基于模块化仿真的酒柜均温设计方案与实验验证

曾宪顺，赵丹，丁国良

（上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海200240）

基于模块化仿真的酒柜均温设计方案与实验验证

曾宪顺，赵丹，丁国良*

（上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海200240）

为了提高压缩机制冷酒柜空间温度分布的均匀性，本文提出了一种基于模块化仿真的酒柜均温设计方法。首先该方法将酒柜整体风道按功能划分为酒柜空气温度场模块和风道系统模块，然后根据均温设计要求对各模块进行优化设计，最后通过计算风道流量阻力特性对风道系统进行性能校核。实验验证表明，本文提出的基于模块化仿真的设计方法可用于实际酒柜设计，酒柜空间内温差范围控制在2 ℃以内。

均温性设计；空气温度场；风道；空气阻力

0 引言

随着人们生活水平的提高，品尝葡萄酒正成为越来越多人的爱好。与此同时，酒类爱好者对葡萄酒的质量要求也越来越苛刻。而葡萄酒作为一种天然易变质的饮品，会随着周围环境因素的改变而发生变化[1]。在所有环境因素中，温度是影响葡萄酒品质保存最重要的因素[2]。一般而言，葡萄酒最佳的保存温度是13 ℃左右[3]。在保存过程中，温度最好保持恒定，否则会对酒的品质产生很大伤害[4]。如果存放温度过高，酒体的成熟过程会加快，导致酒的风味变得比较粗糙，并且过高的温度还可能促使葡萄酒进行过分氧化而造成酒的变质；如果存放温度过低，当温度低于零度时，葡萄酒有可能受冻出现块状的沉淀物，这种沉淀物会大幅度影响葡萄酒的陈酿潜力和口感[4]。因此，精确控制葡萄酒的保存温度显得十分重要。

对于葡萄酒的保存，除了产量大、占地面积广的酒庄采用地窖储存葡萄酒外，一般的葡萄酒经销商或酒类爱好者都采用酒柜进行存放[5]。

1976年世界上第一台葡萄酒酒柜尤勒凯夫（EuroCave）酒柜诞生于法国，从此葡萄酒酒柜随着葡萄酒的销售在世界各国生产发展起来[6]。自1978年以来，中国的葡萄酒行业乘着改革开放的东风进入了快速发展的阶段，不管是在葡萄酒的销量、品质，还是国人对葡萄酒的认知上都有了绝对性的提高，而葡萄酒酒柜作为葡萄酒的伴生产品，在21世纪以后逐渐进入普通老百姓家中[7-9]。目前市面上的酒柜按制冷原理主要可分为半导体电子酒柜和压缩机酒柜[10]。相比于半导体电子酒柜，压缩机酒柜具有制冷效率高、制冷效果好、温控范围大、使用寿命长等特点，因此市场上主要以压缩机酒柜为主。

压缩机酒柜按制冷方式又分为直冷式和风冷式。直冷式酒柜通过自然传导方式制冷，温差大，有的甚至达到10 ℃以上[11]。此外，直冷式酒柜一般采用大片的金属铝制内胆传递冷量，而金属铝制内胆在制冷时极容易结霜[12]，影响制冷效率，并且酒瓶若不小心触碰到内胆，容易被冻裂、冻坏。这样的酒柜难以确保葡萄酒的品质。相对于直冷式酒柜，风冷式酒柜通过风机送风方式制冷，具有内部温差小、制冷效率高、不易结霜等优点，因此市面上流行的压缩机酒柜主要以风冷式酒柜为主，特别是对于容量大、葡萄酒储存量高、储存时间长的酒柜。

