小型冷库蒸发器三维温度场分析

姜道珠，鲁墨森，刘晓辉，鲁 荣

（1．山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东淄博255091；2．山东省果树研究所，山东泰安271000；3．一新保鲜设备厂，山东泰安271000）

1 实验设备与方法

1．1 实验设备

以冷库的小型冷风机为例，蒸发器的外形结构尺寸为740mm×420mm×250mm（长×宽×高），采用铝合金制胀管翅片．图1为蒸发器图片．

图1 蒸发器

1．2 实验测温系统

实验采用热镀锡膜铜－康铜热电偶测量温度．热镀锡膜铜－康铜热电偶在±100℃范围内，以裸测头和小型保护管测头更能突出热电偶的高灵敏度特点，在微变动态温度测量中优势突出［4]．换热翅片管是翅片管簇式蒸发器的核心部件，其性能的好坏直接影响蒸发器整套装置的换热性能，因此选择有代表性的位置点将18组热镀锡膜铜－康铜热电偶布置在蒸发器片管间，微型测头紧贴管壁，实时监测管外的温度动态过程．蒸发器的三维测温点布局如图2所示．

图2 蒸发器的测温点布局图

1．3 实验数据采集存储系统

利用LU－R／C2100无纸记录仪改制的高灵敏度多通道微伏级数据采集处理器进行数据的采集、存储工作．记录仪可接入多路热电偶热电势信号输入，每个控制板有独立的信号输入、主输出和报警输出，能够实时记录监测所测项目温度的微变动态过程；采用USB接口技术，可直接将数据转存到U盘，通过上位机U盘工具软件将所采集的数据进行输出存档．因采集数据为微伏级（μV）热电势信号，故需先将数据存储到Excel数据库中，具体求解程序的流程图如图3所示．然后通过电势值与温度转换的数学模型［5]转换成温度值做进一步分析处理．

图3 计算程序流程图

2 实验模型

根据实验要求的精度的不同，安装的测温点的数目有所不同．在蒸发器的测温点分布并不规则的情况下，采用griddata3作为插值估算函数

利用griddata3函数绘制蒸发器三维温度场的基本方法如下：

（1）建立蒸发器18个测温点的温度矩阵（x，y，z），其中x，y，z的具体设置如下

x＝［18，18，18，18，18，18，18，18，18，0，0，0，0，0，0，0，0，0]T；

y＝［74，74，74，37，37，37，0，0，0，74，74，74，37，37，37，0，0，0]T；

z＝［36，18，0，36，18，0，36，18，0，36，18，0，36，18，0，36，18，0]T；

（2）利用MATLAB程序实现测温点热电势值与温度值之间的转换．设对应于18个测温点的热电势矩阵为V，则V必定为1×18的矩阵，由于每个热电势值对应一个温度值，所以计算后得到的各坐标矩阵以由下到上、从前向后的顺序填写．温度矩阵T也必定为1×18的矩阵．

（3）调用meshgrid函数构造要估算的所有点坐标矩阵（xi，yi，zi），其均匀网格化坐标空间，生成三维容积图．假设坐标（xi，yi，zi）对应的温度值矩阵为Ti，则Ti可由下式估算得出．

Ti＝griddata3（x，y，z，T，xi，yi，zi）

（4）调用slice切片函数和contourslice四维切片轮廓线函数绘制该蒸发器的三维温度场．

（5）调用rotate3d函数可多视角观测蒸发器三维温度场的变化．

3 实验结果分析

图4给出了0℃冷库的冷风机蒸发器一个时段的三维立体温度场分布情况．其右边中部为氟利昂进液口，其值为－8℃左右，它是蒸发器低温附近区域．其左端温度相对有所升高，达到－3℃左右，表明了蒸发器不同位置的换热状况．

图4 蒸发器三维温度场

图5所示为蒸发器的三维立体温度场的内部切片图，分别以不同的视角展示了蒸发器温度场的内部变化情况．利用MATLAB软件slice切片函数可实现蒸发器三维立体温度场模型的内部切片处理．

4 结论与讨论

1）借助于MATLAB的计算功能，可以很方便的实现热电偶热电势信号值转换为温度值问题的求解．利用MATLAB软件的绘制三维图功能，可进行蒸发器温度场分析，并在三维空间显示温度的具体变化情况．

图5 不同视角的蒸发器温度场切片图

2）三维温度场内部切片模型通过表面已知测温点对蒸发器内部温度进行逼近拟合．此外，蒸发器三维温度场是一个瞬时的过程，为更好的探讨蒸发器换热特性，对其在多个时段和不同的蒸发状态对温度场的变化还需要进一步大量的实验研究．

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［5] 刘晓辉，鲁墨森，谭婷婷．铜－康铜测温热电偶的制作和标定［J] ．落叶果树，2009，41（5）：34－37．

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［10] 刘晓辉，姜道珠，鲁墨森．制冷机组冷凝器的三维温度场分析．南昌大学学报：工科版，2011，33（2）：181－184．