臥式敞開式食品冷藏陳列柜出風(fēng)口設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

甄　仌,王　磊

(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)

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臥式敞開式食品冷藏陳列柜出風(fēng)口設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

甄仌,王磊

(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)

臥式敞開式食品冷藏陳列柜的冷藏性能與出風(fēng)口的形式有很大關(guān)聯(lián),為了達(dá)到更佳的食品冷藏效果和節(jié)能的目的,針對兩種不同形式的出風(fēng)口(導(dǎo)流板式和蜂窩式)的臥式敞開式食品冷藏陳列柜,在裝載有冷凍負(fù)載(M包)的情況下進(jìn)行柜內(nèi)溫度場的實(shí)驗(yàn)測試與數(shù)值模擬,并對蜂窩式出風(fēng)口的出風(fēng)角度、蜂窩層數(shù)及出風(fēng)速度進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明:優(yōu)化前使用蜂窩式出風(fēng)口時(shí),M包最高溫度低于使用導(dǎo)流板式出風(fēng)口時(shí),但回風(fēng)溫度更高。經(jīng)過優(yōu)化,蜂窩式出風(fēng)口的出風(fēng)角度-3°、蜂窩層數(shù)6層、出風(fēng)速度0.9 m/s時(shí),回風(fēng)溫度及M包最高溫度均低于使用導(dǎo)流板時(shí)。因此,使用優(yōu)化后的蜂窩式出風(fēng)口可使陳列柜冷藏效果及節(jié)能水平得到有效提升。

臥式敞開式,食品冷藏陳列柜,出風(fēng)口,優(yōu)化

臥式敞開式食品冷藏陳列柜由于其良好的冷藏效果,充分的展示能力,優(yōu)美的造型和方便顧客選購的特點(diǎn),日益受到大型超市和商場的青睞。陳列柜冷藏室上部敞開,通過出風(fēng)口吹出的冷空氣形成風(fēng)幕將展示食品和高溫環(huán)境隔開。研究表明,對于一臺臥式敞開式冷藏陳列柜,整體熱負(fù)荷的65%以上是通過風(fēng)幕進(jìn)入的[1],風(fēng)幕的性能會影響陳列柜內(nèi)的溫度分布[2]。陳列柜風(fēng)幕優(yōu)化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是出風(fēng)口的優(yōu)化[3-4]。出風(fēng)口優(yōu)化后具有更好的性能,可以節(jié)約能源、減少熱負(fù)荷、改善柜內(nèi)溫度分布。

目前的研究主要集中在出風(fēng)口出風(fēng)后的風(fēng)幕流動傳熱特性上,針對出風(fēng)口本身結(jié)構(gòu),尤其是蜂窩式出風(fēng)口的研究較少[5-6]。本文以裝有M包的臥式敞開式食品冷藏陳列柜為研究對象,針對兩種出風(fēng)口(導(dǎo)流板式和蜂窩式),運(yùn)用Fluent軟件數(shù)值模擬柜內(nèi)溫度場分布,實(shí)驗(yàn)測量所裝載M包的溫度。通過模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,對比分析兩種出風(fēng)口對臥式敞開式食品冷藏陳列柜內(nèi)溫度的影響,并對蜂窩式出風(fēng)口結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化結(jié)果可使冷藏效果及節(jié)能水平得到有效提升,并對蜂窩式出風(fēng)口在臥式敞開式食品冷藏陳列柜上的應(yīng)用價(jià)值具有重要的參考作用。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

冷凍負(fù)載M包(規(guī)格50 mm×100 mm×100 mm)、冷凍負(fù)載實(shí)驗(yàn)包(規(guī)格50 mm×100 mm×200 mm)松下冷鏈有限公司研發(fā)部實(shí)驗(yàn)室;六邊形蜂窩 透明PVC材料,壁厚0.1 mm,對邊4 mm,青島同力得塑料蜂巢有限公司。

TVQ-EXC089型臥式敞開式食品冷藏陳列柜松下冷鏈有限公司;熱電偶、溫濕度檢測儀松下冷鏈有限公司研發(fā)部實(shí)驗(yàn)室。

圖1　陳列柜結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Schematic of display cabinet structure

1.2實(shí)驗(yàn)及模擬方法

1.2.1實(shí)驗(yàn)方法在條件A(環(huán)境平均溫度26.11 ℃,平均濕度58.92%)、條件B(環(huán)境平均溫度24.72 ℃,平均濕度59.96%)的情況下,針對導(dǎo)流板式出風(fēng)口的陳列柜和蜂窩式出風(fēng)口的陳列柜,測量出風(fēng)口附近溫度、回風(fēng)口附近溫度及M包溫度。M包按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T21001.2-2007布置,如圖2所示。長度方向取左、中、右三個(gè)位置靠近出風(fēng)口和回風(fēng)口位置最上層和最下層的M包進(jìn)行溫度測量。

