臥式敞開式食品冷藏陳列柜出風口設計參數優化

甄　仌,王　磊

(哈爾濱商業大學能源與建筑工程學院,黑龍江哈爾濱 150028)

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臥式敞開式食品冷藏陳列柜出風口設計參數優化

甄仌,王磊

(哈爾濱商業大學能源與建筑工程學院,黑龍江哈爾濱 150028)

臥式敞開式食品冷藏陳列柜的冷藏性能與出風口的形式有很大關聯,為了達到更佳的食品冷藏效果和節能的目的,針對兩種不同形式的出風口(導流板式和蜂窩式)的臥式敞開式食品冷藏陳列柜,在裝載有冷凍負載(M包)的情況下進行柜內溫度場的實驗測試與數值模擬,并對蜂窩式出風口的出風角度、蜂窩層數及出風速度進行優化。結果表明:優化前使用蜂窩式出風口時,M包最高溫度低于使用導流板式出風口時,但回風溫度更高。經過優化,蜂窩式出風口的出風角度-3°、蜂窩層數6層、出風速度0.9 m/s時,回風溫度及M包最高溫度均低于使用導流板時。因此,使用優化后的蜂窩式出風口可使陳列柜冷藏效果及節能水平得到有效提升。

臥式敞開式,食品冷藏陳列柜,出風口,優化

臥式敞開式食品冷藏陳列柜由于其良好的冷藏效果,充分的展示能力,優美的造型和方便顧客選購的特點,日益受到大型超市和商場的青睞。陳列柜冷藏室上部敞開,通過出風口吹出的冷空氣形成風幕將展示食品和高溫環境隔開。研究表明,對于一臺臥式敞開式冷藏陳列柜,整體熱負荷的65%以上是通過風幕進入的[1],風幕的性能會影響陳列柜內的溫度分布[2]。陳列柜風幕優化設計的重點是出風口的優化[3-4]。出風口優化后具有更好的性能,可以節約能源、減少熱負荷、改善柜內溫度分布。

目前的研究主要集中在出風口出風后的風幕流動傳熱特性上,針對出風口本身結構,尤其是蜂窩式出風口的研究較少[5-6]。本文以裝有M包的臥式敞開式食品冷藏陳列柜為研究對象,針對兩種出風口(導流板式和蜂窩式),運用Fluent軟件數值模擬柜內溫度場分布,實驗測量所裝載M包的溫度。通過模擬結果與實驗結果進行比較,對比分析兩種出風口對臥式敞開式食品冷藏陳列柜內溫度的影響,并對蜂窩式出風口結構參數進行優化,優化結果可使冷藏效果及節能水平得到有效提升,并對蜂窩式出風口在臥式敞開式食品冷藏陳列柜上的應用價值具有重要的參考作用。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

冷凍負載M包(規格50 mm×100 mm×100 mm)、冷凍負載實驗包(規格50 mm×100 mm×200 mm)松下冷鏈有限公司研發部實驗室;六邊形蜂窩 透明PVC材料,壁厚0.1 mm,對邊4 mm,青島同力得塑料蜂巢有限公司。

TVQ-EXC089型臥式敞開式食品冷藏陳列柜松下冷鏈有限公司;熱電偶、溫濕度檢測儀松下冷鏈有限公司研發部實驗室。

圖1　陳列柜結構示意圖Fig.1　Schematic of display cabinet structure

1.2實驗及模擬方法

1.2.1實驗方法在條件A(環境平均溫度26.11 ℃,平均濕度58.92%)、條件B(環境平均溫度24.72 ℃,平均濕度59.96%)的情況下,針對導流板式出風口的陳列柜和蜂窩式出風口的陳列柜,測量出風口附近溫度、回風口附近溫度及M包溫度。M包按照國家標準GB/T21001.2-2007布置,如圖2所示。長度方向取左、中、右三個位置靠近出風口和回風口位置最上層和最下層的M包進行溫度測量。

圖2　一側風口的M包布置圖Fig.2　M package layout of one side

1.2.2模擬方法使用Fluent軟件進行模擬。

1.2.2.1模型的簡化和假設本文所模擬的島式陳列柜其結構在寬度方向對稱,送回風口、風機及蒸發器均分別對稱設置,故兩側柜內溫度場分布特性相同,只取一側進行模擬計算。由于陳列柜結構,長度方向遠大于其他方向尺寸,故流動換熱簡化為二維問題。采用帶浮升力的k-ε雙方程模型模擬臥式陳列柜內部空氣的紊流流動。

1.2.2.2邊界條件處理柜內冷凍負載熱物性參數按瘦牛肉(密度1.5 kg/m3,定壓熱容3230 J/(kg·K),導熱系數0.523 W/(m·K))設置,流體區域溫度按照實驗條件A、B的平均值(25.42 ℃)設置,陳列柜及壁面維護結構設置為絕熱,送風溫度-28 ℃,送風速度0.7 m/s。

