冰箱內快速冰鎮飲料的技術分析與探討

劉宏宇 程春明 陳開松 張魁倉

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

近年來，我國學者對速冷和低溫技術進行大量了研究。逯兆棟[1]等以快速冰鎮啤酒為試驗目標，主要研究了一種風、直冷的雙制冷方式，利用鋁合金材質超導托盤，采用了冷藏單獨空間集中送風的方式，將普通冷藏室冰鎮啤酒需要的60～90 min縮短到了5～20 min，為冷藏速冷技術提供了技術方案。

劉永輝[2]等闡述了大容積風冷冰箱的設計難度在于冰箱風機系統、風口位置及內部結構，通過CFD仿真技術建立了大容積風冷冰箱的風機風道模型并展開了分析，根據分析結果運用離心風機替代方案提升了出風口風量、改善了風道流程分布，并通過試驗驗證了方案的正確性和可行性。

陳肖依[3]通過對急速冷凍技術中的降溫曲線和制冷性能進行了研究，發現急速冷凍箱在開始降溫后，蒸發器溫度會立即接近最低蒸發溫度，過低的蒸發溫度導致進入壓縮機的制冷劑流量降低，急速冷凍效率未得到充分發揮，論文中提出了提高急速冷凍箱降溫速度的有效途徑是將蒸發溫度與箱內溫度相匹配，并詳細給出了提高蒸發壓力、提高蒸發溫度和減小蒸發器過熱度的具體辦法。

葉斌[4]對低溫冰箱箱體的設計過程展開了研究，闡述了低溫冰箱箱體與普通冰箱箱體的設計區別和低溫冰箱箱內溫度均勻性較差的問題，通過建立臥式低溫冰箱內空氣流動與換熱的物理和數學模型，采用了SIMPLE算法、整體求解法、有限容積法和有限元分析法對自然對流穩態溫度場的分布進行計算機仿真研究，最后，在大量計算與分析的基礎上，給出了優化箱內空氣溫度分布均勻性的措施。

1 快速冰鎮的有效措施

1.1 冰鎮影響因素

實現快速冰鎮飲料主要是依靠冰箱的速冷技術，通過查閱相關文獻資料[5-8]，結合傳熱公式Q=K*A*△T（傳熱量=傳熱系數*傳熱面積*平均溫差），得出和冰箱相關的影響速冷的因素有間室初始溫度、間室蒸發器冷量、間室風機風量、抽屜內冷風流向以及冰鎮輔助裝置的結構和材料特征。其中，初始溫度、蒸發器冷量、風機風量和抽屜內冷風流向由冰箱運行參數和抽屜結構決定；而冰鎮輔助裝置是借助外界材料提升冰鎮效果的一種技術措施。

1.2 影響因素簡要分析

間室初始溫度決定了飲料冰鎮時的初始環境溫度，間室溫度越低，飲料與間室溫度的溫差越大。例如，-18 ℃的冷凍室與一瓶25 ℃的飲料之間有43 ℃的溫差，而處于-32 ℃速凍狀態下的冷凍室與飲料之間可以達到57 ℃的溫差，在溫差數值上增加了32 %。

增加間室蒸發器冷量和增加間室風機風量的原理類似，均以提升間室單位時間內的供冷量為辦法，加快飲料降溫速度。

通過優化抽屜內冷風流向，提升單位時間內掠過飲料表面的冷風量，盡可能進一步降低飲料周圍的流動空氣溫度。

從傳熱學的角度出發，熱傳導的換熱效率遠高于熱對流，因此通過增加金屬結構的冰鎮輔助裝置，將飲料放在冰鎮輔助裝置中，通過改變傳熱方式提升風冷冰箱內冰鎮飲料的速度。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗準備

為了保證試驗結果的一致性和準確性，采用330 ml聽裝飲料作為試驗對象，以將兩聽25 ℃的飲料降溫至10 ℃所花費的時間作為比對數據。

為了避免冰箱冷凍開、停機帶來的影響，在進行冰鎮測試時進入冰箱維修程序。若需要制冷狀態，則開啟固定轉速壓縮機，電磁閥調至冷凍室毛細管處，開啟冷凍風機和冷凝風機，其他間室風機均關閉；若需要停機狀態，則關閉壓縮機和冷凍風機。

