冰箱內(nèi)快速冰鎮(zhèn)飲料的技術(shù)分析與探討

劉宏宇 程春明 陳開松 張魁倉

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

近年來，我國學(xué)者對速冷和低溫技術(shù)進(jìn)行大量了研究。逯兆棟[1]等以快速冰鎮(zhèn)啤酒為試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，主要研究了一種風(fēng)、直冷的雙制冷方式，利用鋁合金材質(zhì)超導(dǎo)托盤，采用了冷藏單獨(dú)空間集中送風(fēng)的方式，將普通冷藏室冰鎮(zhèn)啤酒需要的60～90 min縮短到了5～20 min，為冷藏速冷技術(shù)提供了技術(shù)方案。

劉永輝[2]等闡述了大容積風(fēng)冷冰箱的設(shè)計難度在于冰箱風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、風(fēng)口位置及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過CFD仿真技術(shù)建立了大容積風(fēng)冷冰箱的風(fēng)機(jī)風(fēng)道模型并展開了分析，根據(jù)分析結(jié)果運(yùn)用離心風(fēng)機(jī)替代方案提升了出風(fēng)口風(fēng)量、改善了風(fēng)道流程分布，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了方案的正確性和可行性。

陳肖依[3]通過對急速冷凍技術(shù)中的降溫曲線和制冷性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)急速冷凍箱在開始降溫后，蒸發(fā)器溫度會立即接近最低蒸發(fā)溫度，過低的蒸發(fā)溫度導(dǎo)致進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑流量降低，急速冷凍效率未得到充分發(fā)揮，論文中提出了提高急速冷凍箱降溫速度的有效途徑是將蒸發(fā)溫度與箱內(nèi)溫度相匹配，并詳細(xì)給出了提高蒸發(fā)壓力、提高蒸發(fā)溫度和減小蒸發(fā)器過熱度的具體辦法。

葉斌[4]對低溫冰箱箱體的設(shè)計過程展開了研究，闡述了低溫冰箱箱體與普通冰箱箱體的設(shè)計區(qū)別和低溫冰箱箱內(nèi)溫度均勻性較差的問題，通過建立臥式低溫冰箱內(nèi)空氣流動與換熱的物理和數(shù)學(xué)模型，采用了SIMPLE算法、整體求解法、有限容積法和有限元分析法對自然對流穩(wěn)態(tài)溫度場的分布進(jìn)行計算機(jī)仿真研究，最后，在大量計算與分析的基礎(chǔ)上，給出了優(yōu)化箱內(nèi)空氣溫度分布均勻性的措施。

1 快速冰鎮(zhèn)的有效措施

1.1 冰鎮(zhèn)影響因素

實(shí)現(xiàn)快速冰鎮(zhèn)飲料主要是依靠冰箱的速冷技術(shù)，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料[5-8]，結(jié)合傳熱公式Q=K*A*△T（傳熱量=傳熱系數(shù)*傳熱面積*平均溫差），得出和冰箱相關(guān)的影響速冷的因素有間室初始溫度、間室蒸發(fā)器冷量、間室風(fēng)機(jī)風(fēng)量、抽屜內(nèi)冷風(fēng)流向以及冰鎮(zhèn)輔助裝置的結(jié)構(gòu)和材料特征。其中，初始溫度、蒸發(fā)器冷量、風(fēng)機(jī)風(fēng)量和抽屜內(nèi)冷風(fēng)流向由冰箱運(yùn)行參數(shù)和抽屜結(jié)構(gòu)決定；而冰鎮(zhèn)輔助裝置是借助外界材料提升冰鎮(zhèn)效果的一種技術(shù)措施。

1.2 影響因素簡要分析

間室初始溫度決定了飲料冰鎮(zhèn)時的初始環(huán)境溫度，間室溫度越低，飲料與間室溫度的溫差越大。例如，-18 ℃的冷凍室與一瓶25 ℃的飲料之間有43 ℃的溫差，而處于-32 ℃速凍狀態(tài)下的冷凍室與飲料之間可以達(dá)到57 ℃的溫差，在溫差數(shù)值上增加了32 %。

