臥式敞開(kāi)式冷藏陳列柜送風(fēng)口的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

甄 仌 宋寶玉 楊 萍 王 鐵

紀(jì)志堅(jiān)2 劉佳瑋3 鄭大宇3

（1．哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2．大連經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)大連三洋冷鏈有限公司，遼寧 大連 116600；3．哈爾濱商業(yè)大學(xué)能源與建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150028）

臥式陳列柜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于顧客選購(gòu)，是超市中較常用的冷凍商品陳列柜裝置，主要用來(lái)存放和銷售凍結(jié)食品。通常由制冷系統(tǒng)、風(fēng)路系統(tǒng)、柜體以及柜內(nèi)食品空間組成，頂部敞開(kāi)，由風(fēng)幕將食品與柜外環(huán)境隔開(kāi)減少熱空氣的進(jìn)入。對(duì)于臥式敞開(kāi)式低溫陳列柜來(lái)說(shuō)，通過(guò)敞口滲入柜內(nèi)的熱負(fù)荷占整體熱負(fù)荷的65%以上［1］。

為了對(duì)臥式陳列柜的風(fēng)幕進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究者［2，3］做了一系列的努力。穆景陽(yáng)等［4］采用有限元法對(duì)某臥式超市陳列拒的風(fēng)幕進(jìn)行了數(shù)值分析，認(rèn)為風(fēng)口風(fēng)速存在優(yōu)化范圍。馮欣等［5］采用雷諾應(yīng)力模型對(duì)某臥式超市陳列柜的風(fēng)幕進(jìn)行了仿真計(jì)算，證明環(huán)境空氣的卷吸是風(fēng)幕熱負(fù)荷的主要來(lái)源，解決風(fēng)幕變形與耗散是設(shè)計(jì)高效節(jié)能陳列柜的關(guān)鍵。陳天及等［6］通過(guò)對(duì)某臥式敞開(kāi)式低溫陳列柜導(dǎo)流板式送風(fēng)口結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及風(fēng)幕送風(fēng)速度的優(yōu)化研究，得出由多塊整流板和導(dǎo)流板組成的臥式陳列柜導(dǎo)流板式風(fēng)幕送風(fēng)口可使冷風(fēng)幕風(fēng)層緩慢流動(dòng)，穩(wěn)定性好；存在一最佳的風(fēng)幕送風(fēng)速度，可依據(jù)陳列柜結(jié)構(gòu)合理優(yōu)化選擇。陳潔等［7］利用Phoenics軟件，通過(guò)對(duì)臥式陳列柜傳熱過(guò)程的分析，認(rèn)為考慮熱輻射模型的模擬結(jié)果更符合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并且須選擇合理的送風(fēng)速度。陳天及等［8］試驗(yàn)研究了總送風(fēng)口尺寸加寬、風(fēng)幕厚度增加對(duì)風(fēng)幕特性及陳列柜性能的影響。

參考前人［9，10］的研究，對(duì)陳列柜出風(fēng)口的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以優(yōu)化風(fēng)幕。本研究擬針對(duì)裝有M－包（作為瘦牛肉的試驗(yàn)替代品，熱物性與瘦牛肉相似）臥式陳列柜出口端面的兩種不同送風(fēng)口形式，即鈑金導(dǎo)流板式和正六邊形蜂窩（對(duì)邊間距為4mm）形式，在相同環(huán)境條件下通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定兩種出口端面形式的溫度場(chǎng)及其溫度波動(dòng)性。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)陳列柜出風(fēng)口進(jìn)行優(yōu)化。

1 臥式風(fēng)幕特性分析

臥式敞開(kāi)式冷藏陳列柜風(fēng)幕循環(huán)原理圖見(jiàn)圖1。臥式陳列柜多采用狹長(zhǎng)條狀出風(fēng)口，出風(fēng)口處用平型格柵控制出風(fēng)方向，回風(fēng)口上有金屬網(wǎng)格防止異物掉入［11］。目前臥式敞開(kāi)式常用的出風(fēng)口形式為導(dǎo)流板送風(fēng)口，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。此種送風(fēng)口是由導(dǎo)流板分隔形成的具有一定角度的狹長(zhǎng)風(fēng)道，對(duì)吹出的冷空氣起導(dǎo)流和調(diào)整的作用。

