保温盖对冷藏展示柜内温度分布的影响

邸倩倩，王亚会，刘 斌，孙小峰，关文强

1 前言

冷藏展示柜广泛应用于超市或零售商店中，用于展示、销售食品和其他商品。以超市为例，冷藏展示柜消耗电量约占总电能消耗的2/3［1］，因此能耗是冷藏柜最重要的性能指标之一，降低能耗已成为冷藏柜设计研发的重点。近些年，以Hayes等对风幕系统的研究为标志揭开了降低敞开式冷藏柜的能耗和维持柜内温度的稳定等方面的研究［2～7］。孟祥兆等通过建立了立式多搁架陈列柜风幕及柜内空气流动和换热的二维数学模型,并运用SIMPLER算法进行了数值计算，证明了模型假设的正确性［8］。吕彦力等利用人工神经网络技术建立了各影响因素与冷藏柜负荷间的非线性模型，对敞开式冷藏陈列柜的负荷进行预测［9］。IGary等在提高前开放式超市冷藏陈列柜空气分布一文中通过试验研究对比背部开孔模型和前方空气模型对温度均匀性和节能效果的影响，发现当空气幕流量为70%背部穿孔板流量分配为30%时冷藏柜温度场的均匀性和节能性能产生较理想的效果［10］。甄仌等研究了卧式敞开式陈列柜在导流板式和蜂窝式两种不同的出风口型式下陈列柜的性能，研究发现出风口形式为蜂窝式形成的风幕优于导流板式，并且在优化后的蜂窝式的出风口角度为-3 ℃，出风口风速为0.9 m/s，蜂窝层数为6层时效果最佳［11］。俞炳丰等在冷冻箱内温度场、速度场的计算模拟一文中通过建立物理模型和数学模型采用SIMPLE算法结合模拟在冷冻箱内稳定状态进行计算结果与实测相吻合，并提出改善冷藏厢内温度分布均匀性的措施［12］。吴学红等通过在冷藏柜内设计带有相变蓄冷材料的热管搁架，热管搁架仅改变了前后传热性能，并在此基础上研究添加肋片后的传热性能，发现在蓄冷搁架上添加类肋片可以提高蓄冷搁架的蓄冷速率改善冷藏柜内温度分布［13］。吴国珊通过SIMPLE算法计算对比不同布置形式下的冷藏柜内温度分布并与试验进行对比，结果表明，蒸发器沿前后侧面布置时降温速率最快换热效果最好，平均降温速率达到0.71 ℃/min，并且发现选取隔热效果好的双层中空玻璃门可提高保温效果［14］。陈天及等在敞开式低温陈列柜的送风系统进行优化设计研究一文中研究不同风机数量和送风口的风速下冷藏柜的温度分布、能耗等，研究发现采用双风机情况下，柜内风幕各层的送风速度分布更加合理，温度场均匀性提高22.29%，并且功率消耗降低［15］。吕彦力等对卧式敞开式冷藏柜内温度分布进行数值模拟，得出食品包温度随着送风速度的增加先降低后升高，存在最佳送风速度值［16］。穆景阳等以超市陈列柜为研究对象采用有限元法对陈列柜的风幕进行CFD数值模拟，对陈列柜风幕形成的机理和影响参数进行分析并用试验验证［17］。陈天及等通过改变卧式敞开式低温陈列柜送风口结构改变风幕，结果表明改变送风口后风幕各层送风速度沿长度方向提高29.2%，温度场均匀性提高 27%，功率消耗减少 7.4%［18，19］。

因此，本文提出一种新的冷藏柜结构送风系统，并测试采用横流风机冷藏柜内装有食品包时内部温度场的分布，通过建立模型分析最佳送风速度，旨为冷藏展示柜的节能降耗提供一定的理论指导。

2 试验装置与方法

2.1 试验装置

试验装置为水平风幕敞开式冷藏展示柜，结构尺寸0.7 m × 0.4 m × 0.3 m（长×宽×高），送风系统采用横流风机（型号：04028-24V），风机安装在冷藏柜的顶部，右侧布置有4个回风口。制冷机组采用内置式全封闭压缩冷凝机组，制冷系统的制冷剂为R134a，无水乙二醇作为载冷剂。换热器采用翅片管式换热器，换热器顶部直接与冷藏柜腔体底部隔板接触。采用T型热电偶测量相关温度参数，使用前进行标定（精度为0.1 ℃）。采用型号为GP20无纸记录仪记录。采用型号为Testo425手持式热敏风速仪对风幕不同位置风速进行测量。

