填充相变材料的复合搁架的传热与蓄冷特性

吴学红 李伟平 王立勋 赵鑫利 吕彦力 龚毅

（郑州轻工业学院能源与动力工程学院 郑州 450002）

填充相变材料的复合搁架的传热与蓄冷特性

吴学红 李伟平 王立勋 赵鑫利 吕彦力 龚毅

（郑州轻工业学院能源与动力工程学院 郑州 450002）

为改善冷藏陈列柜性能，降低柜内食品温度，抑制融霜期间食品温度的回升，利用热管的高导热性和相变材料的蓄冷特性，将冷藏陈列柜的搁架设计成由热管和相变材料构成的复合式搁架。通过实验研究填充三种相变材料（RT3、RT4、RT5）的搁架的传热和蓄冷特性以及对冷藏陈列柜中食品包温度的影响。实验结果显示：相比未改进的搁架，填充RT3的复合搁架上食品包温度降低13.7%～80.0%，温升减小53.3% ～70.0%；填充RT4的复合搁架上食品包温度降低20.0% ～83.3%，温升减小83.3%～87.5%；填充RT5的复合搁架上食品包温度回升减小66.7%～75.0%。三种复合搁架相比较，填充RT4的复合搁架上各层、各排食品包平均温度最低，均在5℃以内，因此RT4相变材料蓄冷效果最好。

蓄冷；相变材料；食品温度；热管；冷藏陈列柜

维持食品冷藏陈列柜内合适的温度，对保证食品质量和安全十分关键。冷藏陈列柜内温度分布受风幕效率、环境温湿度、背板结构、食品包摆放位置和融霜周期及持续时间等因素影响［1－2］。调查显示，60%的食品储藏温度为10℃或者更高，从分布位置来看，高温食品主要位于冷藏陈列柜搁架的前端，其中60%位于冷藏陈列柜的前端下部。对于不同类型的冷冻柜和冷藏柜，陈列柜内最高和最低温度的分布位置相似，但不同类型陈列柜能耗系数相差较大，这就为不同用户的冷藏需求和能源供给匹配提供了参考［3］。随着计算机技术的快速发展，CFD成为预测冷藏陈列柜内空气流动和温度分布的重要手段，在改善风幕性能、增加温度场均匀性和降低柜内食品温度等方面起到重要作用［4－6］。Laguerre O等［7］建立了冷藏陈列柜的简化换热模型，将导热、对流、辐射考虑在换热模型内，当外部环境温度发生变化时，预测柜内温度变化的范围和趋势。Cao Z等［8］利用改进的双流体（MTF）模型对立式敞开式陈列柜冷风幕及其四周气体流动和传热进行数值模拟，通过自适应支持向量机（ASVM）算法，建立陈列柜性能的优化函数，优化后的陈列柜单位展示面积每日耗电量减少19.3%，明显改善了陈列柜性能。食品冷藏是食品流通链的高耗能环节，其中冷藏陈列柜能耗占超市总能耗的50%［9］，带有相变蓄冷系统的设备可以在低电价时进行蓄冷，在高电价时停机并用蓄冷设备供冷，既有利于电网的削峰填谷，也给用户带来了较大的经济效益［10］。