增加間室蒸發(fā)器冷量和增加間室風(fēng)機(jī)風(fēng)量的原理類似，均以提升間室單位時間內(nèi)的供冷量為辦法，加快飲料降溫速度。

通過優(yōu)化抽屜內(nèi)冷風(fēng)流向，提升單位時間內(nèi)掠過飲料表面的冷風(fēng)量，盡可能進(jìn)一步降低飲料周圍的流動空氣溫度。

從傳熱學(xué)的角度出發(fā)，熱傳導(dǎo)的換熱效率遠(yuǎn)高于熱對流，因此通過增加金屬結(jié)構(gòu)的冰鎮(zhèn)輔助裝置，將飲料放在冰鎮(zhèn)輔助裝置中，通過改變傳熱方式提升風(fēng)冷冰箱內(nèi)冰鎮(zhèn)飲料的速度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

為了保證試驗(yàn)結(jié)果的一致性和準(zhǔn)確性，采用330 ml聽裝飲料作為試驗(yàn)對象，以將兩聽25 ℃的飲料降溫至10 ℃所花費(fèi)的時間作為比對數(shù)據(jù)。

為了避免冰箱冷凍開、停機(jī)帶來的影響，在進(jìn)行冰鎮(zhèn)測試時進(jìn)入冰箱維修程序。若需要制冷狀態(tài)，則開啟固定轉(zhuǎn)速壓縮機(jī)，電磁閥調(diào)至冷凍室毛細(xì)管處，開啟冷凍風(fēng)機(jī)和冷凝風(fēng)機(jī)，其他間室風(fēng)機(jī)均關(guān)閉；若需要停機(jī)狀態(tài)，則關(guān)閉壓縮機(jī)和冷凍風(fēng)機(jī)。

2.2 冰箱參數(shù)

試驗(yàn)1首先摸底了將飲料放入停機(jī)狀態(tài)下的-18 ℃冷凍室中的情況，完成一次冰鎮(zhèn)需要耗時28 min。

試驗(yàn)2將兩聽飲料放入-18 ℃冷凍室開啟制冷狀態(tài)，測試冰鎮(zhèn)耗時23 min。對比冷凍室停機(jī)狀態(tài)下的數(shù)據(jù)縮短了21 %，主要原因在于飲料周邊空氣溫度處于制冷降溫的過程，制冷風(fēng)機(jī)和蒸發(fā)器提供了持續(xù)不斷的低溫冷風(fēng)。

試驗(yàn)3將兩聽飲料放入-24 ℃冷凍室內(nèi)并開啟制冷，測試冰鎮(zhèn)耗時18 min。因飲料周邊溫度的進(jìn)一步降低，換熱溫差進(jìn)一步加大。

綜合前3項(xiàng)試驗(yàn)，在不改變冰箱箱體結(jié)構(gòu)的前提下，可以通過調(diào)整冰箱運(yùn)行參數(shù)將冰鎮(zhèn)時長從28 min縮短到18 min，減少了35 %的時間。

2.3 抽屜內(nèi)冷風(fēng)流向的影響

為了進(jìn)一步降低飲料周邊溫度，試驗(yàn)中改動了抽屜的結(jié)構(gòu)，采用了前端中下部開孔和側(cè)邊中下部開孔兩種方案，使更多的制冷冷風(fēng)經(jīng)過飲料表面，從抽屜孔洞中流出。

在試驗(yàn)2的試驗(yàn)條件基礎(chǔ)上，對兩種抽屜開孔方案進(jìn)行了冰鎮(zhèn)試驗(yàn)，測試冰鎮(zhèn)耗時均在23 min左右，并沒有明顯縮短冰鎮(zhèn)時間。推測原抽屜冷風(fēng)量已經(jīng)充足，進(jìn)一步增加掠過飲料表面的冷風(fēng)量已經(jīng)無太大影響。通過建立CFD仿真模型，發(fā)現(xiàn)抽屜開孔并沒有很大程度上降低抽屜內(nèi)部的溫度。如圖1～3所示，空氣流場發(fā)生了變化，但是抽屜中飲料放置處的溫度最多只降低了1 ℃，對冰鎮(zhèn)時間沒有明顯的縮短。

