改進間冷式酒柜內溫度場均勻性的方案與效果

曾憲順1 趙 丹1 丁國良1 丁劍波 李 靖

(1 上海交通大學 制冷與低溫工程研究所 上海 200240； 2 青島海爾智能技術研發有限公司 青島 266103)

改進間冷式酒柜內溫度場均勻性的方案與效果

曾憲順1趙 丹1丁國良1丁劍波2李 靖2

(1上海交通大學制冷與低溫工程研究所上海200240； 2青島海爾智能技術研發有限公司青島266103)

高品質酒柜的開發，需要能夠保證酒柜內溫度場均勻性的設計方法。本文對均勻輸送冷量、避免冷氣下沉、降低門體漏熱、增強空氣湍流等四個改進均溫性的方向，提出風口布置、隔板布置、頂部風幕布置、風口方向設計這四種初步的方案；通過計算機仿真探討各方案的效果及各方案優化組合的可能性。計算表明：優化組合四種方案可達到最佳均溫性能。將該優化方案應用于某品牌389 L酒柜進行均溫設計，樣機測試結果顯示：在環境溫度為32 ℃，柜內設置溫度為8 ℃的工作條件下，酒柜內最大溫差由12.6 ℃降低至2.0 ℃，說明該優化方案可有效地提高酒柜的溫度分布均勻性。

間接式制冷系統；酒柜；溫度場；均溫性；性能實驗

近幾年來，葡萄酒的銷售一直以20%左右的速度增長[1-2]，人們對葡萄酒的認知和需求不斷提高。葡萄酒對保存條件要求十分苛刻，特別是環境溫度[3-4]。傳統的方法是放在地底的酒窖中，來保持溫度的穩定。但在空間擁擠的城市中人們更愿意選擇人工制冷的酒柜進行儲存[5]，既節省空間，也更容易獲得需要的貯存溫度。主流的酒柜是采用壓縮式制冷，通過冷風將冷量分散到柜內各個區間，這種酒柜稱為間冷式酒柜。

酒柜內溫度場的均勻性是酒柜性能的重要指標，酒柜中各酒瓶的溫度差別越小越好[6-8]。對于不同容量的酒柜，酒柜空間越大，空氣溫度場的均勻性越差，酒柜易存在較大的溫差[9-11]。酒柜內較大的溫差不利于葡萄酒的保存，它不僅直接影響葡萄酒的品質好壞，長時間儲存還會降低葡萄酒的潛釀能力[12-14]。因此，對酒柜進行均溫性設計，有效控制柜內空間的溫差大小十分必要。

對于間冷式酒柜，為了提升內部的溫度場均勻性，需要綜合考慮酒柜均溫性能的各種影響因素，提出定性的改進方案。冷藏空間內的溫度場均勻性受多種因素的影響[15-17]，對于特定的間冷式酒柜，需要根據實際的結構型式進行定量的分析，才能獲得最佳的結構。

本文目的是提出間冷式酒柜溫度場改進的可選用方案，結合實際酒柜的設計，對最優方案進行效果驗證。

1 提升酒柜均溫性的可選方案

圖1是間冷式酒柜的示意圖。冷卻后的空氣通過風道吹出，使得與葡萄酒接觸的空氣溫度降低。為了保證酒柜內葡萄酒的均溫性，需要保證酒柜空氣溫度場的均勻性。

圖1 酒柜示意圖Fig.1 The structure of the wine cabinet

為了實現酒柜內溫度場的均勻，首先需要向酒柜內均勻輸入冷量，其次需要避免大空間內冷空氣的下沉和降低門體漏熱影響，最后需要增加空間內空氣擾流。因此，影響酒柜溫度場均溫性的因素依次為風口布置、隔板布置、頂部風幕布置、出風口送風方向設計。基于上述影響因素，可以提出4種均溫改進方案，詳細論述如下：

方案1：風口布置方案。基本思路是通過向空間內不同位置均勻輸送冷量來提高酒柜的均溫性，如圖2所示。此方案可避免設置單出風口時臨近風口溫度低遠離風口溫度高的問題。

圖2 風口布置方案(方案1)Fig.2 Arrangement of air outlet (the 1st scheme)

方案2：隔板布置方案。基本思路是通過分隔酒柜空間，不同空間內各自送風制冷的方式來提高酒柜的均溫性，如圖3所示。此方案可避免酒柜大空間內冷空氣下沉，造成酒柜上下層間溫差過大的問題。

圖3 隔板布置方案(方案2)Fig.3 Division of space (the 2nd scheme)

