臥式敞開式冷藏陳列柜送風口的結構優化

甄 仌 宋寶玉 楊 萍 王 鐵

紀志堅2 劉佳瑋3 鄭大宇3

（1．哈爾濱工業大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2．大連經濟技術開發區大連三洋冷鏈有限公司，遼寧 大連 116600；3．哈爾濱商業大學能源與建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150028）

臥式陳列柜結構簡單、便于顧客選購，是超市中較常用的冷凍商品陳列柜裝置，主要用來存放和銷售凍結食品。通常由制冷系統、風路系統、柜體以及柜內食品空間組成，頂部敞開，由風幕將食品與柜外環境隔開減少熱空氣的進入。對于臥式敞開式低溫陳列柜來說，通過敞口滲入柜內的熱負荷占整體熱負荷的65%以上［1］。

為了對臥式陳列柜的風幕進行優化設計，研究者［2，3］做了一系列的努力。穆景陽等［4］采用有限元法對某臥式超市陳列拒的風幕進行了數值分析，認為風口風速存在優化范圍。馮欣等［5］采用雷諾應力模型對某臥式超市陳列柜的風幕進行了仿真計算，證明環境空氣的卷吸是風幕熱負荷的主要來源，解決風幕變形與耗散是設計高效節能陳列柜的關鍵。陳天及等［6］通過對某臥式敞開式低溫陳列柜導流板式送風口結構的優化設計，以及風幕送風速度的優化研究，得出由多塊整流板和導流板組成的臥式陳列柜導流板式風幕送風口可使冷風幕風層緩慢流動，穩定性好；存在一最佳的風幕送風速度，可依據陳列柜結構合理優化選擇。陳潔等［7］利用Phoenics軟件，通過對臥式陳列柜傳熱過程的分析，認為考慮熱輻射模型的模擬結果更符合試驗數據，并且須選擇合理的送風速度。陳天及等［8］試驗研究了總送風口尺寸加寬、風幕厚度增加對風幕特性及陳列柜性能的影響。

參考前人［9，10］的研究，對陳列柜出風口的優化設計可以優化風幕。本研究擬針對裝有M－包（作為瘦牛肉的試驗替代品，熱物性與瘦牛肉相似）臥式陳列柜出口端面的兩種不同送風口形式，即鈑金導流板式和正六邊形蜂窩（對邊間距為4mm）形式，在相同環境條件下通過試驗測定兩種出口端面形式的溫度場及其溫度波動性。根據試驗結果對陳列柜出風口進行優化。

1 臥式風幕特性分析

臥式敞開式冷藏陳列柜風幕循環原理圖見圖1。臥式陳列柜多采用狹長條狀出風口，出風口處用平型格柵控制出風方向，回風口上有金屬網格防止異物掉入［11］。目前臥式敞開式常用的出風口形式為導流板送風口，其結構見圖2。此種送風口是由導流板分隔形成的具有一定角度的狹長風道，對吹出的冷空氣起導流和調整的作用。

圖1 臥式敞開式冷藏陳列柜風幕循環原理圖Figure1 Schematic diagram of air curtain cycle of open horizontal refrigerated display cabinet

圖2 鈑金導流板結構圖示Figure2 Structure diagram of sheet metal guide plate

良好的風幕要有合理的各層送風溫度和送風速度，以減少卷入的環境熱濕空氣及溢出的冷空氣，達到降低陳列柜能耗，改善性能的目的。同時，沿陳列柜長度方向上二者的均勻性也要合理，這直接影響到陳列柜柜內溫度分布的均勻性。除此之外，送回風溫差也是風幕性能的一個重要衡量標準，溫差太大會導致射流主軸下彎程度變大，流程變長，從而導致環境熱空氣的總滲透量增大，而且，溫差增大還會導致各種傳熱方式的驅動力變大，從而增加風幕的冷損。

