（制冷及低温工程专业论文）食品冷藏陈列柜的传热机理及强化传热试验研究.pdf

i 摘 要 摘 要 超市中易变质的食品一般都放在冷藏或冷冻陈列柜内销售， 这是食品冷链里最后一 个环节，冷藏冷冻效果的好坏直接关系到消费者的身体健康甚至生命安全。目前立式冷 藏陈列柜内温度较高且温度分布不均，严重影响食品的品质。另外，由于冷冻冷藏陈列 柜能耗较高，很多超市为了节省运行费用，不正常运行制冷机组，导致柜内温度波动很 大。因此，在不增加甚至减少制冷机组运行能耗的前提下，降低柜内食品温度、改善柜 内温度分布是陈列柜设计面临的突出问题。针对以上问题，本文通过理论分析和试验进 行研究，主要取得以下成果： 1. 从理论上对影响柜内食品温度的因素进行研究。 食品温度除了受柜内冷气体温度 和流速、搁板表面温度、背风板冷辐射的作用外，还受柜外环境温度、湿度、灯光辐射 等影响； 柜内温度分布不均主要是由于陈列柜本身的结构特点及食品的陈列方式所产生 的。 2. 通过试验对每层冷藏空间的温度分布进行研究， 研究结果表明： 除第 1 层空间前 部气体温度最低，后部气体温度最高外，其余 3 层均是冷藏空间前部气体温度最高；而 食品温度和搁板表面温度均是前排最高。 3.通过试验对陈列柜外环境温度、 湿度、 灯光辐射强度对食品温度的影响进行研究， 结果表明：随着柜外空气温度、湿度、灯光照射强度的分别升高，柜内食品的温度逐渐 升高， 且当灯光强度到达一定程度时， 增加少量的灯光就会对食品温度产生较大的影响； 降低柜外空气的温湿度及降低灯光照射有利于降低柜内食品的温度。 4. 采用阶梯形的摆放形式，能够降低第 1、2 层冷藏空间的食品温度，但 3、4 层 冷藏空间食品的温度却上升。试验结果表明：阶梯形食品摆放对改善无背吹风冷藏空间 内食品的冷藏效果有效，且不会增加制冷机组的能耗。 5.设计并制作热管， 将其敷设在搁板底部， 用来强化食品底部与搁板间的热量传递， 试验结果表明：增加热管后，在不增加制冷机组能耗的前提下，不仅能够有效降低柜内 食品的温度，而且还能够降低前后排食品温差。 关键词：关键词：陈列柜，食品温度， 温差， 能耗 ii abstract attractive food products are often display in chilled cabinets in supermarkets, which is the last link in the cold chain. the quality of displayed foods is very important to the health of consumers, but the food temperatures are high and temperature distribution of cabinets is uneven, which affect the food quality seriously. in addition, because energy consumption of cabinets is very high, many supermarkets run the refrigeration unit abnormally in order to save operation cost. so the key problems of cabinets design are to reduce food temperature and improve the distribution without increasing the run charge. according to the above question, theory analyzes and experimental methods are used to investigate these problems in this paper, conclusions are as followed: 1. factors that affect displayed food temperature are investigated based on theory analyzes, the result shows that the poor temperature distribution is caused mainly by the cabinet structure and food display style, and these factors are temperature and velocity of chilled air, temperature of clapboard, radiation of back panel and indoor light, temperature and humidity of supermarket, and so on. 2. temperature distribution of every floor is studied with experimental method, the result shows that temperature of foreside air is the lowest and of rearward air is the highest in1st floor, but the result is opposite in others floor, otherwise, temperature of frontal clapboard and food is the highest and of the back is the lowest. 3. with the hoist of indoor temperature, humidity and light radiation respectively, the displayed foods temperature is become higher. moreover, 1ight radiation influences the temperature a lot when the intensity is reached some value. so lower indoor temperature, humidity and light radiation is good for food quality. 