方案3：頂部風幕布置方案。基本思路是在酒柜頂部靠近門處設置出風口向門側輸送冷量來提高酒柜的均溫性，如圖4所示。此方案可降低酒柜門體的輻射熱和門縫漏熱對門附近酒瓶溫度的影響。

方案4：風口方向設計方案。基本思路是使冷空氣吹向側壁面來增加空氣擾流，避免冷空氣直吹酒瓶造成局部酒瓶溫度過低的問題，如圖5所示。

圖4 頂部風幕布置方案(方案3)Fig.4 Air curtain on top of cabinet (the 3rd scheme)

圖5 風口方向設計方案(方案4)Fig.5 Transverse direction of air outlet (the 4th scheme)

2 酒柜均溫方案的篩選與效果比較

2.1方案篩選的思路

根據已提出的4個酒柜均溫方案，對于不同型式的酒柜，具體的效果不同。因此本文對各方案進行分析比較，以決定選用其中的某一個方案，或者幾個方案的組合。這種分析比較可以通過計算機仿真來實現，選用的方案還需要通過實驗驗證。技術路線如圖6所示。

圖6 酒柜均溫的技術路線Fig.6 The technology route of the temperature uniformity design

2.2均溫方案效果的仿真

本文基于某品牌酒柜的結構分別對以上4個酒柜的均溫設計方案進行CFD模擬，考察各方案的均溫性能，即比較各方案箱內的最大溫差。CFD仿真模擬的是冰箱一直開機的狀態，即出風口一直出風的打冷穩定狀態下冰箱內的溫度，其邊界條件設置選取常規的酒柜工況，如表1所示。計算采用SIMPLE算法進行求解。對于存在輻射換熱的門體，本文綜合考慮光學深度、散射與發射、半透明介質與鏡面邊界等影響因素，決定選取離散坐標輻射(DO)模型[18]來建立門體的換熱計算模型。

為了驗證仿真計算結果符合網格無關性要求，本文對原酒柜模型按照單元網格尺寸分別為1 mm、2 mm、4 mm、6 mm、8 mm時進行網格劃分。酒柜的最大溫差是表現酒柜均溫性能的重要參數，因此，以原型酒柜內的最大溫差為縱坐標，單元網格尺寸為橫坐標，將5種網格下的酒柜最大溫差計算結果在圖7中進行比較。結果顯示，當單元網格尺寸從4 mm減小到1 mm時，酒柜的最大溫差變化很小，可認為單元網格尺寸為4 mm時的計算結果已經符合網格無關性要求，因此本文中基于原酒柜的各方案模型的單元網格尺寸取4 mm。

各方案仿真結果如圖8～圖11所示。風口布置方案(方案1)仿真結果表明，酒柜頂層與門側溫度偏高，酒柜底層與內壁附近溫度偏低，如圖8所示。酒柜酒瓶上的最高溫度位于第1層中間的酒瓶，最低溫度位于第8層中上部的酒瓶，最大溫差為8.3 ℃。該方案中酒柜空間過大，每層酒架之間沒有阻隔，導致冷空氣容易下沉，存在酒柜頂層與底層溫差過大的問題。

表1 邊界條件Tab.1 Boundary conditions

圖7 酒柜模擬的網格無關性驗證Fig.7 Grid independent verification for wine cabinet simulation

圖8 風口布置方案(方案1)仿真結果Fig.8 Simulation result of the arrangement of air outlet (the 1st scheme)

隔板設置方案(方案2)仿真結果表明，酒柜第2層至第7層的溫度分布較均勻，但第1層與第8層溫度偏高，如圖9所示。酒柜酒瓶上的最高溫度位于第1層靠近門側的酒瓶，最低溫度位于第4層靠近內壁的酒瓶，最大溫差為5.4 ℃，相比方案1降低了34.9%。該方案通過設置隔板避免了冷空氣下沉的問題，因此相比方案1酒柜均溫性得到提高，但由于酒柜頂層靠近門體側受輻射熱影響較大，承受較大的熱負荷，因而依然存在溫差較大的問題。

圖9 隔板布置方案(方案2)仿真結果Fig.9 Simulation result of the division of space (the 2nd scheme)

頂部風幕布置方案(方案3)仿真結果表明，酒柜第1層至第7層溫度分布較均勻，但第8層溫度偏高，如圖10所示。酒柜酒瓶上的最高溫度位于第8層中間的酒瓶，最低溫度位于第4層靠近內壁的酒瓶，最大溫差為3.6 ℃，相比方案1降低56.6%。該方案通過在酒柜頂部靠門處設置出風口降低了門體輻射熱的影響，因此相比方案2酒柜均溫性得到提高，但由于酒柜第8層承受較大的熱負荷，因而依然存在溫差較大的問題。