2 試驗研究方法及方案

2．1 改變風幕送風口形式

嘗試采用立式常用的蜂巢式出風口代替鈑金導流板出風端口，即在出風口吹出冷風前加正六邊形蜂窩，以試驗為手段，在兩種工況下運行陳列柜并進行相關數據的采集。試驗使用臥式敞開雙島式陳列柜，柜內M－包按標準布置。

2．2 實驗室

實驗室設在某冷鏈公司的陳列柜實驗室，環境控制室在陳列柜測試的實驗室內。與陳列柜風幕方向相垂直的兩個壁面上分別布有送風孔和回風孔，用來控制送風速度，并保證實驗室內氣流的平穩，同時可以控制實驗室內環境的溫度和濕度等條件保持恒定，以保證實驗數據的準確性和可信度。天花板和另外兩個相對壁面安裝時設置為絕熱，內壁為金屬表面，地面為一定厚度的混凝土材料制成，保證良好的絕熱效果以防止測試環境被外界環境所干擾和影響。陳列柜按照冷藏陳列柜測試國家標準布置在實驗室內。

試驗測試使用的壓縮機及其控制裝置放置于實驗室隔壁的設備間中。相關參數：電源電壓為220 V；功率為1 470 W；制冷劑為R404A。實驗室由計算機自動控制，保持其環境在既定要求的范圍之內。在陳列柜內安插并設置好相對應的測點，即可由計算機系統自動采集并記錄相應的試驗數據。采用的溫度測試元件為熱電偶，用于感應陳列柜內空氣流動過程中相應點的溫度。測試前需校準熱電偶，測得熱電偶的溫度偏差在±1 ℃之內，逐一校準每個熱電偶后可以保證熱電偶的誤差在±0．5 ℃以內。

2．3 主要試驗設備及測試方案

2．3．1 敞開式冷藏陳列柜 試驗測試使用的陳列柜為某冷鏈公司生產的敞開式冷藏陳列柜，該樣柜結構具有普遍性，適合用于進行實驗測試。陳列柜主要用來存放、展示和銷售冷凍食品。陳列柜相關參數：外部材料和內部材料均由鋼板構成；保溫材質為硬質聚氨酯發泡；制冷劑為R404A；電壓為220V；頻率為50Hz。

2．3．2 溫度測點的布置和采集方法 試驗中風幕送風溫度的測試按照GB／T 21001．2－2007標準來進行。溫度測試采用平行六面體的試驗包，用于溫度測量、配備有感溫裝置的試驗包稱為M－包，溫度傳感器安裝于試驗包的幾何中心，并與填充材料直接接觸，采用的規格為500g（外形尺寸為50mm×100mm×100 mm），外形結構見圖3；不加溫度傳感器的試驗包規格為1 000g（50mm×100mm×200mm）。試驗包和M－包的裝載見圖4。

由實際的測量可知，陳列柜開機后，速度能在較短時間內達到穩定（一般10 min后）。陳列柜內溫度的變化比較慢，一般28min后陳列柜溫度場與出風溫度才比較穩定。為保證所采集速度與溫度數據的可靠性和穩定性，試驗使用陳列柜開機運行35 min之后，試驗值基本保持穩定的溫度分布值和速度分布值作為陳列柜穩態的溫度與速度分布。

圖3 M－包結構圖（單位：mm）Figure3 Structure diagram of M－package（unit：mm）

圖4 臥式敞開雙島式陳列柜試驗包裝載圖Figure4 Load diagram of open horizontal dual island display cabinet with test packages

3 結果與分析

3．1 出口端面為鈑金導流板

臥式敞開式陳列柜一直采用的出口端面形式為鈑金導流板，其結構見圖2。由出風口吹出的經蒸發器冷卻的冷空氣，其速度和紊流度等都由鈑金導流板的形狀決定，是臥式陳列柜風幕的主要特征參數之一。通過對出風口、回風口各處溫度進行數據采集，得到陳列柜實負荷溫控循環各測點的瞬態溫度值，統計得出瞬態溫度值中的最大值、最小值與平均值，見表1。由表1可知，A 溫濕度環境下，左側上回風口和中間上回風口兩處的溫度最大值偏高，其中中間上回風口的平均值達到溫度要求；B溫濕度環境下，左側上回風口、中間上回風口和右側上回風口3處的溫度最大值偏高，且其平均值也偏高，其中，中間上回風口的最大值和平均值在三者中最高。溫度波動性范圍為0．465～2．175 ℃。