2.2 试验步骤

首先对48个食品包的密封状况进行检测，确保其密封完好，检查后的食品包平整有序的放置于温度为-10 ℃的冰箱冷冻室中，冷冻12 h，并确保完全冻结备用。完成热电偶的标定后开启冷藏柜启动开关使其降温至显示面板温度为-2 ℃，进行热电偶的布置，冷藏柜内热电偶共6层，第1层固定在隔板上，其余5层固定在食品包表面（每8个食品包为一层），每层热电偶之间间隔为3 cm，自下而上编号分别为第1～6层。热电偶的温度测点布置如图1，2所示。

图1 每层温度测点布置

图2 温度测点

2.3 数值模拟

模型的简化假设：

（1）将流动简化为二维问题，认为冷藏柜内部在沿长度方向上是一致的；

（2）忽略冷藏柜内因水蒸气发生相变对内部温度场和速度场的影响；

（3）采用Boussinesq假设，忽略粘性耗散，假设除密度外其它物性为常数，密度变化只考虑动量方程中与体积有关的项；

（4）将空气视为理想气体，忽略外界空气流动对冷藏柜的影响。

由以上简化假设得风幕数值模拟时采用的控制方程包括：

质量连续方程：

式中 u,v——x，y方向上流体速度，m/s动量守恒方程：

式中 ρ——空气的密度，kg/m3状态方程：

式中 T——柜内温度，K

固体传热中涉及的方程：

图4 保温盖闭合状态下冷藏柜内温度分布

式中 h——传热系数，W/（m2·K）

Text——外部温度，K

模拟不同风幕出口风速条件下温度场和速度场的分布，网格划分采用COMSOL中自带的程序对物理场进行划分。网格划分结果如图3所示。

图3 网格划分

风机出口风速0.8 m/s为最佳风幕速度。本文模拟仅以风幕出口风速为0.8 m/s时冷藏柜保温盖开启和保温盖闭合时温度和速度分布为例。

3 试验结果与分析

3.1 冷藏柜保温盖闭合状态下温度分布

将预冷过的食品包放入冷藏柜中，食品包的堆码方式为层与层之间紧密叠加，热电偶布置在食品包上，布置好热电偶，待冷藏柜内温度稳定后，取最后10 min内温度的平均值为每层测点温度。测量数据由ORIGIN软件进行汇总，结果如图4所示。

从图4中可以看出，第一层测点温度稳定值于-4.5 ℃左右，这主要是由于第一层测点布置在冷藏柜底部隔板上且紧靠蒸发器翅片所以其温度明显低于其它测点的温度，第2层测点至6层热电偶测点的温度由-2.2 ℃依次升高到-1.2 ℃；当食品包放入冷藏柜8～9 h后食品包温度升到最高温度从-1.7 ℃到-0.2 ℃不等；如图5所示，随后的约50 h时间中，外界环境温度出现波动，温度幅度约为2 ℃，冷藏柜内的温度随着环境温度的降低也出现小幅度降低，降温约为0.3 ℃，与试验模拟结果相吻合［16］；在试验进行到57 h时，环境温度出现突然降低的现象，此时冷藏柜的内外温差减小，制冷系统的热负荷减小，因此冷藏柜内部温度略有降低；之后环境温度逐渐回升并稳定，冷藏柜内温度也逐渐恢复稳定。

图5 环境温度

3.2 冷藏柜保温盖开启状态下温度分布

将升温后的食品包取出并再次放入冰箱冷冻室中重新预冷10～12 h，待食品包重新冷冻后，放入冷藏柜中进行保温盖开启试验，试验数据由ORIGIN软件处理后得如图6所示曲线。

