風(fēng)口的位置氣流基本停滯，不利于內(nèi)部氣流的換熱，于是通過提高入風(fēng)口的氣流速度、在抽屜的底部開孔來增加上下的氣流流動可以提高腔室的溫度分布均勻性[11]。

但是在風(fēng)口結(jié)構(gòu)和送風(fēng)射流參數(shù)上的研究比較少。由于從送風(fēng)口送入冷藏室的冷空氣為非等溫有限空間射流，根據(jù)經(jīng)典流體力學(xué)射流理論，在非等溫射流的空間內(nèi)，空氣分布與送風(fēng)口位置、送風(fēng)射流參數(shù)有關(guān)[12]。其中送風(fēng)口的形狀、位置和送風(fēng)射流參數(shù)又是影響氣流組織和溫度分布的主要因素[13]。所以本文的研究方案是設(shè)置三組對照試驗(yàn)，分別驗(yàn)證三種不同類型出風(fēng)口如圖1不同角度出風(fēng)口和風(fēng)速對冷藏室溫度均勻性和溫降效果的影響。

圖1 圓形出風(fēng)口、一字形出風(fēng)口、側(cè)邊送風(fēng)出風(fēng)口

1 模型建立

1.1 物理模型

對某款家用間冷冰箱的冷藏室進(jìn)行模型簡化，簡化后的二維結(jié)構(gòu)圖如圖2。該間冷冰箱的蒸發(fā)器位于冰箱下部，冷藏室獲得冷量的方法是間冷冰箱風(fēng)道系統(tǒng)內(nèi)的風(fēng)扇將蒸發(fā)器的冷量通過風(fēng)道系統(tǒng)送入冷藏室，實(shí)現(xiàn)制冷功能。

圖2 冷藏室

1.2 主要假設(shè)和說明

為了簡化數(shù)值模擬，對模型提出一些假設(shè)和說明：

(1)由于冰箱運(yùn)行過程中，冷藏室溫度是周期性波動的，送風(fēng)口為間斷送風(fēng)，所以視本次研究的問題是瞬態(tài)問題，應(yīng)該保留控制微分方程中的時間項(xiàng)；

(2)間冷冰箱的換熱方式為強(qiáng)制對流為主，忽略自然對流的影響；

(3)計算區(qū)域內(nèi)的空氣為牛頓流體；

(4)固體壁面上流體為無滑移；

(5)計算區(qū)域內(nèi)的氣體可視為理想氣體；

(6)假設(shè)出風(fēng)口溫度均勻恒定且風(fēng)向垂直于冷藏室出風(fēng)口截面；

(7)忽略冷藏室內(nèi)各表面間的輻射換熱；

(8)計算區(qū)域內(nèi)流體的流動狀態(tài)為層流流動。

1.3 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)模型和假設(shè)，建立連續(xù)性方程、動量守恒方程、能量守恒方程以及組分方程

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

p=ρRT

(6)

上式6個控制方程包含6個未知量，u、v、w、p、T和ρ，理論上6個方程組可封閉求解6個未知數(shù)。式中的u、v、w為x、y、z這3個方向的速度，T為溫度，ρ為密度，t為時間，p為壓力，μ為動力粘度，R為摩爾氣體常數(shù)，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，Cp為定壓比熱。

1.4 邊界條件與初始條件

驗(yàn)證三種不同類型出風(fēng)口、不同角度出風(fēng)口對冷藏室溫度均勻性和溫降效果的影響的邊界條件列于表1。

表1 邊界條件

驗(yàn)證風(fēng)速對冷藏室溫度均勻性和溫降效果的影響的邊界條件與前兩個對照組基本一致，僅在入風(fēng)口速度上有差異。

三個對照組的初始條件為計算區(qū)域內(nèi)溫度場均勻且為278 K，速度場為0。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 三種不同類型出風(fēng)口的對比及分析

分別對一字出風(fēng)口和圓形出風(fēng)口以及側(cè)邊出風(fēng)口進(jìn)行瞬態(tài)數(shù)值模擬30 s，得到30 s后的溫度場和流場，將所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到平均溫度和溫度標(biāo)準(zhǔn)差，制成柱狀圖3、圖4。