对于风冷式酒柜，酒柜空间温度的均匀性是酒柜性能的重要指标，酒柜中各酒瓶的温度差别越小越好。然而，目前绝大多数风冷式压缩机酒柜依然存在4 ℃以上的温差，某些大容量的酒柜甚至能达到12 ℃以上的温差[13]。这样大的温差对于葡萄酒的保存是不利的，它不仅直接影响葡萄酒的品质好坏，还间接影响了葡萄酒的潜在价值，对葡萄酒生产者造成较大经济损失。因此，对风冷式酒柜进行均温性设计，有效地控制其柜内空间的温差显得十分必要。

实现酒柜的均温性设计涉及酒柜空气温度场与风道系统，需要综合设计。酒柜空气温度场均温性取决于各出风口以及回风口的合理布置[14-16]。而各出风口和回风口风量的实现又取决于风道系统的设计[17-19]。因此，酒柜的均温性能的改善不能简单地通过改进某个部件完成，而需要对酒柜空气温度场与风道系统进行综合设计。

为了提高酒柜内均温性能，本文综合考虑了酒柜空气温度场和风道系统的耦合特性，提出了一种高效、通用、快速的均温性设计方法。

1 均温酒柜设计思路

常用风冷式压缩机酒柜结构上可分为酒柜箱体、送风道、回风道3个部分，如图1左边所示。酒柜箱体包括酒柜墙体、柜内空气、酒架和酒瓶；送风道包括送风支路和风机；回风道包括回风支路和蒸发器室。

酒柜各部件间的关系如图1右边所示，酒柜内部空气流动空间组成酒柜空气温度场，风机、送风道、回风道、蒸发器室组成酒柜风道系统。

图1 压缩机制冷酒柜

酒柜均温设计的目标是酒柜空间内任意酒瓶温度与目标温度的偏差小于设计值。

由于酒瓶与酒柜内的空气直接接触，设计酒瓶的均温性即为设计酒瓶所在的酒柜空气场的均温性。而酒柜空气场的均温性取决于合理的酒柜酒架设计与合理冷量布置设计。合理的酒柜内冷量的布置取决于合理的空气风量布置和合理出口空气温度的获得。对于合理的空气风量布置和空气出口温度的获得，取决于空气风道系统的设计。因此，为了实现酒柜酒瓶的均温性，需要开展的工作包括均温温度场设计和风道系统设计。

基于以上思路，酒柜均温性设计步骤如下：

1） 输入均温设计要求；

2） 进行酒柜均温温度场设计，输出需要的各出风口位置、尺寸、风量、温度，各回风口位置、尺寸、风量，酒架尺寸；

3） 进行风道系统设计，计算风道出风口、回风口风量；

4） 判断酒柜各风量计算值是否与需求值一致。若一致则输出风机、风道支路结构尺寸、风道风量，否则返回步骤3；

5） 建立酒柜系统整体仿真模型，判断空气流场仿真结果是否满足均温设计要求。若满足则进入下一步，否则返回步骤2；

6） 根据均温设计结果制作样机并实验测试样机均温性能，判断样机实验结果是否满足均温设计要求，若满足则酒柜均温设计结束，否则返回步骤2。

2 均温酒柜设计方法

2.1 均温温度场设计

均温温度场的设计包括酒柜隔间的设计，隔间风口位置和大小的设计以及各出风口风量的设计。

酒柜设置隔间主要目的是避免大空间内冷气下沉，通过分隔酒柜空间，分别进行制冷，可使各隔间温度更加均匀。

风口位置和大小的设计是要保证隔间内充分的扰流，使空间内酒瓶间都存在空气流动，保证各酒瓶的充分换热。在风口位置设计中应该在空间内多设置出风口，实现三维立体送风方式。

出风口风量的设计需要与各隔间的热负荷相一致。如图2所示，酒柜箱体各层的热负荷与位于该层四周墙体传入的热量Qwall、邻近层传入的热量Qneigh以及该层回风带走的热量Qreturn有关。具体计算公式如下：