1.2.2.3網格劃分出風口處結構復雜,尺寸變化大,由于結構網格對復雜外形的貼體網格生成比較困難而非結構網格比較靈活,網格節點的分布是隨意的,網格生成較為容易。因此采用三角形非結構網格劃分方法。網格劃分如圖3所示。

圖3　網格劃分圖Fig.3　Schematic of grid division

1.2.2.4出風角度優化規定出風口向上傾斜角度為正,向下傾斜為負。依次對采用蜂窩式出風口,且出風角度為-15°、-10°、-5°、-4°、-3°、-2°、0°、5°、10°、15°的陳列柜進行數值模擬。非優化參數按1.2.2.2節內容設置。

1.2.2.5蜂窩層數優化出風角度取優化后最佳參數。依次對采用蜂窩式出風口,且蜂窩層數為4層、5層、6層、7層、8層的陳列柜進行數值模擬。非優化參數按1.2.2.2節內容設置。

1.2.2.6出風速度優化出風角度、蜂窩層數取優化后最佳參數。依次對采用蜂窩式出風口,且出風速度為0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2 m/s的陳列柜進行數值模擬。非優化參數按1.2.2.2節內容設置。

1.3數據統計分析

使用Tecplot 360 EX對模擬結果進行后處理;Origin 7.5進行數據統計及繪圖。

2　結果與討論

2.1兩種出風口的實驗測試結果與分析

從表1、表2所示實驗數據上可以看出,采用蜂窩式出風口時,各測點的平均溫度均低于采用導流板出風口時各測點平均溫度。采用蜂窩式出風口形成的風幕的冷藏效果優于采用導流板式出風口形成的風幕。

表1　條件A兩種出風口M包實驗溫度測量平均值(℃)Table 1　Average value of M package temperature measurement under the condition A of two outlets(℃)

表2　條件B兩種出風口M包實驗溫度測量平均值(℃)Table 2　Average value of M package temperature measurement under the condition B of two outlets(℃)

2.2兩種出風口的模擬結果與分析

從溫度場模擬結果中可以看出,由出風口吹出的冷空氣形成的風幕,在被回風口吸入的過程中不斷地將外界熱空氣卷吸進來,進行傳熱傳質交換,氣流溫度不斷升高,因此裝載M包的上層接近出風口的位置溫度要低于接近回風口位置的溫度,而裝載M包的下層不與風幕接觸,其溫度主要受陳列柜底部蒸發器影響,故各點溫度變化趨勢差距不明顯。

圖4　導流板式出風口陳列柜溫度場Fig.4　Temperature field of display cabinet with guide plate outlet

圖5　蜂窩式出風口陳列柜溫度場Fig.5　Temperature field of display cabinet with honeycomb outlet

從表3的對比結果中可以看出,采用蜂窩式出風口可以獲得較導流板出風口更低的M包冷卻溫度,冷藏效果更好,但回風溫度卻高于導流板出風口。因此,考慮對蜂窩式出風口進行參數優化,在保證較低的M包冷卻溫度的同時降低回風溫度。

表3　兩種形式出風口模擬結果對比(℃)Table 3　Comparison of two kinds of simulation results of air outlet(℃)

2.3實驗與模擬結果的對比與分析

從表4中可以看出,無論出風口是何種形式,回風口附近的絕對誤差均大于出風口附近的絕對誤差。這是由于模擬假設忽略了初始狀態下室內空氣流動及輻射與風幕的熱量交換,且模型假設在理想的熱濕交換條件下的緣故。在模擬的條件下風幕流動過程中與環境間的換熱情況較實驗測試情況簡單的多,故上述部分熱量的交換沒有被考慮進來,因此回風口附近模擬結果普遍偏低。從整體對比結果來看,雖然模擬值較實驗值存在一定偏差,但通常認為數值模擬結果與實驗數據變化趨勢相符,數據基本符合,即可認為模擬值可以反映實際值的變化情況。因此,可認為本文所建立的模擬計算模型對后續的陳列柜參數優化具有一定的有效性。

表4　風幕溫度實驗值與模擬值的對比(℃)Table 4　Air curtain temperature contrast between experimental and simulated values(℃)

2.4出風口參數優化結果與分析

2.4.1出風角度優化結果與分析不同出風角度對應的回風溫度如圖6,隨著出風角度的逐漸增大,M包最高溫度變化不大,回風溫度先減小后增大。因為封閉性是影響陳列柜冷卻效果和回風溫度的主要原因之一,由于浮升力和重力的作用，當出風角度過大時氣流下彎程度變大,冷空氣流程變長,從而導致熱滲透增加、冷卻能力下降、回風溫度升高;當出風角度過小時,在回風口附近氣流先向上彎折然后向下彎折進入回風口,大大增加了與空氣的熱交換強度,回風溫度升高。因此存在一個最佳角度使回風溫度達到最低。出風角度在-3°時,即為最佳出風角度。此時,回風溫度-22.55 ℃,M包最高溫度-10.1 ℃。