圖1 臥式敞開(kāi)式冷藏陳列柜風(fēng)幕循環(huán)原理圖Figure1 Schematic diagram of air curtain cycle of open horizontal refrigerated display cabinet

圖2 鈑金導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)圖示Figure2 Structure diagram of sheet metal guide plate

良好的風(fēng)幕要有合理的各層送風(fēng)溫度和送風(fēng)速度，以減少卷入的環(huán)境熱濕空氣及溢出的冷空氣，達(dá)到降低陳列柜能耗，改善性能的目的。同時(shí)，沿陳列柜長(zhǎng)度方向上二者的均勻性也要合理，這直接影響到陳列柜柜內(nèi)溫度分布的均勻性。除此之外，送回風(fēng)溫差也是風(fēng)幕性能的一個(gè)重要衡量標(biāo)準(zhǔn)，溫差太大會(huì)導(dǎo)致射流主軸下彎程度變大，流程變長(zhǎng)，從而導(dǎo)致環(huán)境熱空氣的總滲透量增大，而且，溫差增大還會(huì)導(dǎo)致各種傳熱方式的驅(qū)動(dòng)力變大，從而增加風(fēng)幕的冷損。

2 試驗(yàn)研究方法及方案

2．1 改變風(fēng)幕送風(fēng)口形式

嘗試采用立式常用的蜂巢式出風(fēng)口代替鈑金導(dǎo)流板出風(fēng)端口，即在出風(fēng)口吹出冷風(fēng)前加正六邊形蜂窩，以試驗(yàn)為手段，在兩種工況下運(yùn)行陳列柜并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的采集。試驗(yàn)使用臥式敞開(kāi)雙島式陳列柜，柜內(nèi)M－包按標(biāo)準(zhǔn)布置。

2．2 實(shí)驗(yàn)室

實(shí)驗(yàn)室設(shè)在某冷鏈公司的陳列柜實(shí)驗(yàn)室，環(huán)境控制室在陳列柜測(cè)試的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。與陳列柜風(fēng)幕方向相垂直的兩個(gè)壁面上分別布有送風(fēng)孔和回風(fēng)孔，用來(lái)控制送風(fēng)速度，并保證實(shí)驗(yàn)室內(nèi)氣流的平穩(wěn)，同時(shí)可以控制實(shí)驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境的溫度和濕度等條件保持恒定，以保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可信度。天花板和另外兩個(gè)相對(duì)壁面安裝時(shí)設(shè)置為絕熱，內(nèi)壁為金屬表面，地面為一定厚度的混凝土材料制成，保證良好的絕熱效果以防止測(cè)試環(huán)境被外界環(huán)境所干擾和影響。陳列柜按照冷藏陳列柜測(cè)試國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)布置在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。

試驗(yàn)測(cè)試使用的壓縮機(jī)及其控制裝置放置于實(shí)驗(yàn)室隔壁的設(shè)備間中。相關(guān)參數(shù)：電源電壓為220 V；功率為1 470 W；制冷劑為R404A。實(shí)驗(yàn)室由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，保持其環(huán)境在既定要求的范圍之內(nèi)。在陳列柜內(nèi)安插并設(shè)置好相對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)，即可由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)采集并記錄相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。采用的溫度測(cè)試元件為熱電偶，用于感應(yīng)陳列柜內(nèi)空氣流動(dòng)過(guò)程中相應(yīng)點(diǎn)的溫度。測(cè)試前需校準(zhǔn)熱電偶，測(cè)得熱電偶的溫度偏差在±1 ℃之內(nèi)，逐一校準(zhǔn)每個(gè)熱電偶后可以保證熱電偶的誤差在±0．5 ℃以內(nèi)。

2．3 主要試驗(yàn)設(shè)備及測(cè)試方案

2．3．1 敞開(kāi)式冷藏陳列柜 試驗(yàn)測(cè)試使用的陳列柜為某冷鏈公司生產(chǎn)的敞開(kāi)式冷藏陳列柜，該樣柜結(jié)構(gòu)具有普遍性，適合用于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。陳列柜主要用來(lái)存放、展示和銷售冷凍食品。陳列柜相關(guān)參數(shù)：外部材料和內(nèi)部材料均由鋼板構(gòu)成；保溫材質(zhì)為硬質(zhì)聚氨酯發(fā)泡；制冷劑為R404A；電壓為220V；頻率為50Hz。