式中：

K——墙体总换热系数；

Swall——酒柜某层墙体总换热面积，m2；

Tenv——环境温度，K；

Tset——酒柜制冷设置温度，K；

Tneigh——邻近层空气温度，K；

m——邻近层流动空气的质量流量，kg/s；

Cp——空气的定压比热，J/(kg·K)；

qreturn——某层回风风量，m3/s；

ρ——空气密度，kg/m3；

Treturn——某层回风道中空气的温度，K。

酒柜各层冷量比与热负荷比应一致，假设酒柜第i层冷量Wcool,i、热负荷为Qload,i，满足如下等式：

又由于酒柜各层风量与冷量存在以下关系：

式中：

Tin——某层进口空气温度，K。

由式(5)和式(6)可得各层风量比例与热负荷比例相等，即：

因此，酒柜内均温温度场的设计需要保证酒柜各层隔间出风量与隔间内热负荷的分配比例一致，即满足式(7)。

图2 酒柜热负荷计算与风量校核

基于以上设计方法，设计酒柜隔间的大小、每个隔间出风口的位置、风量和出口温度，以及回风口的位置、风量和出口温度，然后建立空气场计算模型，考察酒柜的均温性，如果不满足均温性要求，则继续调整设计，直到满足要求。

2.2 风道系统设计

通过均温温度场的设计，可以得到需要的酒柜隔间的大小、每个隔间出风口的位置、风量和出口温度，以及回风口的位置、风量和出口温度。为了实现酒柜各风口的风量，需要对酒柜风道系统进行综合设计。

酒柜风道系统设计采用模块化风道系统计算模型。酒柜风道可划分为送风道模块、回风道模块、蒸发器模块和蒸发器室模块。酒柜风道系统各模块间可根据串并联关系组成流量压降网络图，如图3所示。

图3 酒柜风道流量压降网络图

风道系统流量与压降满足以下关系：

各模块的流量阻力特性可由如下关系式表示：

式中：

P——压降，Pa；

Q——流量，m3/s；

A、B——拟合系数，可根据风道阻力特性数据拟合求得。

通过对式(8)求解，可计算得出风道系统阻力特性以及各风口的风量。通过以上模型可校核风道阻力特性是否满足设计要求，如果不满足要求，则可以对相应的风道进行针对性的调整，直到实现酒柜各风口所需的风量。

3 设计案例及效果验证

为了验证本文提出的均温设计方法的有效性，本文对某品牌一款389 L 的 酒柜进行均温设计。

按照前面空气流场设计和风道设计方法，酒柜各层都设置出风口，其中底下2层设置回风口，如图4所示。

酒柜仿真计算结果如图5所示。计算结果表明通过酒柜温度分布各截面图可观察到，酒柜内部整体温差已降低至2℃以内，满足设计要求。

图4 空气流动示意图

图5 酒柜空气流场温度分布

为了验证设计样机的均温性，本文选取了最严苛的工况测定酒柜内温度分布情况。样机采用满载测试，测试环境温度设定为32 ℃，相对湿度为60%，酒柜内温度设置为5 ℃。

样机满载测试结果如表1所示。测试结果表明，酒柜各层温差小于2 ℃，酒柜整体最大温差为2 ℃，满足均温目标要求。

表1 酒柜均温性满载测试结果

4 结论

本文提出了基于模块化仿真的酒柜均温设计方法，将酒柜的空气场和风道系统分为两个模块分别设计，通过酒柜空气温度场的均温设计明确各风口布置和风量分配，然后根据需要的风口布置和风量分配进行风道系统设计，最终可实现酒柜的均温性。

本文按照提出的均温设计方法对酒柜进行均温设计，实验测试酒柜内最大温差小于2 ℃，具有良好的均温性。

本文提出的酒柜均温性设计方法，通过合理设计酒柜空气场和整体风道系统，可以极大地提高压缩机制冷酒柜柜内空间温度分布的均匀性，具有高效、通用和快速等优点。

[1]王秀芹,陈小波,战吉成,等.生态因素对酿酒葡萄和葡萄酒品质的影响[J].食品科学,2006,27(12):791-797.

