卧式敞开式食品冷藏陈列柜出风口设计参数优化

甄　仌,王　磊

(哈尔滨商业大学能源与建筑工程学院,黑龙江哈尔滨 150028)



卧式敞开式食品冷藏陈列柜出风口设计参数优化

甄仌,王磊

(哈尔滨商业大学能源与建筑工程学院,黑龙江哈尔滨 150028)

卧式敞开式食品冷藏陈列柜的冷藏性能与出风口的形式有很大关联,为了达到更佳的食品冷藏效果和节能的目的,针对两种不同形式的出风口(导流板式和蜂窝式)的卧式敞开式食品冷藏陈列柜,在装载有冷冻负载(M包)的情况下进行柜内温度场的实验测试与数值模拟,并对蜂窝式出风口的出风角度、蜂窝层数及出风速度进行优化。结果表明:优化前使用蜂窝式出风口时,M包最高温度低于使用导流板式出风口时,但回风温度更高。经过优化,蜂窝式出风口的出风角度-3°、蜂窝层数6层、出风速度0.9 m/s时,回风温度及M包最高温度均低于使用导流板时。因此,使用优化后的蜂窝式出风口可使陈列柜冷藏效果及节能水平得到有效提升。

卧式敞开式,食品冷藏陈列柜,出风口,优化

卧式敞开式食品冷藏陈列柜由于其良好的冷藏效果,充分的展示能力,优美的造型和方便顾客选购的特点,日益受到大型超市和商场的青睐。陈列柜冷藏室上部敞开,通过出风口吹出的冷空气形成风幕将展示食品和高温环境隔开。研究表明,对于一台卧式敞开式冷藏陈列柜,整体热负荷的65%以上是通过风幕进入的[1],风幕的性能会影响陈列柜内的温度分布[2]。陈列柜风幕优化设计的重点是出风口的优化[3-4]。出风口优化后具有更好的性能,可以节约能源、减少热负荷、改善柜内温度分布。

目前的研究主要集中在出风口出风后的风幕流动传热特性上,针对出风口本身结构,尤其是蜂窝式出风口的研究较少[5-6]。本文以装有M包的卧式敞开式食品冷藏陈列柜为研究对象,针对两种出风口(导流板式和蜂窝式),运用Fluent软件数值模拟柜内温度场分布,实验测量所装载M包的温度。通过模拟结果与实验结果进行比较,对比分析两种出风口对卧式敞开式食品冷藏陈列柜内温度的影响,并对蜂窝式出风口结构参数进行优化,优化结果可使冷藏效果及节能水平得到有效提升,并对蜂窝式出风口在卧式敞开式食品冷藏陈列柜上的应用价值具有重要的参考作用。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

冷冻负载M包(规格50 mm×100 mm×100 mm)、冷冻负载实验包(规格50 mm×100 mm×200 mm)松下冷链有限公司研发部实验室;六边形蜂窝 透明PVC材料,壁厚0.1 mm,对边4 mm,青岛同力得塑料蜂巢有限公司。

TVQ-EXC089型卧式敞开式食品冷藏陈列柜松下冷链有限公司;热电偶、温湿度检测仪松下冷链有限公司研发部实验室。

图1　陈列柜结构示意图Fig.1　Schematic of display cabinet structure

1.2实验及模拟方法

1.2.1实验方法在条件A(环境平均温度26.11 ℃,平均湿度58.92%)、条件B(环境平均温度24.72 ℃,平均湿度59.96%)的情况下,针对导流板式出风口的陈列柜和蜂窝式出风口的陈列柜,测量出风口附近温度、回风口附近温度及M包温度。M包按照国家标准GB/T21001.2-2007布置,如图2所示。长度方向取左、中、右三个位置靠近出风口和回风口位置最上层和最下层的M包进行温度测量。

图2　一侧风口的M包布置图Fig.2　M package layout of one side

1.2.2模拟方法使用Fluent软件进行模拟。

1.2.2.1模型的简化和假设本文所模拟的岛式陈列柜其结构在宽度方向对称,送回风口、风机及蒸发器均分别对称设置,故两侧柜内温度场分布特性相同,只取一侧进行模拟计算。由于陈列柜结构,长度方向远大于其他方向尺寸,故流动换热简化为二维问题。采用带浮升力的k-ε双方程模型模拟卧式陈列柜内部空气的紊流流动。