圖10 頂部風幕布置方案(方案3)仿真結果Fig.10 Simulation result of the air curtain on top of cabinet (the 3rd scheme)

圖11 風口方向設計方案(方案4)仿真結果Fig.11 Simulation result of the transverse direction of air outlet (the 4th scheme)

風口方向設計方案(方案4)仿真結果表明，酒柜第1層至第7層溫度分布均勻，但第8層中部溫度偏高，如圖11所示。酒柜酒瓶上的最高溫度位于第8層中間的酒瓶，最低溫度位于第4層靠近內壁的酒瓶，最大溫差為2.1 ℃，相比方案1降低74.7%。該方案通過使冷空氣吹向壁面增加了空氣的擾流，因此相比方案3酒柜均溫性得到提高，但存在第8層溫度偏高的問題。

2.3均溫方案篩選

各均溫方案酒柜酒瓶上的最大溫差以及最大溫差相對于方案1的降幅如表2所示。由表2可知，方案4的均溫效果最好，因此我們將在方案4的基礎上進一步優化得到均溫設計最優方案。

表2 各方案溫差比較Tab.2 Temperature difference of each scheme

由方案4的仿真結果看出第8層相對于其他層溫度依然較高，主要原因是第8層單獨回風，回風量較大，造成熱負荷過大。因此，為了降低第8層的熱負荷，最優均溫方案在方案4的基礎上，在第7層多設置一個回風口，這樣可以有效地降低第8層的熱負荷，如圖12所示。

圖12 最優方案Fig.12 Optimized scheme

均溫設計最優方案是均勻布置風口、多布置隔板、頂部風幕布置、橫向出風的組合方案，具體設計內容包括：1)合理布置出風口均勻輸送冷量；2)合理布置隔板分隔酒柜空間避免冷空氣下沉；3)頂部設計風幕降低門體輻射熱和門縫漏熱的影響；4)設計出風口橫向出風增加空氣擾流。

最優方案的仿真計算結果如圖13所示。酒柜內部整體最大溫差已降低至1.91 ℃，通過酒柜截面溫度分布圖可觀察到酒柜各層溫度分布均勻，酒柜整體具有較高的均溫性。

圖13 最優方案仿真結果Fig.13 Simulation result of the optimized scheme

3 酒柜均溫方案實驗驗證

根據前面的計算，酒柜均溫設計應當采用基于風口布置、隔板布置、頂部風幕布置、風口方向設計的優化組合方案。

本文對仿真計算中使用的389 L酒柜應用最優方案進行均溫設計，針對該酒柜的具體設計內容如下：1)酒柜每層設置出風口，送風量一致；2)酒柜每層設置隔板分隔酒柜空間；3)頂部靠門處設置出風口；4)各層出風口設計成橫向出風；5)酒柜第七層和第8層設置回風口。

根據以上設計內容做出酒柜樣機，并進行實驗測試，樣機的型式與前面計算中的相同，因此實驗測試采用與計算一致的環境設置參數，包括：樣機采用滿載測試；測試環境溫度為32 ℃；相對濕度為60%；酒柜內溫度為8 ℃。

為了驗證均溫設計最優方案的有效性，本文基于以上測試條件分別對原型酒柜樣機和優化酒柜樣機進行均溫性能測試。原型酒柜樣機和優化酒柜樣機各層的溫度測點布置如圖14所示，各測點溫度通過測點位置上的小型熱電偶測量獲得。各層測點的編號順序一致，圖14為酒柜第1層的測點編號，其他層測點編號逐層遞增。

圖14 原型酒柜和優化酒柜溫度測點布置Fig.14 Arrangement of the thermocouple in the original wine cabinet and the optimized wine cabinet

原型酒柜樣機和優化酒柜樣機的滿載測試結果如表3所示。

表3 原型酒柜與優化酒柜溫度分布Tab.3 Temperature distribution in the original winecabinet and the optimized wine cabinet

測試結果顯示，原型酒柜最高溫度為13.1 ℃，最低溫度為0.5 ℃，整體最大溫差為12.6 ℃，酒柜均溫性能較差；優化酒柜最高溫度為9.6 ℃，最低溫度為7.6 ℃，整體最大溫差為2.0 ℃，酒柜均溫性能良好。本文最優方案的CFD模擬結果的最大溫差為1.91 ℃，而實驗測試結果的最大溫差為2.0 ℃，實驗結果和模擬結果相差小于5%，因此我們認為CFD模擬結果可靠。CFD仿真模擬的是冰箱開機運行狀態，而實驗測試的溫度是冰箱實際間歇開停下箱內的溫度，因此CFD模擬的穩態溫度小于實際實驗開停機條件下的溫度。

