刘宏宇 程春明 陈开松 张魁仓

（长虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

近年来，我国学者对速冷和低温技术进行大量了研究。逯兆栋[1]等以快速冰镇啤酒为试验目标，主要研究了一种风、直冷的双制冷方式，利用铝合金材质超导托盘，采用了冷藏单独空间集中送风的方式，将普通冷藏室冰镇啤酒需要的60～90 min缩短到了5～20 min，为冷藏速冷技术提供了技术方案。

刘永辉[2]等阐述了大容积风冷冰箱的设计难度在于冰箱风机系统、风口位置及内部结构，通过CFD仿真技术建立了大容积风冷冰箱的风机风道模型并展开了分析，根据分析结果运用离心风机替代方案提升了出风口风量、改善了风道流程分布，并通过试验验证了方案的正确性和可行性。

陈肖依[3]通过对急速冷冻技术中的降温曲线和制冷性能进行了研究，发现急速冷冻箱在开始降温后，蒸发器温度会立即接近最低蒸发温度，过低的蒸发温度导致进入压缩机的制冷剂流量降低，急速冷冻效率未得到充分发挥，论文中提出了提高急速冷冻箱降温速度的有效途径是将蒸发温度与箱内温度相匹配，并详细给出了提高蒸发压力、提高蒸发温度和减小蒸发器过热度的具体办法。

叶斌[4]对低温冰箱箱体的设计过程展开了研究，阐述了低温冰箱箱体与普通冰箱箱体的设计区别和低温冰箱箱内温度均匀性较差的问题，通过建立卧式低温冰箱内空气流动与换热的物理和数学模型，采用了SIMPLE算法、整体求解法、有限容积法和有限元分析法对自然对流稳态温度场的分布进行计算机仿真研究，最后，在大量计算与分析的基础上，给出了优化箱内空气温度分布均匀性的措施。

1 快速冰镇的有效措施

1.1 冰镇影响因素

实现快速冰镇饮料主要是依靠冰箱的速冷技术，通过查阅相关文献资料[5-8]，结合传热公式Q=K*A*△T（传热量=传热系数*传热面积*平均温差），得出和冰箱相关的影响速冷的因素有间室初始温度、间室蒸发器冷量、间室风机风量、抽屉内冷风流向以及冰镇辅助装置的结构和材料特征。其中，初始温度、蒸发器冷量、风机风量和抽屉内冷风流向由冰箱运行参数和抽屉结构决定；而冰镇辅助装置是借助外界材料提升冰镇效果的一种技术措施。

1.2 影响因素简要分析

间室初始温度决定了饮料冰镇时的初始环境温度，间室温度越低，饮料与间室温度的温差越大。例如，-18 ℃的冷冻室与一瓶25 ℃的饮料之间有43 ℃的温差，而处于-32 ℃速冻状态下的冷冻室与饮料之间可以达到57 ℃的温差，在温差数值上增加了32 %。

增加间室蒸发器冷量和增加间室风机风量的原理类似，均以提升间室单位时间内的供冷量为办法，加快饮料降温速度。

通过优化抽屉内冷风流向，提升单位时间内掠过饮料表面的冷风量，尽可能进一步降低饮料周围的流动空气温度。

从传热学的角度出发，热传导的换热效率远高于热对流，因此通过增加金属结构的冰镇辅助装置，将饮料放在冰镇辅助装置中，通过改变传热方式提升风冷冰箱内冰镇饮料的速度。

2 试验结果及分析

2.1 试验准备

为了保证试验结果的一致性和准确性，采用330 ml听装饮料作为试验对象，以将两听25 ℃的饮料降温至10 ℃所花费的时间作为比对数据。

为了避免冰箱冷冻开、停机带来的影响，在进行冰镇测试时进入冰箱维修程序。若需要制冷状态，则开启固定转速压缩机，电磁阀调至冷冻室毛细管处，开启冷冻风机和冷凝风机，其他间室风机均关闭；若需要停机状态，则关闭压缩机和冷冻风机。