图6 保温盖开启状态下冷藏柜内温度分布

从图6可知，保温盖开启状态时冷藏柜中第1层测点的温度最低且要略高于保温盖闭合状态时冷藏柜的温度，说明保温盖处于开启状态时，外界环境的影响可以扩散至食品包的最底层；第2层至第6层各测点的温度约在4 h左右后升至最高温度，第2层温度相对较低为-0.5 ℃，第3至5层测点的温度基本一致为-0.1 ℃，而第6层测点的温度最高为1.2 ℃，表明保温盖开启状态时外界环境对冷藏柜内食品包温度的影响主要集中在最上层。随着贮藏时间的延长，第1层的测点的温度逐渐降低至-4 ℃左右，与控制面板显示的搁板温度接近，第2层至第5层的温度随着时间的延长基本稳定在0 ℃左右无明显变化，而第6层测点温度随着时间的延长逐渐升高，最终稳定在2.5 ℃左右。第23～40 h中，外界环境温度持续降低，冷藏柜内除第1层测点温度有明显下降而其余各层温度基本保持不变，如图7所示。在此情况下，冷藏柜主要通过推拉门与外界进行热交换，推拉门未采取特殊保温措施，因此冷藏柜通过推拉门的冷量损耗较大。

图7 环境温度

3.3 有负载时层间温差特点

冷藏柜有负载状况下保温盖闭合状态和开启状态下各层测点之间的温差如图8，9所示，从图8中可以看出，1，2层测点之间的温差可达到2.5 ℃，但其余相邻各层测点之间的温差均保持在0.5 ℃以内，4，5层测点之间的温差基本为0 ℃，表明这一区域内冷藏柜内温度波动极小；测量区域的顶部5，6层之间的温差为0.25 ℃左右，冷藏柜保温盖闭合时，柜内有效储藏区域面积至少可达60%，且顶部食品包上下部的温差在0.25 ℃以内。由图9可以看出，保温盖开启时相邻各层之间温差远大于保温盖闭合状态时，其中1，2层之间的温差最大，2，3层和5，6层之间的温差均在1 ℃左右，而2，3层和3，4层之间的温差小于0.5 ℃，柜内上下之间的温差变大。

图8 冷藏柜保温盖闭合时温差的变化

图9 冷藏柜保温盖开启时温差的变化

3.4 温度不均匀性分析

在冷藏柜运行过程中可以根据测点实际温度对冷藏柜的设定温度进行调控，在实际运行中由于果蔬受柜内外环境间热交换的影响，造成柜内实际温度与设定的温度值不符。由图8可以看出冷藏保温盖闭合时第1层与第2层测点之间温差均高于其他相邻各层之间。除1，2层之间温差之外，其余相邻各层测点之间温差均小于0.5 ℃。风幕在回风口处一部分经回风口流出，另一部分与壁面碰撞后，沿壁面向下流动形成端壁回流，在冷藏柜底部形成一个大的涡流，并且第1层温度测点与冷藏柜底部隔板固定在一起，紧邻蒸发器所以受蒸发器温度影响较大温度较低。冷藏柜保温盖开启时，由图9可以看出1，2层之间和5，6层之间温度测点温差较大其余相邻各层温差较小。冷藏柜保温盖开启时，由于没有玻璃门的约束，冷空气从出口流出后，风幕呈一定角度向上下扩散，空气幕的上面部分吸收了外界环境的热量导致温度升高，流动向上偏转，最终流入外界环境中，冷藏柜的冷耗也随之增加，空气强制对流换热起主要作用造成5，6层食品包温度测点温差较大；一部分经回风口回到蒸发器进行换热重新循环，还有小部分与壁面碰撞后向下偏转形成端壁涡流，空气的强制对流换热和蒸发器的共同作用使得1，2层温度测点产生较大的温差，使冷藏柜在保温盖开启的情况下仅中间部分温度分布较均匀。

4 结论

（1）冷藏柜有负载时,保温盖闭合时冷藏柜内食品包的温度主要集中在-1.5 ℃（±0.5 ℃）左右，可以满足大部分产品的冰点储藏温度；当保温盖开启时柜内温度主要集中在0℃（+0.5 ℃）左右，顶层的食品包温度明显高于其它层，相当于充当了蓄冷材料的隔热作用，维持内部相对较低的温度。

（2）敞开式冷藏陈列柜保温盖闭合可以有效维持食品包的低温且柜内温度均匀性较好温度梯度较保温盖开启时低，同时大大提高冷藏柜内有效使用面积。

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