圖3 平均溫度對比

圖4 溫度標(biāo)準(zhǔn)差對比

從溫度看，圓形出風(fēng)口溫降效果最好，一字形出風(fēng)口次之，側(cè)邊送風(fēng)效果最差。但是依照溫度標(biāo)準(zhǔn)差來評價溫度的均勻性，又恰好相反，側(cè)邊送風(fēng)溫度均勻性最好，一字形次之，圓形風(fēng)口最差。

在CFD-POST中分別導(dǎo)出圓形出風(fēng)口、一字形和側(cè)邊送風(fēng)的x=0.2平面的溫度云圖，如圖5。觀察到在圓形出風(fēng)口射出的冷空氣維持了一段比較長的距離，即在垂直于出風(fēng)口的位置的空氣溫度都比較低。其原因是由于圓形出風(fēng)口所送的風(fēng)穿透性比較強(qiáng)，擴(kuò)散能力比較弱，導(dǎo)致大部分的冷量都集中在出風(fēng)口射流處，所以這里的溫度比較低。而其他地方因?yàn)榉峙涞降睦淞可?，所以溫度?biāo)準(zhǔn)差比較高。因此雖然圓形出風(fēng)口平均溫度很低，但是并不均勻。而側(cè)邊送風(fēng)類型的冷藏室各層的平均溫度雖然比其他類型出風(fēng)口的要高，但是從各層的溫度標(biāo)準(zhǔn)差看，側(cè)邊送風(fēng)溫度要均勻得多。從該云圖可以看出，和其他兩種類型的出風(fēng)口對比，側(cè)邊送風(fēng)的冷藏室云圖的顏色比較單一，說明溫度分布均勻。側(cè)邊送風(fēng)溫度比較高是由于出風(fēng)口所吹的風(fēng)緊貼冷藏室后壁，所以整個冷藏室溫度較低的部分集中在后壁上。而我們比較關(guān)心的位置和取點(diǎn)位置主要集中在冷藏室的中部。

圖5 圓形、一字形、側(cè)邊送風(fēng)出風(fēng)口x=0.2平面溫度云圖

2.2 不同角度出風(fēng)口的對比及分析

為解決側(cè)邊送風(fēng)類型溫降效果不佳的缺點(diǎn)，但又要保持側(cè)邊送風(fēng)溫度比較均勻的效果，筆者提出以下改進(jìn)方案。依舊保持側(cè)邊送風(fēng)的送風(fēng)類型，但是在出風(fēng)口處增加一定的傾斜角，使得所吹出來的風(fēng)的速度方向與壁面有一定的角度，而不直接沖擊到左右壁面上。設(shè)置了0°、10°、15°、20°、30°的傾斜角，將模擬的結(jié)果處理成折線圖6、圖7。

圖6 上層溫度和溫度標(biāo)準(zhǔn)差隨著傾斜角變化

圖7 中層溫度和溫度標(biāo)準(zhǔn)差隨著傾斜角變化

從上中兩層的折線圖可以看出，隨著出風(fēng)口傾斜角越來越大，溫度有下降的趨勢，而標(biāo)準(zhǔn)差卻有上升的趨勢。當(dāng)出風(fēng)口傾斜角為90°時，出風(fēng)口的類型就變成了一字形出風(fēng)口，當(dāng)出風(fēng)口傾斜角為0°時，出風(fēng)口的類型就變成了完全側(cè)邊出風(fēng)口。從上中層的變化趨勢看，我們可以認(rèn)為一字形出風(fēng)口和完全側(cè)邊送風(fēng)出風(fēng)口是兩個極端，而擁有一定角度的側(cè)邊送風(fēng)出風(fēng)口介于之間。因此，從溫降效果看，傾斜角越大，溫降效果越好，當(dāng)傾斜角為90°時最好，即為一字形出風(fēng)口；從溫度均勻性看，傾斜角越小，溫度分布越均勻，當(dāng)傾斜角為0°時最好，即完全側(cè)邊送風(fēng)。

2.3 不同出風(fēng)速度的對比及分析

在出風(fēng)口面積不變的情況下改變流速，流速的大小及對應(yīng)的出風(fēng)口雷諾數(shù)如表2。

表2 不同流速下對應(yīng)的雷諾數(shù)