相变材料种类繁多，相变温度覆盖广，广泛应用在航空航天、建筑、服装、军事、通讯、电力、制冷设备等领域。崔海亭等［11］将由相变材料组成的相变储能系统应用到吸热器中，不仅能加快储能、放能速度，而且吸热器的热利用效率明显提高。方贵银等［12］研究了相变蓄冷材料应用于空调系统时的性能，研究表明蓄冷材料具有较高的相变潜热、适宜的相变温度、以及较好的化学稳定性，能较好的提高空调性能。Sharma A等［13］和Oró E等［14］研究了不同类型的相变材料的物性及其应用，为冷藏陈列柜中低温相变材料的选择提供参考。近年来，一些学者研究了冷藏陈列柜制冷系统失效时，低温相变材料的应用对其性能的影响。Oró E等［15］通过对两种不同的低温相变材料数值模拟发现，即使制冷系统失效，相变材料也能较长时间的维持柜内低温环境。当相变板放置于冷冻柜的不同位置，断电3 h期间，相变材料能使柜内温度比普通冷冻柜温度低4～6℃，并使食品温度更长时间的维持在适宜的水平［16］。一些学者也研究了正常工况下，低温相变材料在冰箱和冷藏陈列柜中的应用对系统性能的影响。对于冰箱，若在冷凝器侧增加相变蓄热单元，当制冷系统工作时，相变材料依靠自身较高的热容量将冷凝热储存起来，使冷凝温度不致过高；当压缩机停机时，将热量释放到环境中，从而使冷凝器的换热性能得到提升，冷凝温度降低，蒸发温度升高，冷凝器出口过冷度增加；与普通冰箱相比，使能源效率增加12%左右［17］。若在蒸发器外表面增加相变材料平板，依靠相变材料的热惰性来强化蒸发器的换热，能使制冷系统的蒸发温度升高，提高系统能源效率［18－19］。对于冷藏陈列柜，若将装有相变材料的散冷器放置于蒸发器下游的背风板处，柜内温度和融霜期间温度回升降低，陈列柜节能量达5%［20］。Lu Y L等［21］实验研究了在冷藏陈列柜融霜周期内，由水和硼砂相变材料填充的复合搁架对柜内食品温度的影响，复合搁架可以有效地降低融霜时食品的温度回升，降低约1.5℃。前期研究结果显示用水和硼砂作为相变材料，能提升搁架的性能，因此本文进一步研究不同的相变材料（RT3、RT4、RT5）的蓄冷特性以及热管型复合搁架的传热特性。

1 物理模型

图1给出了复合搁架结构示意图。复合搁架是由热管和填充于热管间的相变材料组合而成。复合搁架利用热管的高导热性来改善沿柜深方向温度均匀性。利用相变材料的蓄冷特性，提高搁架长度方向的温度均匀性，同时在冷藏陈列柜融霜期间，会导致柜内温度回升，利用相变材料释放的潜热来抑制融霜期柜内温度的回升。为防止融霜期间热管的反向导热，将热管的蒸发端向上倾斜一定的角度［21］。

图1 复合搁架结构示意图Fig.1 Structural diagram of composite shelf

实验选取的三种相变材料RT3、RT4和RT5的相变温度分别为2.5℃、3.8℃和5.2℃。相变温度曲线如图2所示。三种相变材料是德国RUBITHERM公司生产的有机石蜡相变材料，它们是由不同的直链烷烃构成，包括正十二烷（C12）、正十三烷（C13）、正十四烷（C14）、正十五烷（C15）、正十六烷（C16）、正十七烷（C17）、正十八烷（C18）等，三种相变材料分别是由上述几种直链烷烃按不同重量比例混合而成。三种相变材料的热物性如表1所示。

2 实验装置及测试方法

实验是在恒温恒湿空调系统中进行，其实验环境条件及测试精度为：干球温度25℃，相对湿度60%，温度波动范围±1℃，相对湿度波动范围为±3%。冷藏陈列柜前水平风速保持在0.1～0.2 m／s之间。测试时开启冷藏陈列柜，直到稳定状态（48 h），开始测量实验数据，连续测试4个融霜周期。分别对普通搁架和复合搁架上食品包的温度进行测试。测试热电偶放置在食品包中心位置。食品包中心在搁架上的具体位置分布如图3所示。使用T型热电偶对3 ×3×3个（柜深方向×柜长方向×柜高方向）食品包的中心温度进行测量。

表1 相变材料的热物性Tab.1 Thermal properties of phase change materials

图2 RT3、RT4、RT5相变温度Fig.2 Phase change tem perature of RT3、RT4、RT5

图3 食品包中心位置Fig.3 Central position of food packages

3 实验结果及分析

3.1 前后排食品包温度分析

普通搁架与复合搁架上前排2号食品包温度随时间的变化关系如图4所示。其中普通搁架上2号食品包温度为4.75～6.25℃，融霜过程温升约1.5℃；RT3复合搁架上2号食品包温度为4.1～5.1℃，融霜过程温升约0.7℃，与普通搁架相比2号食品包温度降低了13.7% ～18.4%，温升减小约53.3%；RT4复合搁架上2号食品包温度为3.8～4.25℃，融霜过程温升约0.25℃，与普通搁架相比，2号食品包温度降低了20%～32%，温升减小约83.3%；RT5复合搁架上2号食品包温度为5.2～5.9℃，融霜过程温升0.5℃，温升减小66.7%。

