间冷冰箱冷藏室冷藏性能的数值研究

2020-10-22黄兴宗凌长明

节能技术 2020年4期

黄兴宗，钟音，凌长明

(1.广东海洋大学机械与动力工程学院，广东湛江 518108；2.广东海洋大学深圳研究院，广东深圳 524088)

0 引言

目前市面上的冰箱主要分为直冷和间冷两种。他们各有优劣，但间冷冰箱总体上要优于直冷。间冷冰箱不会像直冷冰箱那样容易结霜，食物与食物彼此也不会粘连不清。并且，间冷冰箱里的空气是不断循环的，且会通过除臭系统的过滤，冰箱内部的味道可以长时间保持清新。此外，间冷冰箱比直冷冰箱的温度控制更准确。间冷冰箱逐渐成为主流，所以研究如何提高间冷冰箱的冷藏室的冷藏性能是十分必要的。

近年来对于间冷式冰箱的数值研究，主要集中在间冷式冰箱的箱体模型、风道系统以及流场和温度场等方面。如张守杰借助于CFD技术对某款风冷冰箱的风道结构进行了优化[1]。西安交通大学的张耀吉通过改变风冷冰箱的送风角度，发现随送风角度的减小，冷藏室各层的平均温度降低,箱内温度分布更加均匀，但箱内温度场改善的效果也逐渐减弱[2]。清华大学的王坦提出了体积元法和局部划分法相结合的模块划分方法，运用数值计算得出间冷冰箱空气循环系统中各部分间的能量流动特性[3]。Md. Imran H. Khan、L.Abdolmaleki、刘忠宝等人为了解决冰箱冷藏室温度波动较大的问题，提出在冷藏室应用相变蓄冷材料的方法,并取得不错的实验结果[4-6]。上海交通大学的曾宪顺为改进间冷式酒柜内温度场均匀性，提出风口布置、隔板布置、顶部风幕布置、风口方向设计这四种初步的方案，得出优化组合四种方案可达到最佳均温性能的结论[7]。昆明理工大学的姜宏比较不同边界条件及不同内部结构参数下的内部流场情况,明确了参数变化与其内部流场的关系[8]。Engin Söylemez用CFD对HHR I、HHR II和HHR III三种类型的冰箱进行模拟，发现HHR II和HHR III在新鲜食品隔间内的气流速度和温度分布更加均匀[9]。Hasan Avc1用CFD与人工神经网络对冰箱的设计参数进行优化，结果与优化前相比，冰箱的性能提高了7.7%[10]。河南理工大学的盛伟、李飞发现远离出风口的位置气流基本停滞，不利于内部气流的换热，于是通过提高入风口的气流速度、在抽屉的底部开孔来增加上下的气流流动可以提高腔室的温度分布均匀性[11]。

但是在风口结构和送风射流参数上的研究比较少。由于从送风口送入冷藏室的冷空气为非等温有限空间射流，根据经典流体力学射流理论，在非等温射流的空间内，空气分布与送风口位置、送风射流参数有关[12]。其中送风口的形状、位置和送风射流参数又是影响气流组织和温度分布的主要因素[13]。所以本文的研究方案是设置三组对照试验，分别验证三种不同类型出风口如图1不同角度出风口和风速对冷藏室温度均匀性和温降效果的影响。

图1 圆形出风口、一字形出风口、侧边送风出风口

1 模型建立

1.1 物理模型

对某款家用间冷冰箱的冷藏室进行模型简化，简化后的二维结构图如图2。该间冷冰箱的蒸发器位于冰箱下部，冷藏室获得冷量的方法是间冷冰箱风道系统内的风扇将蒸发器的冷量通过风道系统送入冷藏室，实现制冷功能。

图2 冷藏室

1.2 主要假设和说明

为了简化数值模拟，对模型提出一些假设和说明：

(1)由于冰箱运行过程中，冷藏室温度是周期性波动的，送风口为间断送风，所以视本次研究的问题是瞬态问题，应该保留控制微分方程中的时间项；

(2)间冷冰箱的换热方式为强制对流为主，忽略自然对流的影响；

(3)计算区域内的空气为牛顿流体；

(4)固体壁面上流体为无滑移；

(5)计算区域内的气体可视为理想气体；

(6)假设出风口温度均匀恒定且风向垂直于冷藏室出风口截面；

(7)忽略冷藏室内各表面间的辐射换热；

(8)计算区域内流体的流动状态为层流流动。

1.3 数学模型

根据模型和假设，建立连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及组分方程

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

p=ρRT

(6)

上式6个控制方程包含6个未知量，u、v、w、p、T和ρ，理论上6个方程组可封闭求解6个未知数。式中的u、v、w为x、y、z这3个方向的速度，T为温度，ρ为密度，t为时间，p为压力，μ为动力粘度，R为摩尔气体常数，λ为导热系数，Cp为定压比热。

1.4 边界条件与初始条件

验证三种不同类型出风口、不同角度出风口对冷藏室温度均匀性和温降效果的影响的边界条件列于表1。

表1 边界条件

验证风速对冷藏室温度均匀性和温降效果的影响的边界条件与前两个对照组基本一致，仅在入风口速度上有差异。

三个对照组的初始条件为计算区域内温度场均匀且为278 K，速度场为0。

2 模拟结果及分析

2.1 三种不同类型出风口的对比及分析

分别对一字出风口和圆形出风口以及侧边出风口进行瞬态数值模拟30 s，得到30 s后的温度场和流场，将所得到的数据进行处理得到平均温度和温度标准差，制成柱状图3、图4。