對不同流速的情況下進(jìn)行模擬將模擬的結(jié)果處理成折線圖8、圖9。

從上中兩層溫度和溫度標(biāo)準(zhǔn)差隨著雷諾數(shù)變化而變化的折線圖我們可以看出總體的趨勢為冷藏室的溫度和溫度標(biāo)準(zhǔn)差隨著雷諾數(shù)的增大而呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。分析其中的原因，我們發(fā)現(xiàn)隨著出口雷諾數(shù)的變大，冷藏室內(nèi)的空氣的流速也隨著變大，流速越大空氣摻混越厲害，溫度越均勻。因此，可以說流速的提高有助于提高冷藏室內(nèi)溫度的均勻性。雖然冷藏室內(nèi)的溫度隨著雷諾數(shù)增大下降明顯，但是由于隨著雷諾數(shù)的增大，出風(fēng)口流速增大，在出風(fēng)口面積不變的情況下，進(jìn)入冷藏室的冷量也變多，因此冷藏室溫度也會愈低。所以本研究方案并不能看出流速的增大對冷藏室的溫降效果是否有影響，因此我們進(jìn)行了方案二的研究和探討。

圖8 上層溫度和溫度標(biāo)準(zhǔn)差隨著雷諾數(shù)變化

圖9 中層溫度和溫度標(biāo)準(zhǔn)差隨著雷諾數(shù)變化

在改變流速的同時改變出風(fēng)口的面積，使得進(jìn)入冷藏室的冷量一致，流速的大小及對應(yīng)的出風(fēng)口雷諾數(shù)如表3。

表3 不同流速下對應(yīng)的雷諾數(shù)

對不同流速的情況下進(jìn)行模擬將模擬的結(jié)果處理成折線圖10、圖11。

圖10 上層溫度和溫度標(biāo)準(zhǔn)差隨著雷諾數(shù)變化

圖11 中層溫度和溫度標(biāo)準(zhǔn)差隨著雷諾數(shù)變化

從上中兩層溫度和溫度標(biāo)準(zhǔn)差隨著雷諾數(shù)變化而變化的折線圖我們可以看出總體的趨勢為冷藏室的溫度標(biāo)準(zhǔn)差隨著雷諾數(shù)的增大而呈現(xiàn)明顯的下降趨勢而冷藏室內(nèi)的溫度卻比較平緩，變化不大。分析其中的原因，我們發(fā)現(xiàn)隨著出口雷諾數(shù)的變大，冷藏室內(nèi)的空氣的流速也隨著變大。因此，可以得出同方案一同樣的結(jié)論：流速的提高有助于冷藏室內(nèi)溫度更加均勻。冷藏室內(nèi)的溫度隨著雷諾數(shù)的提高并沒有什么變化。因此結(jié)合方案一的模擬結(jié)果，可知方案一中冷藏室溫度隨雷諾數(shù)提高而明顯降低的原因是由于冷量增加引起的，而單純的增加流速并不會影響冷藏室的溫降效果。

3 結(jié)論

(1)從溫降效果看，圓形出風(fēng)口效果最好，一字形出風(fēng)口次之，側(cè)邊送風(fēng)效果最差；從溫度場均勻性上看，側(cè)邊送風(fēng)最好，一字形次之，圓形風(fēng)口最差。因此在設(shè)計的過程中，可根據(jù)自己的需求，在溫降效果和均勻溫度場之間進(jìn)行權(quán)衡，選擇合適的出風(fēng)口類型。

(2)對于具有一定出風(fēng)角度的側(cè)邊送風(fēng)出風(fēng)口，隨著傾斜角越大，溫降效果越好，而溫度場的均勻性反之。在設(shè)計過程中若是想獲得不錯的溫降效果的同時又具有比較好的均勻溫度場，可選擇具有某個角度的側(cè)邊送風(fēng)出風(fēng)口。

(3)流速的提高有助于提高冷藏室溫度的均勻性。而是在出風(fēng)口流量一定的前提下，流速的提高對溫降效果沒有明顯影響。