圖6　出風角度對回風溫度及M包最高溫度的影響Fig.6　Effect of different air supply angle on return air temperature and the highest temperature of M package

2.4.2蜂窩層數優化結果與分析由圖7可以看出,隨著蜂窩層數的增加,回風溫度先降低隨后又升高,蜂窩為6層時,回風溫度達到最低值;M包中最高溫度,在蜂窩為4、5、6層時變化甚微,蜂窩層數增加到7層時,M包最高溫度上升速度加快。這是因為在總風量不變的條件下,蜂窩層數直接影響到送風速度和整流效果,進一步影響陳列柜內食品冷卻溫度和回風溫度。蜂窩層數較少時,出風速度較大,冷量外溢較多,導致回風溫度較高,隨著蜂窩層數增加,出風速度減小,冷量外溢程度變小,回風溫度降低,但隨著蜂窩層數的持續增加,出風速度不斷減小,風幕的完整性下降,造成回風溫度上升。因此,蜂窩層數存在最佳值。綜合回風溫度及M包中最高溫度變化曲線,可認為蜂窩層數為6層時為最優。此時,回風溫度-22.58 ℃,M包最高溫度-10.27 ℃。

圖7　蜂窩層數對回風溫度及M包最高溫度的影響Fig.7　Effect of different honeycomb layer on return air temperature and the highest temperature of M package

2.4.3出風速度優化結果與分析不同出風速度時冷量損失情況如圖8所示。隨著出風速度的增加,冷量損失逐漸減少,風速0.9 m/s時,冷量損失達到最低點,風速超過0.9 m/s后,冷量損失迅速增大。這是因為出風速度低時,冷量的損失主要是因為無法形成完整的風幕,從而使柜內與外界空氣無法很好地隔絕開來,增加出風速度可使隔絕效果增強,冷量損失減少;但出風速度高過某一最佳值時,風幕與外界空氣紊流強度增大,產生的換熱損失也大大增加了,且由于過高的速度,相當一部分的冷氣流沒有被吸進回風口,而是直接進入空氣中,冷量損失顯著增大。出風速度0.9 m/s即為最佳值。此時,回風溫度-23.29 ℃,M包最高溫度-11.56 ℃,與優化前表3中的蜂窩式出風口的模擬結果相比較,回風溫度降低4.12 ℃,M包最高溫降低2.31 ℃。

圖8　出風速度對冷量損失的影響Fig.8　Effect of different air supply velocity on cold quantity loss

3　結論

采用蜂窩式出風口形成的風幕冷藏效果優于采用導流板式出風口。針對蜂窩式出風口進行了出風角度、蜂窩層數、出風速度的數值優化,蜂窩式出風口在出風角度-3°、蜂窩層數6層、出風速度0.9 m/s時達到了最優的使用效果。回風溫度和M包最高溫度較優化前分別降低4.12 ℃和2.31 ℃。優化后的出風口在冷藏效果及節能水平上具有的明顯優勢,勢必會推動蜂窩式出風口的應用前景。

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Design parameter optimization of outlet for open horizontal food refrigerated display cabinet

ZHEN Bing,WANG Lei

(School of Energy and Architectural Engineering,Harbin University of Commerce,Harbin 150028,China)

The refrigeration performance of the open horizontal food refrigerated display cabinet is greatly related to the form of the outlet.In order to achieve better food refrigeration effect and energy saving purpose,the experimental test and numerical simulation of the temperature field in the cabinet of two different forms of the outlet(guide plate type and the honeycomb type)with M package of refrigeration load were done.Air supply angle,honeycomb layers and air supply velocity of honeycomb type outlet were optimized.The results showed that before the optimization of the honeycomb outlet,the highest temperature of the M package was lower than that of the guide plate outlet,but the air temperature was higher.The resualts showed that when the outlet of the honeycomb angle was -3°,the honeycomb layer was 6,and the supply velocity was 0.9 m/s,the return air temperature and the highest temperature of M package were both lower than that of the guide plate.Therefore,the optimization of the honeycomb outlet could improve the refrigeration effect,achieve energy saving.

open horizontal;food refrigerated display cabinet;outlet;optimization

2015-09-17

甄仌(1973-),男,博士,研究方向:食品冷凍冷藏、制冷系統優化,E-mail:zb730812@sina.com。

哈爾濱商業大學研究生創新科研資金項目(YJSCX2014-296HSD)。

TS205.7

A

1002-0306(2016)09-0273-04

10.13386/j.issn1002-0306.2016.09.044