1.2.2.2边界条件处理柜内冷冻负载热物性参数按瘦牛肉(密度1.5 kg/m3,定压热容3230 J/(kg·K),导热系数0.523 W/(m·K))设置,流体区域温度按照实验条件A、B的平均值(25.42 ℃)设置,陈列柜及壁面维护结构设置为绝热,送风温度-28 ℃,送风速度0.7 m/s。

1.2.2.3网格划分出风口处结构复杂,尺寸变化大,由于结构网格对复杂外形的贴体网格生成比较困难而非结构网格比较灵活,网格节点的分布是随意的,网格生成较为容易。因此采用三角形非结构网格划分方法。网格划分如图3所示。

图3　网格划分图Fig.3　Schematic of grid division

1.2.2.4出风角度优化规定出风口向上倾斜角度为正,向下倾斜为负。依次对采用蜂窝式出风口,且出风角度为-15°、-10°、-5°、-4°、-3°、-2°、0°、5°、10°、15°的陈列柜进行数值模拟。非优化参数按1.2.2.2节内容设置。

1.2.2.5蜂窝层数优化出风角度取优化后最佳参数。依次对采用蜂窝式出风口,且蜂窝层数为4层、5层、6层、7层、8层的陈列柜进行数值模拟。非优化参数按1.2.2.2节内容设置。

1.2.2.6出风速度优化出风角度、蜂窝层数取优化后最佳参数。依次对采用蜂窝式出风口,且出风速度为0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2 m/s的陈列柜进行数值模拟。非优化参数按1.2.2.2节内容设置。

1.3数据统计分析

使用Tecplot 360 EX对模拟结果进行后处理;Origin 7.5进行数据统计及绘图。

2　结果与讨论

2.1两种出风口的实验测试结果与分析

从表1、表2所示实验数据上可以看出,采用蜂窝式出风口时,各测点的平均温度均低于采用导流板出风口时各测点平均温度。采用蜂窝式出风口形成的风幕的冷藏效果优于采用导流板式出风口形成的风幕。

表1　条件A两种出风口M包实验温度测量平均值(℃)Table 1　Average value of M package temperature measurement under the condition A of two outlets(℃)

表2　条件B两种出风口M包实验温度测量平均值(℃)Table 2　Average value of M package temperature measurement under the condition B of two outlets(℃)

2.2两种出风口的模拟结果与分析

从温度场模拟结果中可以看出,由出风口吹出的冷空气形成的风幕,在被回风口吸入的过程中不断地将外界热空气卷吸进来,进行传热传质交换,气流温度不断升高,因此装载M包的上层接近出风口的位置温度要低于接近回风口位置的温度,而装载M包的下层不与风幕接触,其温度主要受陈列柜底部蒸发器影响,故各点温度变化趋势差距不明显。

图4　导流板式出风口陈列柜温度场Fig.4　Temperature field of display cabinet with guide plate outlet

图5　蜂窝式出风口陈列柜温度场Fig.5　Temperature field of display cabinet with honeycomb outlet

从表3的对比结果中可以看出,采用蜂窝式出风口可以获得较导流板出风口更低的M包冷却温度,冷藏效果更好,但回风温度却高于导流板出风口。因此,考虑对蜂窝式出风口进行参数优化,在保证较低的M包冷却温度的同时降低回风温度。

表3　两种形式出风口模拟结果对比(℃)Table 3　Comparison of two kinds of simulation results of air outlet(℃)

2.3实验与模拟结果的对比与分析

从表4中可以看出,无论出风口是何种形式,回风口附近的绝对误差均大于出风口附近的绝对误差。这是由于模拟假设忽略了初始状态下室内空气流动及辐射与风幕的热量交换,且模型假设在理想的热湿交换条件下的缘故。在模拟的条件下风幕流动过程中与环境间的换热情况较实验测试情况简单的多,故上述部分热量的交换没有被考虑进来,因此回风口附近模拟结果普遍偏低。从整体对比结果来看,虽然模拟值较实验值存在一定偏差,但通常认为数值模拟结果与实验数据变化趋势相符,数据基本符合,即可认为模拟值可以反映实际值的变化情况。因此,可认为本文所建立的模拟计算模型对后续的陈列柜参数优化具有一定的有效性。