[2]李丽,孙爱东,梁芳华.葡萄酒中特征性香气成分的形成及其影响因素[J].饮料工业, 2009, 12(5): 13-16.

[3]孔繁程.葡萄酒的保存[J].中外食品工业,2004(9):64-65.

[4]崔艳,吕文,刘涛.红葡萄原酒发酵过程中的温度控制[J].酿酒科技, 2010(1): 41-43.

[5]李银华,梁威,孔汉.酒窖温度和湿度控制系统设计[J].中国仪器仪表, 2005(4): 91-93.

[6]Г·А·别洛捷洛夫,耿惠彬.国外装配式冷藏柜发展趋势[J].制冷技术, 1991, 11(1): 45-46.

[7]梁胜潮.制冷技术在葡萄酒柜上的应用[J].中国科技博览, 2012(13): 296-297.

[8]张燕,朱济义.中国葡萄酒行业现状、存在的问题及发展趋势[J].酿酒科技, 2009(11): 128-131.

[9]王延才.中国葡萄酒行业现状及发展方向[J].中外葡萄与葡萄酒, 2006(1): 4-6.

[10]陈星.酒柜实现保湿功能的控制方法探讨[J].科技资讯, 2013(7): 84-84.

[11]赵建芳,陈曦,夏宇栋.酒柜内湿度的分析及实验研究[J].制冷技术, 2012, 32(1): 61-63.

[12]汪洁翔.酒柜中空玻璃表面凝露原因及解决措施[J].科技创新与应用, 2013(33): 26.

[13]马丽艳,刘彦雷,梁学军,等.贮藏条件对葡萄酒中白藜芦醇的影响[J].中外葡萄与葡萄酒, 2005(6): 9-12.

[14]丁国良.冰箱箱内空气温度场与流场的优化研究[J].制冷学报, 1998, 19(1): 22-27.

[15]吕传超,崔振科,王乐.冰箱冷藏室温度场和流场的数值模拟与结构优化[J].制冷技术, 2015, 35(5): 56-61.

[16]李越峰,冷少华,李峰,等.壁挂式空调的导风结构对房间温度场的影响分析[J].制冷技术,2015,35(3):65-70.

[17]万博闻,赵丹,丁国良.间冷冰箱风道系统流量分配特性的模块化计算方法[J].制冷学报,2015,36(3):61-65.

[18]阙雄才,于兵.间冷式电冰箱风道阻力与流量分配特性的探讨[J].上海交通大学学报, 1997, 31(3): 13-16.

[19]苏秀平,陈江平,陈芝久,等.间冷式冰箱风扇区域流场的数值模拟和优化[J].上海交通大学学报,2003,37(7): 1133-1136.

Scheme Design and Test Verification for Improving Temperature Uniformity in Wine Cabinet Based on Modular Simulation

ZENG Xianshun, ZHAO Dan, DING Guoliang*
(Institute of Refrigeration and Cryogenics Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240 China)

To improve the temperature uniformity in compressor wine cabinet, a modular simulation method for wine cabinet design is presented. Firstly, the air system in wine cabinet is divided into a module of air temperature field and a module of air duct according to the function; secondly, the design of each module is optimized based on the target of temperature uniformity; thirdly, the performance of each module is verified by the calculation of characteristicsof air duct resistance and flow rate.It isexperimentally verified that the proposed modular simulation method can be used to design wine cabinet, and the temperature difference range in the wine cabinet is controlled within 2oC.

Design of temperature uniformity; Air temperature field; Air duct; Air resistance

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.05.101

*丁国良（1966-），男，教授，博士。研究方向：制冷空调装置的仿真、优化与新工质应用。联系地址：上海市东川路800号上海交通大学机动学院，邮编：200240。联系电话：021-34206328。E-mail：glding@sjtu.edu.cn。

国家自然基金（No. 51506117）、中国博士后基金（No. 2015M581610）。