2.2 冰箱参数

试验1首先摸底了将饮料放入停机状态下的-18 ℃冷冻室中的情况，完成一次冰镇需要耗时28 min。

试验2将两听饮料放入-18 ℃冷冻室开启制冷状态，测试冰镇耗时23 min。对比冷冻室停机状态下的数据缩短了21 %，主要原因在于饮料周边空气温度处于制冷降温的过程，制冷风机和蒸发器提供了持续不断的低温冷风。

试验3将两听饮料放入-24 ℃冷冻室内并开启制冷，测试冰镇耗时18 min。因饮料周边温度的进一步降低，换热温差进一步加大。

综合前3项试验，在不改变冰箱箱体结构的前提下，可以通过调整冰箱运行参数将冰镇时长从28 min缩短到18 min，减少了35 %的时间。

2.3 抽屉内冷风流向的影响

为了进一步降低饮料周边温度，试验中改动了抽屉的结构，采用了前端中下部开孔和侧边中下部开孔两种方案，使更多的制冷冷风经过饮料表面，从抽屉孔洞中流出。

在试验2的试验条件基础上，对两种抽屉开孔方案进行了冰镇试验，测试冰镇耗时均在23 min左右，并没有明显缩短冰镇时间。推测原抽屉冷风量已经充足，进一步增加掠过饮料表面的冷风量已经无太大影响。通过建立CFD仿真模型，发现抽屉开孔并没有很大程度上降低抽屉内部的温度。如图1～3所示，空气流场发生了变化，但是抽屉中饮料放置处的温度最多只降低了1 ℃，对冰镇时间没有明显的缩短。

2.4 冰镇辅助装置

从听装饮料自身特点出发，考虑利用其圆柱形的形状特征进一步缩短冰镇时间。

使用冰镇辅助装置的目的在于增加听装饮料与低温介质的接触面积，金属换热本身比空气换热强，但是金属换热后自身温度会逐渐上升，为了维持住金属件的低温，本试验中使用了蓄冷材料，利用蓄冷材料长时间的冷量储藏，在冰镇所需的短时间内对饮料进行冷量集中释放，以达到加速冰镇的目的。

通过测量听装饮料的外形尺寸，设计了平板形状和圆凹槽形状的冰镇辅助装置，如图4所示，通过改变圆凹槽接触面弧度的大小，设计了60 °、120 °和180 °接触度的冰镇辅助装置结构，在金属面下方为蓄冷材料，封装后实物如图5。

图1 原抽屉温度分布图

图2 抽屉前端中下部开孔温度分布图

图3 抽屉侧边中下部开孔温度分布图

图4 冰镇辅助装置剖面结构示意图

图5 实物图

在使用冰镇功能前，将冰镇辅助装置提前放置于冷冻室内蓄冷，试验时将冰箱状态调节到试验3的状态，即间室温度设定为-24 ℃，开启制冷状态。测试结果如表1。

表1 试验4～7测试数据

图6 试验结果对比图

通过表1明显可以看出，金属件对听装饮料的冰镇有30 %以上的时间影响，随着凹槽接触度的增大，冰镇时间进一步缩短。因此对听装饮料而言，冰箱中低温空气的换热能力小于低温金属件直接接触的换热能力，在冰箱中若要实现快速冰镇，有必要从热传导的角度出发，将低温冷源与被冰镇饮料直接接触，并且尽可能增大单位接触面积。

从理论推算上看，若能实现听装饮料与低温金属件全接触，可以实现2 min以内完成冰镇，通过将听装饮料放入持续制冷的-24 ℃低温酒精槽中，这一推算得到了原理试验验证。

总结以上所有试验数据，如图6，通过对冰箱运行参数的调整，将冰镇时长从28 min缩短到5 min，总共缩短了82 %的时间。

3 结论

通过以上试验和分析，总结出以下几点：

1）将冰箱间室保持在低温状态是最简单有效的方法，可以通过保持制冷状态、设定更低的制冷温度实现。

2）间室抽屉中的冷风流向对冰镇时间的影响不大，主要原因是风温没有得到明显降低。

3）从热传导的角度出发，针对听装饮料的结构特征，制作与其直接接触的冰镇辅助装置可以减少30 %以上的冰镇时间，单位接触面积越大冰镇时间越短，并且效果越发明显。