2．3．2 溫度測(cè)點(diǎn)的布置和采集方法 試驗(yàn)中風(fēng)幕送風(fēng)溫度的測(cè)試按照GB／T 21001．2－2007標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行。溫度測(cè)試采用平行六面體的試驗(yàn)包，用于溫度測(cè)量、配備有感溫裝置的試驗(yàn)包稱為M－包，溫度傳感器安裝于試驗(yàn)包的幾何中心，并與填充材料直接接觸，采用的規(guī)格為500g（外形尺寸為50mm×100mm×100 mm），外形結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3；不加溫度傳感器的試驗(yàn)包規(guī)格為1 000g（50mm×100mm×200mm）。試驗(yàn)包和M－包的裝載見(jiàn)圖4。

由實(shí)際的測(cè)量可知，陳列柜開(kāi)機(jī)后，速度能在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定（一般10 min后）。陳列柜內(nèi)溫度的變化比較慢，一般28min后陳列柜溫度場(chǎng)與出風(fēng)溫度才比較穩(wěn)定。為保證所采集速度與溫度數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性，試驗(yàn)使用陳列柜開(kāi)機(jī)運(yùn)行35 min之后，試驗(yàn)值基本保持穩(wěn)定的溫度分布值和速度分布值作為陳列柜穩(wěn)態(tài)的溫度與速度分布。

圖3 M－包結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）Figure3 Structure diagram of M－package（unit：mm）

圖4 臥式敞開(kāi)雙島式陳列柜試驗(yàn)包裝載圖Figure4 Load diagram of open horizontal dual island display cabinet with test packages

3 結(jié)果與分析

3．1 出口端面為鈑金導(dǎo)流板

臥式敞開(kāi)式陳列柜一直采用的出口端面形式為鈑金導(dǎo)流板，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。由出風(fēng)口吹出的經(jīng)蒸發(fā)器冷卻的冷空氣，其速度和紊流度等都由鈑金導(dǎo)流板的形狀決定，是臥式陳列柜風(fēng)幕的主要特征參數(shù)之一。通過(guò)對(duì)出風(fēng)口、回風(fēng)口各處溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得到陳列柜實(shí)負(fù)荷溫控循環(huán)各測(cè)點(diǎn)的瞬態(tài)溫度值，統(tǒng)計(jì)得出瞬態(tài)溫度值中的最大值、最小值與平均值，見(jiàn)表1。由表1可知，A 溫濕度環(huán)境下，左側(cè)上回風(fēng)口和中間上回風(fēng)口兩處的溫度最大值偏高，其中中間上回風(fēng)口的平均值達(dá)到溫度要求；B溫濕度環(huán)境下，左側(cè)上回風(fēng)口、中間上回風(fēng)口和右側(cè)上回風(fēng)口3處的溫度最大值偏高，且其平均值也偏高，其中，中間上回風(fēng)口的最大值和平均值在三者中最高。溫度波動(dòng)性范圍為0．465～2．175 ℃。

3．2 出口端面為正六邊形蜂窩

出口端面為正六邊形蜂窩風(fēng)幕是立式敞開(kāi)式陳列柜一直采用的出口端面形式，由一段泡沫塑料板構(gòu)成正六邊形的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖5。正六邊形蜂窩風(fēng)幕具有良好的整流效果，使出風(fēng)口吹出的冷空氣速度均勻平穩(wěn)。

本試驗(yàn)采用的正六邊形蜂窩的對(duì)邊間距為4mm。通過(guò)對(duì)出風(fēng)口、回風(fēng)口各處溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得到陳列柜實(shí)負(fù)荷溫控循環(huán)各測(cè)點(diǎn)的瞬態(tài)溫度值，統(tǒng)計(jì)得出瞬態(tài)溫度值中的最大值、最小值與平均值，見(jiàn)表2。由表2可知，A 和B兩種溫濕度環(huán)境條件下，所有測(cè)點(diǎn)的溫度值均達(dá)到要求，整體制冷效果比出口端面為鈑金導(dǎo)流板好。溫度波動(dòng)性范圍為0．96～3．18 ℃。