圖2　一側(cè)風(fēng)口的M包布置圖Fig.2　M package layout of one side

1.2.2模擬方法使用Fluent軟件進(jìn)行模擬。

1.2.2.1模型的簡化和假設(shè)本文所模擬的島式陳列柜其結(jié)構(gòu)在寬度方向?qū)ΨQ,送回風(fēng)口、風(fēng)機(jī)及蒸發(fā)器均分別對稱設(shè)置,故兩側(cè)柜內(nèi)溫度場分布特性相同,只取一側(cè)進(jìn)行模擬計(jì)算。由于陳列柜結(jié)構(gòu),長度方向遠(yuǎn)大于其他方向尺寸,故流動換熱簡化為二維問題。采用帶浮升力的k-ε雙方程模型模擬臥式陳列柜內(nèi)部空氣的紊流流動。

1.2.2.2邊界條件處理柜內(nèi)冷凍負(fù)載熱物性參數(shù)按瘦牛肉(密度1.5 kg/m3,定壓熱容3230 J/(kg·K),導(dǎo)熱系數(shù)0.523 W/(m·K))設(shè)置,流體區(qū)域溫度按照實(shí)驗(yàn)條件A、B的平均值(25.42 ℃)設(shè)置,陳列柜及壁面維護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置為絕熱,送風(fēng)溫度-28 ℃,送風(fēng)速度0.7 m/s。

1.2.2.3網(wǎng)格劃分出風(fēng)口處結(jié)構(gòu)復(fù)雜,尺寸變化大,由于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對復(fù)雜外形的貼體網(wǎng)格生成比較困難而非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格比較靈活,網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的分布是隨意的,網(wǎng)格生成較為容易。因此采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方法。網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3　網(wǎng)格劃分圖Fig.3　Schematic of grid division

1.2.2.4出風(fēng)角度優(yōu)化規(guī)定出風(fēng)口向上傾斜角度為正,向下傾斜為負(fù)。依次對采用蜂窩式出風(fēng)口,且出風(fēng)角度為-15°、-10°、-5°、-4°、-3°、-2°、0°、5°、10°、15°的陳列柜進(jìn)行數(shù)值模擬。非優(yōu)化參數(shù)按1.2.2.2節(jié)內(nèi)容設(shè)置。

1.2.2.5蜂窩層數(shù)優(yōu)化出風(fēng)角度取優(yōu)化后最佳參數(shù)。依次對采用蜂窩式出風(fēng)口,且蜂窩層數(shù)為4層、5層、6層、7層、8層的陳列柜進(jìn)行數(shù)值模擬。非優(yōu)化參數(shù)按1.2.2.2節(jié)內(nèi)容設(shè)置。

1.2.2.6出風(fēng)速度優(yōu)化出風(fēng)角度、蜂窩層數(shù)取優(yōu)化后最佳參數(shù)。依次對采用蜂窩式出風(fēng)口,且出風(fēng)速度為0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2 m/s的陳列柜進(jìn)行數(shù)值模擬。非優(yōu)化參數(shù)按1.2.2.2節(jié)內(nèi)容設(shè)置。

1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

使用Tecplot 360 EX對模擬結(jié)果進(jìn)行后處理;Origin 7.5進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及繪圖。

2　結(jié)果與討論

2.1兩種出風(fēng)口的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與分析

從表1、表2所示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上可以看出,采用蜂窩式出風(fēng)口時(shí),各測點(diǎn)的平均溫度均低于采用導(dǎo)流板出風(fēng)口時(shí)各測點(diǎn)平均溫度。采用蜂窩式出風(fēng)口形成的風(fēng)幕的冷藏效果優(yōu)于采用導(dǎo)流板式出風(fēng)口形成的風(fēng)幕。

表1　條件A兩種出風(fēng)口M包實(shí)驗(yàn)溫度測量平均值(℃)Table 1　Average value of M package temperature measurement under the condition A of two outlets(℃)

表2　條件B兩種出風(fēng)口M包實(shí)驗(yàn)溫度測量平均值(℃)Table 2　Average value of M package temperature measurement under the condition B of two outlets(℃)

2.2兩種出風(fēng)口的模擬結(jié)果與分析

從溫度場模擬結(jié)果中可以看出,由出風(fēng)口吹出的冷空氣形成的風(fēng)幕,在被回風(fēng)口吸入的過程中不斷地將外界熱空氣卷吸進(jìn)來,進(jìn)行傳熱傳質(zhì)交換,氣流溫度不斷升高,因此裝載M包的上層接近出風(fēng)口的位置溫度要低于接近回風(fēng)口位置的溫度,而裝載M包的下層不與風(fēng)幕接觸,其溫度主要受陳列柜底部蒸發(fā)器影響,故各點(diǎn)溫度變化趨勢差距不明顯。