3．2 出口端面為正六邊形蜂窩

出口端面為正六邊形蜂窩風幕是立式敞開式陳列柜一直采用的出口端面形式，由一段泡沫塑料板構成正六邊形的蜂窩狀結構，見圖5。正六邊形蜂窩風幕具有良好的整流效果，使出風口吹出的冷空氣速度均勻平穩。

本試驗采用的正六邊形蜂窩的對邊間距為4mm。通過對出風口、回風口各處溫度進行數據采集，得到陳列柜實負荷溫控循環各測點的瞬態溫度值，統計得出瞬態溫度值中的最大值、最小值與平均值，見表2。由表2可知，A 和B兩種溫濕度環境條件下，所有測點的溫度值均達到要求，整體制冷效果比出口端面為鈑金導流板好。溫度波動性范圍為0．96～3．18 ℃。

表1 鈑金導流板實負荷溫控循環試驗溫度測量值Table1 Temperature measurement value of controlled temperature cycling test with sheet metal guide plate and real load ／℃

圖5 正六邊形蜂窩風幕實體照片Figure5 Picture of hexagonal honeycomb air curtain

表2 正六邊形蜂窩風幕實負荷溫控循環試驗溫度測量值Table2 Temperature measurement value of controlled temperature cycling test with hexagonal honeycomb air curtain and real load

3．3 兩種端面形式的比較分析

以各測點溫度的平均值作為溫度值，將鈑金導流板與正六邊形蜂窩兩種端面形式的溫度值進行比較，見表3、4。由表3、4可知，采用正六邊形蜂窩風幕可使柜內出風口和回風口附近的溫度有不同程度的降低，溫度降低百分數范圍為1．34%～45．62%，考慮到數據的可靠性，排除個別降低幅度過大或過小的測點及兩個溫度升高的測點后，得出大部分測點的平均溫度降低的幅度為11%～27．28%。整體來看，采用正六邊形蜂窩風幕得到的低溫效果比原用的鈑金導流板風幕的效果好。

表3 兩種端面柜內溫度場比較Table3 Comparison of inner temperature field between two kinds of end

從溫度波動性角度來看，采用正六邊形蜂窩風幕后，在柜內出風口和回風口附近的溫度波動有不同程度的升高或降低，風口的整體溫度波動性比鈑金導流板出口端面有所升高，在兩種溫濕度環境條件下，其整體溫度波動性分別升高15．73%和17．34%。雖然采用正六邊形蜂窩風幕的風口溫度波動性比鈑金導流板式偏高，但其各處的溫度值比鈑金導流板式低，且所有測點的溫度均達到要求，由此來看，采用正六邊形蜂窩風幕的出口端面形式可保證風幕的低溫溫度，維持柜內的低溫環境，是較為合理的選擇。

4 結論

本研究對用于臥式敞開雙島式陳列柜的鈑金導流板、正六邊形蜂窩兩種送風口形式進行了對比試驗，通過對試驗數據的比較分析，采用正六邊形蜂窩風幕后陳列柜大部分測點的溫度均有所下降。研究認為采用正六邊形蜂窩風幕代替鈑金導流板可以使臥式敞開雙島式陳列柜滿足能效標準對柜內溫度的要求，但溫度波動性有所升高。在國家對陳列柜提出提高能效標準的要求后，本試驗研究中臥式陳列柜采用蜂窩式送風口有可能改變多年來行業內一直采用導流板式送風口的慣例，但是在陳列柜長時間的實際使用中有可能會出現冰堵阻礙氣流流動等不利因素，需要在實踐中進一步總結經驗并加以改進。

表4 兩種端面風口溫度波動比較Table4 Comparison of temperature fluctuations between two kinds of end outlet

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