表1 鈑金導(dǎo)流板實(shí)負(fù)荷溫控循環(huán)試驗(yàn)溫度測(cè)量值Table1 Temperature measurement value of controlled temperature cycling test with sheet metal guide plate and real load ／℃

圖5 正六邊形蜂窩風(fēng)幕實(shí)體照片F(xiàn)igure5 Picture of hexagonal honeycomb air curtain

表2 正六邊形蜂窩風(fēng)幕實(shí)負(fù)荷溫控循環(huán)試驗(yàn)溫度測(cè)量值Table2 Temperature measurement value of controlled temperature cycling test with hexagonal honeycomb air curtain and real load

3．3 兩種端面形式的比較分析

以各測(cè)點(diǎn)溫度的平均值作為溫度值，將鈑金導(dǎo)流板與正六邊形蜂窩兩種端面形式的溫度值進(jìn)行比較，見(jiàn)表3、4。由表3、4可知，采用正六邊形蜂窩風(fēng)幕可使柜內(nèi)出風(fēng)口和回風(fēng)口附近的溫度有不同程度的降低，溫度降低百分?jǐn)?shù)范圍為1．34%～45．62%，考慮到數(shù)據(jù)的可靠性，排除個(gè)別降低幅度過(guò)大或過(guò)小的測(cè)點(diǎn)及兩個(gè)溫度升高的測(cè)點(diǎn)后，得出大部分測(cè)點(diǎn)的平均溫度降低的幅度為11%～27．28%。整體來(lái)看，采用正六邊形蜂窩風(fēng)幕得到的低溫效果比原用的鈑金導(dǎo)流板風(fēng)幕的效果好。

表3 兩種端面柜內(nèi)溫度場(chǎng)比較Table3 Comparison of inner temperature field between two kinds of end

從溫度波動(dòng)性角度來(lái)看，采用正六邊形蜂窩風(fēng)幕后，在柜內(nèi)出風(fēng)口和回風(fēng)口附近的溫度波動(dòng)有不同程度的升高或降低，風(fēng)口的整體溫度波動(dòng)性比鈑金導(dǎo)流板出口端面有所升高，在兩種溫濕度環(huán)境條件下，其整體溫度波動(dòng)性分別升高15．73%和17．34%。雖然采用正六邊形蜂窩風(fēng)幕的風(fēng)口溫度波動(dòng)性比鈑金導(dǎo)流板式偏高，但其各處的溫度值比鈑金導(dǎo)流板式低，且所有測(cè)點(diǎn)的溫度均達(dá)到要求，由此來(lái)看，采用正六邊形蜂窩風(fēng)幕的出口端面形式可保證風(fēng)幕的低溫溫度，維持柜內(nèi)的低溫環(huán)境，是較為合理的選擇。

4 結(jié)論

本研究對(duì)用于臥式敞開(kāi)雙島式陳列柜的鈑金導(dǎo)流板、正六邊形蜂窩兩種送風(fēng)口形式進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較分析，采用正六邊形蜂窩風(fēng)幕后陳列柜大部分測(cè)點(diǎn)的溫度均有所下降。研究認(rèn)為采用正六邊形蜂窩風(fēng)幕代替鈑金導(dǎo)流板可以使臥式敞開(kāi)雙島式陳列柜滿足能效標(biāo)準(zhǔn)對(duì)柜內(nèi)溫度的要求，但溫度波動(dòng)性有所升高。在國(guó)家對(duì)陳列柜提出提高能效標(biāo)準(zhǔn)的要求后，本試驗(yàn)研究中臥式陳列柜采用蜂窩式送風(fēng)口有可能改變多年來(lái)行業(yè)內(nèi)一直采用導(dǎo)流板式送風(fēng)口的慣例，但是在陳列柜長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)際使用中有可能會(huì)出現(xiàn)冰堵阻礙氣流流動(dòng)等不利因素，需要在實(shí)踐中進(jìn)一步總結(jié)經(jīng)驗(yàn)并加以改進(jìn)。

表4 兩種端面風(fēng)口溫度波動(dòng)比較Table4 Comparison of temperature fluctuations between two kinds of end outlet

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