圖4　導(dǎo)流板式出風(fēng)口陳列柜溫度場Fig.4　Temperature field of display cabinet with guide plate outlet

圖5　蜂窩式出風(fēng)口陳列柜溫度場Fig.5　Temperature field of display cabinet with honeycomb outlet

從表3的對比結(jié)果中可以看出,采用蜂窩式出風(fēng)口可以獲得較導(dǎo)流板出風(fēng)口更低的M包冷卻溫度,冷藏效果更好,但回風(fēng)溫度卻高于導(dǎo)流板出風(fēng)口。因此,考慮對蜂窩式出風(fēng)口進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,在保證較低的M包冷卻溫度的同時(shí)降低回風(fēng)溫度。

表3　兩種形式出風(fēng)口模擬結(jié)果對比(℃)Table 3　Comparison of two kinds of simulation results of air outlet(℃)

2.3實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果的對比與分析

從表4中可以看出,無論出風(fēng)口是何種形式,回風(fēng)口附近的絕對誤差均大于出風(fēng)口附近的絕對誤差。這是由于模擬假設(shè)忽略了初始狀態(tài)下室內(nèi)空氣流動及輻射與風(fēng)幕的熱量交換,且模型假設(shè)在理想的熱濕交換條件下的緣故。在模擬的條件下風(fēng)幕流動過程中與環(huán)境間的換熱情況較實(shí)驗(yàn)測試情況簡單的多,故上述部分熱量的交換沒有被考慮進(jìn)來,因此回風(fēng)口附近模擬結(jié)果普遍偏低。從整體對比結(jié)果來看,雖然模擬值較實(shí)驗(yàn)值存在一定偏差,但通常認(rèn)為數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化趨勢相符,數(shù)據(jù)基本符合,即可認(rèn)為模擬值可以反映實(shí)際值的變化情況。因此,可認(rèn)為本文所建立的模擬計(jì)算模型對后續(xù)的陳列柜參數(shù)優(yōu)化具有一定的有效性。

表4　風(fēng)幕溫度實(shí)驗(yàn)值與模擬值的對比(℃)Table 4　Air curtain temperature contrast between experimental and simulated values(℃)

2.4出風(fēng)口參數(shù)優(yōu)化結(jié)果與分析

2.4.1出風(fēng)角度優(yōu)化結(jié)果與分析不同出風(fēng)角度對應(yīng)的回風(fēng)溫度如圖6,隨著出風(fēng)角度的逐漸增大,M包最高溫度變化不大,回風(fēng)溫度先減小后增大。因?yàn)榉忾]性是影響陳列柜冷卻效果和回風(fēng)溫度的主要原因之一,由于浮升力和重力的作用，當(dāng)出風(fēng)角度過大時(shí)氣流下彎程度變大,冷空氣流程變長,從而導(dǎo)致熱滲透增加、冷卻能力下降、回風(fēng)溫度升高;當(dāng)出風(fēng)角度過小時(shí),在回風(fēng)口附近氣流先向上彎折然后向下彎折進(jìn)入回風(fēng)口,大大增加了與空氣的熱交換強(qiáng)度,回風(fēng)溫度升高。因此存在一個(gè)最佳角度使回風(fēng)溫度達(dá)到最低。出風(fēng)角度在-3°時(shí),即為最佳出風(fēng)角度。此時(shí),回風(fēng)溫度-22.55 ℃,M包最高溫度-10.1 ℃。

圖6　出風(fēng)角度對回風(fēng)溫度及M包最高溫度的影響Fig.6　Effect of different air supply angle on return air temperature and the highest temperature of M package

2.4.2蜂窩層數(shù)優(yōu)化結(jié)果與分析由圖7可以看出,隨著蜂窩層數(shù)的增加,回風(fēng)溫度先降低隨后又升高,蜂窩為6層時(shí),回風(fēng)溫度達(dá)到最低值;M包中最高溫度,在蜂窩為4、5、6層時(shí)變化甚微,蜂窩層數(shù)增加到7層時(shí),M包最高溫度上升速度加快。這是因?yàn)樵诳傦L(fēng)量不變的條件下,蜂窩層數(shù)直接影響到送風(fēng)速度和整流效果,進(jìn)一步影響陳列柜內(nèi)食品冷卻溫度和回風(fēng)溫度。蜂窩層數(shù)較少時(shí),出風(fēng)速度較大,冷量外溢較多,導(dǎo)致回風(fēng)溫度較高,隨著蜂窩層數(shù)增加,出風(fēng)速度減小,冷量外溢程度變小,回風(fēng)溫度降低,但隨著蜂窩層數(shù)的持續(xù)增加,出風(fēng)速度不斷減小,風(fēng)幕的完整性下降,造成回風(fēng)溫度上升。因此,蜂窩層數(shù)存在最佳值。綜合回風(fēng)溫度及M包中最高溫度變化曲線,可認(rèn)為蜂窩層數(shù)為6層時(shí)為最優(yōu)。此時(shí),回風(fēng)溫度-22.58 ℃,M包最高溫度-10.27 ℃。