原型酒柜與優化酒柜的各測點溫度分布曲線如圖15所示，相比原酒柜，最優方案酒柜各測點溫度相差很小，溫度基本均勻分布，酒柜最大溫差由12.6 ℃降低至2.0 ℃。實驗測試結果表明，對于該389 L酒柜，應用最優方案進行均溫設計可極大地改善酒柜的均溫性能。

圖15 原型酒柜和優化酒柜溫度分布對比Fig.15 Comparison of the temperature in the original wine cabinet and the optimized wine cabinet

5 結論

提高酒柜均溫性的措施包括：1)合理布置出風口實現冷量均勻輸送；2)大空間酒柜設置隔間避免冷空氣的下沉；3)酒柜頂部設置風幕降低門體輻射熱和門縫漏熱的影響；4)設計合理的出風方向增加空氣的擾流。

本文提出的均溫設計最優方案是均勻布置風口、多布置隔板、頂部風幕布置、橫向出風的組合方案，此方案對酒柜的均溫性能提升效果最佳，可應用于一般的間冷式酒柜的均溫設計。

對某品牌389 L的酒柜應用本文提出的4種酒柜均溫設計方案，仿真結果表明：在環境溫度為32 ℃，出風口溫度為-5 ℃的工作條件下，風口布置方案可降低樣機酒柜溫差約30%；隔板布置方案在風口布置方案的基礎上可進一步降低溫差約25%；頂部風幕布置方案在隔板布置方案的基礎上可進一步降低溫差約15%，風口方向設計方案在頂部出風方案的基礎上可進一步降低溫差約12%。應用本文提出的均溫設計最優方案對某品牌389 L的酒柜進行均溫設計，在環境溫度為32 ℃，制冷溫度為8 ℃的工作條件下，實驗測試顯示，優化酒柜在運行穩定后柜內最大溫差可由12.6 ℃降低至2.0 ℃。綜上所述，本文提出的均溫設計最優方案可有效改善酒柜的均溫性能，對酒柜均溫設計具有指導意義。

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Aboutthecorrespondingauthor

Ding Guoliang, male, professor, Ph.D. supervisor, School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University,+86 21-34206378,E-mail:glding@sjtu.edu.cn. Research fields:Simulation and optimization research for room air conditioner and utilization of new refrigerant.

PossibleSchemesandEffectsinImprovingTemperatureUniformityinIndirectCoolingWineCabinet

Zeng Xianshun1Zhao Dan1Ding Guoliang1Ding Jianbo2Li Jing2

(1. Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240, China; 2. Qingdao Haier Intelligent Technology Research and Development Co., Ltd., Qingdao, 266103, China)

The development of a high-quality wine cabinet requires a method to make the temperature distribution in the cabinet as uniform as possible. In this study, basic ideas for achieving a uniform temperature in a wine cabinet are presented, including a uniform transport of cold air, avoiding the sinking of cold air, reducing door heat leakage, and enhancing the air turbulence. In addition, preliminary schemes are illustrated accordingly, including the arrangement of the air outlet, the division of space, the air curtain on top of the cabinet, and the transverse direction of the air outlet. An optimized scheme was obtained through a comparison and analysis of the simulation performance of each scheme. The results show that the combination of four preliminary schemes can achieve the best temperature uniformity in a wine cabinet. A performance test of a 389 L wine cabinet under a set temperature of 8 ℃ shows that the maximum temperature difference can be reduced from 12.6 ℃ to 2.0 ℃ through the optimized scheme at an ambient temperature of 32 ℃. It was verified that the optimized scheme is able to improve the temperature uniformity in a wine cabinet effectively.

indirect-type refrigeration; wine cabinet; temperature field; temperature uniformity; performance test

0253- 4339(2017) 04- 0079- 08

10.3969/j.issn.0253- 4339.2017.04.079

國家自然科學基金(51506117)和中國博士后基金(2015M581610)資助項目。(The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (No.51506117) and the China Postdoctoral Science Foundation(No.2015M581610).)

2016年10月25日

TB657; TB61+1

： A

丁國良，男，教授，博士生導師，上海交通大學機械與動力工程學院制冷所，(021)34206378，E-mail：glding@sjtu.edu.cn。研究方向：制冷空調裝置的仿真、優化與新工質應用。