图4 2号食品包温度对比Fig.4 Comparison of No.2 food package tem perature

普通搁架与复合搁架上后排5号食品包温度随时间的变化关系如图5所示。其中普通搁架上5号食品包温度为1.5～3.5℃，融霜过程温升约2℃。与普通搁架上食品包温度相比，RT3复合搁架上5号食品包温度降低了64.3%～80%，温升减小约70%；RT4复合搁架上5号食品包温度降低了78.6% ～83.3%，温升减小约87.5%；RT5复合搁架上5号食品包温度回升减小约75%。

由以上分析可知：普通搁架和复合搁架后排食品包温度均比前排食品包温度低，且后排食品包温度回升减小的幅度比前排食品包温度回升减小的幅度大，这是由于前排食品受风幕的温度和速度、超市内灯光辐射、热湿环境等外界环境的影响较大，并且风幕在流动过程中与外界进行热湿交换，温度逐渐升高，其对前排食品的冷藏效果逐渐降低；且从背风板渗流出来的冷空气在向前流动的过程中吸收食品的热量而温度升高，从而使后排食品包温度比前排温度低。

图5 5号食品包温度对比Fig.5 Comparison of No.5 food package temperature

RT3、RT4复合搁架上，前后排食品包在融霜周期内的温度均比普通搁架上食品包温度低，融霜期间温度回升均减小，表明系统融霜过程中，相变材料具有较好的蓄冷特性，虽然制冷系统停止工作，相变材料释放的冷量使得融霜过程中食品温度的回升得到抑制，食品温度的回升比改进前搁架上食品温度下降，且RT4复合搁架上食品最高温度控制在5℃以内，从而保证食品质量和安全。RT5复合搁架上前后排食品温度回升幅度在融霜期间均减小，但食品包温度没有降低，说明RT5相变材料的传热与蓄冷性能没有RT3和RT4相变材料好。

3.2 左右侧食品包温度分析

普通搁架和复合搁架上，一层前排左、右侧食品包温度随时间的变化关系如图6所示。从图中可以看出：使用复合搁架后左右侧食品包不仅温度减小，温度波动降低而且左右侧温差也减小。普通搁架上1号食品包温度为3.75～5.5℃，3号食品包温度为5.75～7℃，左右侧温差约为2℃；RT3复合搁架上1号食品包温度为4.1～5.0℃，3号食品包温度为4.3 ～5.25℃，左右侧食品包温差为0.2℃；RT4复合搁架上1号食品包温度为3.4～3.8℃，3号食品包温度为3.9～4.25℃，左右侧食品包温差为0.5℃；RT5复合搁架上1号食品包温度为4.9～6.0℃，3号食品包温度为5.0～6.1℃，左右侧食品包温度差为0.1℃。由此可见，由于复合搁架中相变材料的影响，搁架上左右侧食品包温度均匀性得到明显改善。

图6 左右侧食品包温度对比Fig.6 Com parison of food packages tem perature on left and right side

采用红外热像仪测量的RT4复合搁架的温度分布如图7所示。Sp1点的温度为4.1℃，Sp5点温度为4.2℃，即左右侧温度分布均匀。Sp2点温度3.4℃，Sp3点温度4.4℃，Sp4点温度4.7℃，即沿柜深方向，温度向外呈递增的趋势，但搁架上各测点温度均小于5℃。这与热电偶所测食品包温度变化趋势相吻合。从整体测试可以看出：热管型复合搁架的表面温度较为均匀，热管强化了前后排的传热，而填充的相变材料改善了左右排的传热。

图7 红外热像仪实测RT4复合搁架温度分布Fig.7 Tem perature distribution on composite shelf of RT4 by infrared camera

3.3 上下层食品包平均温度分析

普通搁架和复合搁架前排上下层食品包平均温度随时间的变化关系如图8所示。取一层前排1号、2号和3号食品包某时刻温度的平均值作为一层前排食品包在该时刻的平均温度，取三层前排对应位置食品包某时刻温度的平均值作为三层前排食品包在该时刻的平均温度。与普通搁架上食品包平均温度相比，填充三种相变材料的复合搁架上食品包平均温度均出现的结果是：一层食品包在融霜期间温度回升得到有效抑制，三层食品包在融霜期间温度回升基本不变。由于靠近搁架的底层食品包利用复合搁架中相变材料的蓄冷特性，有效抑制了食品包温度的回升和波动，使底层食品包温度在融霜期间不致升温过快。三种材料相比较，它们均在抑制食品包温度回升方面起到重要作用，但RT4复合搁架上食品包温度最低，且与文献中水和硼砂复合搁架相比，前排食品包平均温度降低0.5℃，后排食品包平均温度降低2℃，融霜时食品包平均温升降低0.1℃，各层、各排食品包平均温度均控制在5℃以内。