图3 平均温度对比

图4 温度标准差对比

从温度看，圆形出风口温降效果最好，一字形出风口次之，侧边送风效果最差。但是依照温度标准差来评价温度的均匀性，又恰好相反，侧边送风温度均匀性最好，一字形次之，圆形风口最差。

在CFD-POST中分别导出圆形出风口、一字形和侧边送风的x=0.2平面的温度云图，如图5。观察到在圆形出风口射出的冷空气维持了一段比较长的距离，即在垂直于出风口的位置的空气温度都比较低。其原因是由于圆形出风口所送的风穿透性比较强，扩散能力比较弱，导致大部分的冷量都集中在出风口射流处，所以这里的温度比较低。而其他地方因为分配到的冷量少，所以温度标准差比较高。因此虽然圆形出风口平均温度很低，但是并不均匀。而侧边送风类型的冷藏室各层的平均温度虽然比其他类型出风口的要高，但是从各层的温度标准差看，侧边送风温度要均匀得多。从该云图可以看出，和其他两种类型的出风口对比，侧边送风的冷藏室云图的颜色比较单一，说明温度分布均匀。侧边送风温度比较高是由于出风口所吹的风紧贴冷藏室后壁，所以整个冷藏室温度较低的部分集中在后壁上。而我们比较关心的位置和取点位置主要集中在冷藏室的中部。

图5 圆形、一字形、侧边送风出风口x=0.2平面温度云图

2.2 不同角度出风口的对比及分析

为解决侧边送风类型温降效果不佳的缺点，但又要保持侧边送风温度比较均匀的效果，笔者提出以下改进方案。依旧保持侧边送风的送风类型，但是在出风口处增加一定的倾斜角，使得所吹出来的风的速度方向与壁面有一定的角度，而不直接冲击到左右壁面上。设置了0°、10°、15°、20°、30°的倾斜角，将模拟的结果处理成折线图6、图7。

图6 上层温度和温度标准差随着倾斜角变化

图7 中层温度和温度标准差随着倾斜角变化

从上中两层的折线图可以看出，随着出风口倾斜角越来越大，温度有下降的趋势，而标准差却有上升的趋势。当出风口倾斜角为90°时，出风口的类型就变成了一字形出风口，当出风口倾斜角为0°时，出风口的类型就变成了完全侧边出风口。从上中层的变化趋势看，我们可以认为一字形出风口和完全侧边送风出风口是两个极端，而拥有一定角度的侧边送风出风口介于之间。因此，从温降效果看，倾斜角越大，温降效果越好，当倾斜角为90°时最好，即为一字形出风口；从温度均匀性看，倾斜角越小，温度分布越均匀，当倾斜角为0°时最好，即完全侧边送风。

2.3 不同出风速度的对比及分析

在出风口面积不变的情况下改变流速，流速的大小及对应的出风口雷诺数如表2。

表2 不同流速下对应的雷诺数

对不同流速的情况下进行模拟将模拟的结果处理成折线图8、图9。

从上中两层温度和温度标准差随着雷诺数变化而变化的折线图我们可以看出总体的趋势为冷藏室的温度和温度标准差随着雷诺数的增大而呈现明显的下降趋势。分析其中的原因，我们发现随着出口雷诺数的变大，冷藏室内的空气的流速也随着变大，流速越大空气掺混越厉害，温度越均匀。因此，可以说流速的提高有助于提高冷藏室内温度的均匀性。虽然冷藏室内的温度随着雷诺数增大下降明显，但是由于随着雷诺数的增大，出风口流速增大，在出风口面积不变的情况下，进入冷藏室的冷量也变多，因此冷藏室温度也会愈低。所以本研究方案并不能看出流速的增大对冷藏室的温降效果是否有影响，因此我们进行了方案二的研究和探讨。

图8 上层温度和温度标准差随着雷诺数变化

图9 中层温度和温度标准差随着雷诺数变化

在改变流速的同时改变出风口的面积，使得进入冷藏室的冷量一致，流速的大小及对应的出风口雷诺数如表3。

表3 不同流速下对应的雷诺数

对不同流速的情况下进行模拟将模拟的结果处理成折线图10、图11。

图10 上层温度和温度标准差随着雷诺数变化

图11 中层温度和温度标准差随着雷诺数变化

从上中两层温度和温度标准差随着雷诺数变化而变化的折线图我们可以看出总体的趋势为冷藏室的温度标准差随着雷诺数的增大而呈现明显的下降趋势而冷藏室内的温度却比较平缓，变化不大。分析其中的原因，我们发现随着出口雷诺数的变大，冷藏室内的空气的流速也随着变大。因此，可以得出同方案一同样的结论：流速的提高有助于冷藏室内温度更加均匀。冷藏室内的温度随着雷诺数的提高并没有什么变化。因此结合方案一的模拟结果，可知方案一中冷藏室温度随雷诺数提高而明显降低的原因是由于冷量增加引起的，而单纯的增加流速并不会影响冷藏室的温降效果。