2.4 冰鎮(zhèn)輔助裝置

從聽裝飲料自身特點(diǎn)出發(fā)，考慮利用其圓柱形的形狀特征進(jìn)一步縮短冰鎮(zhèn)時間。

使用冰鎮(zhèn)輔助裝置的目的在于增加聽裝飲料與低溫介質(zhì)的接觸面積，金屬換熱本身比空氣換熱強(qiáng)，但是金屬換熱后自身溫度會逐漸上升，為了維持住金屬件的低溫，本試驗(yàn)中使用了蓄冷材料，利用蓄冷材料長時間的冷量儲藏，在冰鎮(zhèn)所需的短時間內(nèi)對飲料進(jìn)行冷量集中釋放，以達(dá)到加速冰鎮(zhèn)的目的。

通過測量聽裝飲料的外形尺寸，設(shè)計了平板形狀和圓凹槽形狀的冰鎮(zhèn)輔助裝置，如圖4所示，通過改變圓凹槽接觸面弧度的大小，設(shè)計了60 °、120 °和180 °接觸度的冰鎮(zhèn)輔助裝置結(jié)構(gòu)，在金屬面下方為蓄冷材料，封裝后實(shí)物如圖5。

圖1 原抽屜溫度分布圖

圖2 抽屜前端中下部開孔溫度分布圖

圖3 抽屜側(cè)邊中下部開孔溫度分布圖

圖4 冰鎮(zhèn)輔助裝置剖面結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 實(shí)物圖

在使用冰鎮(zhèn)功能前，將冰鎮(zhèn)輔助裝置提前放置于冷凍室內(nèi)蓄冷，試驗(yàn)時將冰箱狀態(tài)調(diào)節(jié)到試驗(yàn)3的狀態(tài)，即間室溫度設(shè)定為-24 ℃，開啟制冷狀態(tài)。測試結(jié)果如表1。

表1 試驗(yàn)4～7測試數(shù)據(jù)

圖6 試驗(yàn)結(jié)果對比圖

通過表1明顯可以看出，金屬件對聽裝飲料的冰鎮(zhèn)有30 %以上的時間影響，隨著凹槽接觸度的增大，冰鎮(zhèn)時間進(jìn)一步縮短。因此對聽裝飲料而言，冰箱中低溫空氣的換熱能力小于低溫金屬件直接接觸的換熱能力，在冰箱中若要實(shí)現(xiàn)快速冰鎮(zhèn)，有必要從熱傳導(dǎo)的角度出發(fā)，將低溫冷源與被冰鎮(zhèn)飲料直接接觸，并且盡可能增大單位接觸面積。

從理論推算上看，若能實(shí)現(xiàn)聽裝飲料與低溫金屬件全接觸，可以實(shí)現(xiàn)2 min以內(nèi)完成冰鎮(zhèn)，通過將聽裝飲料放入持續(xù)制冷的-24 ℃低溫酒精槽中，這一推算得到了原理試驗(yàn)驗(yàn)證。

總結(jié)以上所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖6，通過對冰箱運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整，將冰鎮(zhèn)時長從28 min縮短到5 min，總共縮短了82 %的時間。

3 結(jié)論

通過以上試驗(yàn)和分析，總結(jié)出以下幾點(diǎn)：

1）將冰箱間室保持在低溫狀態(tài)是最簡單有效的方法，可以通過保持制冷狀態(tài)、設(shè)定更低的制冷溫度實(shí)現(xiàn)。

2）間室抽屜中的冷風(fēng)流向?qū)Ρ?zhèn)時間的影響不大，主要原因是風(fēng)溫沒有得到明顯降低。

3）從熱傳導(dǎo)的角度出發(fā)，針對聽裝飲料的結(jié)構(gòu)特征，制作與其直接接觸的冰鎮(zhèn)輔助裝置可以減少30 %以上的冰鎮(zhèn)時間，單位接觸面積越大冰鎮(zhèn)時間越短，并且效果越發(fā)明顯。