图8 上下层食品包平均温度对比Fig.8 Com parison of average tem perature of food packages on up and down layer

4 结论

本文对三种相变材料在冷藏陈列柜复合搁架中的传热与蓄冷特性进行实验研究，得出以下结论：

1）RT3、RT4复合搁架上，前排2号与后排5号食品包温度均比普通搁架上食品包温度低，且RT4复合搁架上食品包在融霜期间温度回升幅度最小。

2）使用复合搁架后，左右侧食品包不仅温度降低、温度波动减小而且左右侧温差也减小。说明由于复合搁架中相变材料的影响，三种复合搁架上左右侧食品包温度均匀性得到改善。

3）RT4复合搁架上食品包温度最低，与文献［21］中水和硼砂复合搁架相比，RT4复合搁架前排食品包平均温度降低0.5℃，后排食品包平均温度降低1～2℃，各层、各排食品包平均温度均控制在5℃以内，满足冷藏食品的储藏要求。

当三种相变材料应用于冷藏陈列柜时，在改善冷藏陈列柜性能方面均表现出一定的优势，但RT4相变材料在改善搁架温度均匀性和降低融霜期间食品包温度回升方面效果最明显。因此，RT4相变材料在冷藏陈列柜搁架上的蓄冷效果比RT3、RT5相变材料效果好。

本文受郑州领军人才项目（131PLJRC640）资助。（The pro⁃ject was supported by Innovation Scientists and Technicians Troop Construction Projects of Zhengzhou City（No.131PLJRC640）.）

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吴学红，男，博士，副教授，郑州轻工业学院能源与动力工程学院，（0371）63624373，E⁃mail：wuxh1212＠163.com。研究方向：制冷与低温设备节能技术、能源利用与环境控制等。现在进行的研究项目有：国家自然科学基金项目（51476148），河南省杰出青年基金项目和郑州领军人才项目（131PLJRC640）。

About the corresponding author

Wu Xuehong，male，Ph.D.，associate professor，School of Ener⁃gy and Power Engineering，Zhengzhou University of Light Indus⁃try，＋86 371⁃63624373，E⁃mail：wuxh1212＠163.com.Re⁃search fields：energy saving technology of refrigeration and cryo⁃genic device，energy utilization and environmental controls，et al. The author takes on project supported by the project of the Nation⁃al Natural Science Foundation of China（No.51476148），Excel⁃lent Youth Foundation of Henan Scientific Committee and Innova⁃tion Scientists and Technicians Troop Construction Projects of Zhengzhou City（No.131PLJRC640）.

The Heat Transfer and Cool Storage Characteristic of Com posite Shelf Filled with Phase Change Materials

Wu Xuehong Li Weiping Wang Lixun Zhao Xinli Lü Yanli Gong Yi

（School of Energy and Power Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou，450002，China）

Water In order to improve the performance of refrigerated display cabinet，decrease the food temperature and restrain the temperature fluctuation during defrosting，a kind of composite shelf is proposed in the food refrigerated display cabinet（RDC）based on the high⁃ther⁃mal conductivity of heat pipe and cool storage of phase change materials.The influence of three phase change materials of RT3，RT4，RT5 on the temperature of food packages，the characteristic of heat transfer and cool storage of composite shelf were investigated.Com⁃pared with the ordinary shelf，the food temperature on composite shelf of RT3 reduces by 13.7% －80.0%，temperature fluctuation de⁃creases 53.3%－70.0%；the food temperature on composite shelf of RT4 reduces by 20.0%－83.3%，temperature fluctuation decreases 83.3%－87.5%；the food temperature fluctuation on composite shelf of RT5 decreases 66.7%－75.0%.Compared with the other two composite shelves，the average food temperature of each floor and each row on composite shelf of RT4 is the lowest and within 5℃，thus the cool storage performance of phase change material of RT4 is the best.

cool storage；phase change materials；food temperature；heat pipe；refrigerated display cabinet

TK124；TB383

A

0253－4339（2015）04－0023－06

10.3969／j.issn.0253－4339.2015.04.023

简介

国家自然科学基金（51476148）资助项目。（The project was supported by the National Natural Science Foundation of China（No. 51476148）.）

2014年12月3日