2.2 冰箱參數

試驗1首先摸底了將飲料放入停機狀態下的-18 ℃冷凍室中的情況，完成一次冰鎮需要耗時28 min。

試驗2將兩聽飲料放入-18 ℃冷凍室開啟制冷狀態，測試冰鎮耗時23 min。對比冷凍室停機狀態下的數據縮短了21 %，主要原因在于飲料周邊空氣溫度處于制冷降溫的過程，制冷風機和蒸發器提供了持續不斷的低溫冷風。

試驗3將兩聽飲料放入-24 ℃冷凍室內并開啟制冷，測試冰鎮耗時18 min。因飲料周邊溫度的進一步降低，換熱溫差進一步加大。

綜合前3項試驗，在不改變冰箱箱體結構的前提下，可以通過調整冰箱運行參數將冰鎮時長從28 min縮短到18 min，減少了35 %的時間。

2.3 抽屜內冷風流向的影響

為了進一步降低飲料周邊溫度，試驗中改動了抽屜的結構，采用了前端中下部開孔和側邊中下部開孔兩種方案，使更多的制冷冷風經過飲料表面，從抽屜孔洞中流出。

在試驗2的試驗條件基礎上，對兩種抽屜開孔方案進行了冰鎮試驗，測試冰鎮耗時均在23 min左右，并沒有明顯縮短冰鎮時間。推測原抽屜冷風量已經充足，進一步增加掠過飲料表面的冷風量已經無太大影響。通過建立CFD仿真模型，發現抽屜開孔并沒有很大程度上降低抽屜內部的溫度。如圖1～3所示，空氣流場發生了變化，但是抽屜中飲料放置處的溫度最多只降低了1 ℃，對冰鎮時間沒有明顯的縮短。

2.4 冰鎮輔助裝置

從聽裝飲料自身特點出發，考慮利用其圓柱形的形狀特征進一步縮短冰鎮時間。

使用冰鎮輔助裝置的目的在于增加聽裝飲料與低溫介質的接觸面積，金屬換熱本身比空氣換熱強，但是金屬換熱后自身溫度會逐漸上升，為了維持住金屬件的低溫，本試驗中使用了蓄冷材料，利用蓄冷材料長時間的冷量儲藏，在冰鎮所需的短時間內對飲料進行冷量集中釋放，以達到加速冰鎮的目的。

通過測量聽裝飲料的外形尺寸，設計了平板形狀和圓凹槽形狀的冰鎮輔助裝置，如圖4所示，通過改變圓凹槽接觸面弧度的大小，設計了60 °、120 °和180 °接觸度的冰鎮輔助裝置結構，在金屬面下方為蓄冷材料，封裝后實物如圖5。

圖1 原抽屜溫度分布圖

圖2 抽屜前端中下部開孔溫度分布圖

圖3 抽屜側邊中下部開孔溫度分布圖

圖4 冰鎮輔助裝置剖面結構示意圖

圖5 實物圖

在使用冰鎮功能前，將冰鎮輔助裝置提前放置于冷凍室內蓄冷，試驗時將冰箱狀態調節到試驗3的狀態，即間室溫度設定為-24 ℃，開啟制冷狀態。測試結果如表1。

表1 試驗4～7測試數據

圖6 試驗結果對比圖

通過表1明顯可以看出，金屬件對聽裝飲料的冰鎮有30 %以上的時間影響，隨著凹槽接觸度的增大，冰鎮時間進一步縮短。因此對聽裝飲料而言，冰箱中低溫空氣的換熱能力小于低溫金屬件直接接觸的換熱能力，在冰箱中若要實現快速冰鎮，有必要從熱傳導的角度出發，將低溫冷源與被冰鎮飲料直接接觸，并且盡可能增大單位接觸面積。

從理論推算上看，若能實現聽裝飲料與低溫金屬件全接觸，可以實現2 min以內完成冰鎮，通過將聽裝飲料放入持續制冷的-24 ℃低溫酒精槽中，這一推算得到了原理試驗驗證。

總結以上所有試驗數據，如圖6，通過對冰箱運行參數的調整，將冰鎮時長從28 min縮短到5 min，總共縮短了82 %的時間。

3 結論

通過以上試驗和分析，總結出以下幾點：

1）將冰箱間室保持在低溫狀態是最簡單有效的方法，可以通過保持制冷狀態、設定更低的制冷溫度實現。

2）間室抽屜中的冷風流向對冰鎮時間的影響不大，主要原因是風溫沒有得到明顯降低。

3）從熱傳導的角度出發，針對聽裝飲料的結構特征，制作與其直接接觸的冰鎮輔助裝置可以減少30 %以上的冰鎮時間，單位接觸面積越大冰鎮時間越短，并且效果越發明顯。