圖7　蜂窩層數(shù)對回風(fēng)溫度及M包最高溫度的影響Fig.7　Effect of different honeycomb layer on return air temperature and the highest temperature of M package

2.4.3出風(fēng)速度優(yōu)化結(jié)果與分析不同出風(fēng)速度時(shí)冷量損失情況如圖8所示。隨著出風(fēng)速度的增加,冷量損失逐漸減少,風(fēng)速0.9 m/s時(shí),冷量損失達(dá)到最低點(diǎn),風(fēng)速超過0.9 m/s后,冷量損失迅速增大。這是因?yàn)槌鲲L(fēng)速度低時(shí),冷量的損失主要是因?yàn)闊o法形成完整的風(fēng)幕,從而使柜內(nèi)與外界空氣無法很好地隔絕開來,增加出風(fēng)速度可使隔絕效果增強(qiáng),冷量損失減少;但出風(fēng)速度高過某一最佳值時(shí),風(fēng)幕與外界空氣紊流強(qiáng)度增大,產(chǎn)生的換熱損失也大大增加了,且由于過高的速度,相當(dāng)一部分的冷氣流沒有被吸進(jìn)回風(fēng)口,而是直接進(jìn)入空氣中,冷量損失顯著增大。出風(fēng)速度0.9 m/s即為最佳值。此時(shí),回風(fēng)溫度-23.29 ℃,M包最高溫度-11.56 ℃,與優(yōu)化前表3中的蜂窩式出風(fēng)口的模擬結(jié)果相比較,回風(fēng)溫度降低4.12 ℃,M包最高溫降低2.31 ℃。

圖8　出風(fēng)速度對冷量損失的影響Fig.8　Effect of different air supply velocity on cold quantity loss

3　結(jié)論

采用蜂窩式出風(fēng)口形成的風(fēng)幕冷藏效果優(yōu)于采用導(dǎo)流板式出風(fēng)口。針對蜂窩式出風(fēng)口進(jìn)行了出風(fēng)角度、蜂窩層數(shù)、出風(fēng)速度的數(shù)值優(yōu)化,蜂窩式出風(fēng)口在出風(fēng)角度-3°、蜂窩層數(shù)6層、出風(fēng)速度0.9 m/s時(shí)達(dá)到了最優(yōu)的使用效果?；仫L(fēng)溫度和M包最高溫度較優(yōu)化前分別降低4.12 ℃和2.31 ℃。優(yōu)化后的出風(fēng)口在冷藏效果及節(jié)能水平上具有的明顯優(yōu)勢,勢必會推動蜂窩式出風(fēng)口的應(yīng)用前景。

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Design parameter optimization of outlet for open horizontal food refrigerated display cabinet

ZHEN Bing,WANG Lei

(School of Energy and Architectural Engineering,Harbin University of Commerce,Harbin 150028,China)

The refrigeration performance of the open horizontal food refrigerated display cabinet is greatly related to the form of the outlet.In order to achieve better food refrigeration effect and energy saving purpose,the experimental test and numerical simulation of the temperature field in the cabinet of two different forms of the outlet(guide plate type and the honeycomb type)with M package of refrigeration load were done.Air supply angle,honeycomb layers and air supply velocity of honeycomb type outlet were optimized.The results showed that before the optimization of the honeycomb outlet,the highest temperature of the M package was lower than that of the guide plate outlet,but the air temperature was higher.The resualts showed that when the outlet of the honeycomb angle was -3°,the honeycomb layer was 6,and the supply velocity was 0.9 m/s,the return air temperature and the highest temperature of M package were both lower than that of the guide plate.Therefore,the optimization of the honeycomb outlet could improve the refrigeration effect,achieve energy saving.

open horizontal;food refrigerated display cabinet;outlet;optimization

2015-09-17

甄仌(1973-),男,博士,研究方向:食品冷凍冷藏、制冷系統(tǒng)優(yōu)化,E-mail:zb730812@sina.com。

哈爾濱商業(yè)大學(xué)研究生創(chuàng)新科研資金項(xiàng)目(YJSCX2014-296HSD)。

TS205.7

A

1002-0306(2016)09-0273-04

10.13386/j.issn1002-0306.2016.09.044