表4　风幕温度实验值与模拟值的对比(℃)Table 4　Air curtain temperature contrast between experimental and simulated values(℃)

2.4出风口参数优化结果与分析

2.4.1出风角度优化结果与分析不同出风角度对应的回风温度如图6,随着出风角度的逐渐增大,M包最高温度变化不大,回风温度先减小后增大。因为封闭性是影响陈列柜冷却效果和回风温度的主要原因之一,由于浮升力和重力的作用，当出风角度过大时气流下弯程度变大,冷空气流程变长,从而导致热渗透增加、冷却能力下降、回风温度升高;当出风角度过小时,在回风口附近气流先向上弯折然后向下弯折进入回风口,大大增加了与空气的热交换强度,回风温度升高。因此存在一个最佳角度使回风温度达到最低。出风角度在-3°时,即为最佳出风角度。此时,回风温度-22.55 ℃,M包最高温度-10.1 ℃。

图6　出风角度对回风温度及M包最高温度的影响Fig.6　Effect of different air supply angle on return air temperature and the highest temperature of M package

2.4.2蜂窝层数优化结果与分析由图7可以看出,随着蜂窝层数的增加,回风温度先降低随后又升高,蜂窝为6层时,回风温度达到最低值;M包中最高温度,在蜂窝为4、5、6层时变化甚微,蜂窝层数增加到7层时,M包最高温度上升速度加快。这是因为在总风量不变的条件下,蜂窝层数直接影响到送风速度和整流效果,进一步影响陈列柜内食品冷却温度和回风温度。蜂窝层数较少时,出风速度较大,冷量外溢较多,导致回风温度较高,随着蜂窝层数增加,出风速度减小,冷量外溢程度变小,回风温度降低,但随着蜂窝层数的持续增加,出风速度不断减小,风幕的完整性下降,造成回风温度上升。因此,蜂窝层数存在最佳值。综合回风温度及M包中最高温度变化曲线,可认为蜂窝层数为6层时为最优。此时,回风温度-22.58 ℃,M包最高温度-10.27 ℃。

图7　蜂窝层数对回风温度及M包最高温度的影响Fig.7　Effect of different honeycomb layer on return air temperature and the highest temperature of M package

2.4.3出风速度优化结果与分析不同出风速度时冷量损失情况如图8所示。随着出风速度的增加,冷量损失逐渐减少,风速0.9 m/s时,冷量损失达到最低点,风速超过0.9 m/s后,冷量损失迅速增大。这是因为出风速度低时,冷量的损失主要是因为无法形成完整的风幕,从而使柜内与外界空气无法很好地隔绝开来,增加出风速度可使隔绝效果增强,冷量损失减少;但出风速度高过某一最佳值时,风幕与外界空气紊流强度增大,产生的换热损失也大大增加了,且由于过高的速度,相当一部分的冷气流没有被吸进回风口,而是直接进入空气中,冷量损失显著增大。出风速度0.9 m/s即为最佳值。此时,回风温度-23.29 ℃,M包最高温度-11.56 ℃,与优化前表3中的蜂窝式出风口的模拟结果相比较,回风温度降低4.12 ℃,M包最高温降低2.31 ℃。

图8　出风速度对冷量损失的影响Fig.8　Effect of different air supply velocity on cold quantity loss

3　结论

采用蜂窝式出风口形成的风幕冷藏效果优于采用导流板式出风口。针对蜂窝式出风口进行了出风角度、蜂窝层数、出风速度的数值优化,蜂窝式出风口在出风角度-3°、蜂窝层数6层、出风速度0.9 m/s时达到了最优的使用效果。回风温度和M包最高温度较优化前分别降低4.12 ℃和2.31 ℃。优化后的出风口在冷藏效果及节能水平上具有的明显优势,势必会推动蜂窝式出风口的应用前景。

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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:食品冷冻冷藏、制冷系统优化,E-mail:zb730812@sina.com。

哈尔滨商业大学研究生创新科研资金项目(YJSCX2014-296HSD)。

TS205.7

A

1002-0306(2016)09-0273-04

10.13386/j.issn1002-0306.2016.09.044