4. ladder style of food placement can reduce food temperature in the 1st and 2nd floor without increasing energy consumption, but increase the temperature in the 3rd and 4th floor, the reason is that foods in upper floor are mainly chilled by inner air curtain, but in the nether are mainly cooled by back panel flow. 5. heat pipes were designed and produced, which were used to enhanced heat transfer by putting in the bottom of clapboard in the 1st floor. the experimental results show that food iii temperature and the temperature difference of frontal and back food are lowed a lot and also without increasing energy consumption. keywords: cabinets, food temperature, temperature difference, energy consumption 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人、集体已经发表或撰写过的科研成果及尚未发表的数据。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解郑州轻工业学院有关保留、使用学位论文的规定，同意 学院保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅：本人授权郑州轻工业学院可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文和汇编本学位论文。本论文所取得的研究成果属郑州轻工业学院，其 他任何个人或集体未经郑州轻工业学院授权不得使用。 论文作者签名： 导师签名： 日期： 郑州轻工业学院硕士学位论文 1 第一章 前 言 第一章 前 言 1.1 本文的研究对象 1.1 本文的研究对象 食品陈列柜最早于 1922 年出现在美国，由于其不仅可以保证零售商品的质量，美 化购物环境，而且可以全方位陈列展示商品，便了顾客挑选，刺激消费，为商家赢得更 多利润。经多年的发展，已成为超市中必不可少的商用设备。按柜体陈列部位结构分， 可分为闭式陈列柜和敞开式陈列柜；按陈列商品的方式不同，又可分为立式、卧式和岛 式；立式敞开式陈列柜用风幕来隔离柜内外环境，风幕一般为两层或三层。本课题的研 究对象为立式敞开式食品冷藏陈列柜， 风幕为两层， 属于中高温冷柜， 内部有 4 层货架； 主要通过理论分析和试验研究该类型陈列柜内的温度分布情况， 并提出改善柜内温度分 布的一些措施。 1.2 研究背景和意义 1.2 研究背景和意义 近年来， 食品中毒导致人员伤亡的事件屡有发生， 人们对食品安全问题越来越关注。 城市众多消费者中，80以上的消费者认为超市食品安全状况好于批发市场和农贸市 场，50左右的高收入和中等收入阶层只到超市购买食品，超市中易变质食品都用冷冻 冷藏陈列柜进行储存。有关调查表明：目前大多超市冷藏陈列柜内的食品温度都达不到 卫生标准，柜内温度一般都不能保证 8，更不说使食品的温度低于 5了，这给食品 的质量造成很大的危害。 有关专家认为超市内食品的冷冻冷藏是食品冷链里最薄弱的环 节1。 1.3 国内外研究现状 1.3 国内外研究现状 为了改善冷冻冷藏陈列柜的性能，国内外学者开展了许多卓有成效的工作，主要体 现在以下几个方面：利用 fluent 软件包数值模拟和化学试剂 ticl4可视化实验对陈列柜 风幕的流动特性进行了研究，提出了一些有效的风幕优化设计方法；对制冷剂替代、制 冷剂充注量、节流机构的选用、冷凝机组的配置、模块化蒸发器、融霜及其启停控制等 进行了实验研究和理论分析，为制冷系统的优化设计提供了很多参考依据；通过对陈列 柜热负荷的研究，提出了提高风幕效率、降低室内温湿度、使用夜间罩有利于降低热负 郑州轻工业学院硕士学位论文 2 荷的结论以及利用风幕进出口焓差确定热负荷的方法等等。 1.3.1 风幕的模拟及优化设计 1.3.1 风幕的模拟及优化设计 陈列柜既要保持柜内较低的温度， 又要求有足够大的开放区域方便顾客购买。 因此， 常用冷风幕来隔离陈列柜内外高低温环境。但目前风幕存在阻隔热渗透效率低、冷却效 果不好、冷量损失较大等问题。影响风幕性能的主要因素有：风幕的层数、射流厚度、 射流宽度、 柜门的高度、 射流的初始参数(速度、 紊流度等)以及空气幕两侧的温差等2-3。 用数值模拟的方法对陈列柜风幕的流动特性进行研究， 是目前研究风幕流动特性的 主要方法之一，数学模型一般用 k-紊流两方程模型。为了便于模拟，一般都对初始条 件进行假设，如假设流动为稳态紊流、忽略粘性耗散和热辐射、密度变化只考虑动量方 程与体积力有关的项等，数值计算方法一般采用有限差分法，模拟软件主要有 fluent 和 phoenics 软件包4-9，为了证明数学模型和假设条件的可行性，将模拟结果和实验 值进行比较10-11。 也有学者利用动态粒子速度成像技术12 和 ticl4烟雾技术13对陈列柜 风幕流动特性进行可视化实验研究。通过对风幕速度场、温度场的模拟，提出了一些优 化风幕设计的有效措施14-17。 1.3.2 制冷系统及部件的优化 1.3.2 制冷系统及部件的优化 作为制冷系统的重要组成部分，蒸发器的设计是否合理，对陈列柜的节能效果影响 非常大。有学者研究表明：采用合理的翅片间距组合，能够降低蒸发器结霜带来的不利 影响18-20；采用模块化蒸发器，不间断的制冷及热气融霜，能明显降低能耗，缩短融霜 时间，减小柜内温度波动；将蒸发器分级，温度较高的那一级负责空气的预冷，第二级 采用温度较低的蒸发器部分，可以节约电能、减少融霜次数及融霜加热量；使用高效合 理的蒸发器， 在结霜工况下， 高效蒸发器与普通铜管铝翅片蒸发器相比具有传热效率高、 制冷能力强、融霜周期长、融霜时间短、功率消耗低、节能效果好、有利于陈列柜内温 度稳定等优点，对柜内冷藏冷冻食品的质量有利21。 蒸发器结霜不仅会减少蒸发器表面的换热系数， 而且会增加空气流过蒸发盘管的阻 力，从而减少空气的流量，甚至还会减少陈列柜蒸发器的制冷能力，这对陈列柜的性能 影响很大。陈列柜的结霜量与环境相对湿度有关，环境相对湿度越大，结霜量越多，并 且呈指数关系。陈列柜的融霜方式有自然融霜、电加热融霜、热气融霜。自然融霜比较 节能，但融霜时间长，目前超市陈列柜系统中使用较少；电加热融霜简单可行，目前使 用较普遍，但热量利用率较低；热气融霜传热效果好，融霜时间短，柜内温升小，但其 郑州轻工业学院硕士学位论文 3 控制较复杂，且对蒸发器盘管耐压性要求高。融霜周期越长，相应的融霜时间就长，将 使陈列柜的温升过高，影响陈列柜的性能，因而应减少融霜周期。但频繁融霜不但使系 统变得复杂、 能耗增加， 同时可靠性和寿命要下降。 合理的融霜周期则与柜温控制高低、 柜结构(包括风幕和蒸发器结构)以及柜性能和柜外环境湿温度条件等因素有关，其运行 周期的选择不应使柜内温度回升值超过柜内规定值。 由于冬季的超市相对湿度远小于夏 季，结霜量相应减少，因而其合适融霜周期数应只有夏季的 50。目前融霜控制方式大 多采用定时融霜和稳控融霜，定时融霜简单易行但无法准确控制融霜效果，温度控制融 霜因为要保证不超过柜内的某一温度，将会导致融霜不彻底；即时融霜可以缩短融霜时 间、降低能耗、提高柜内温控精度，但目前仍有一些问题需要解决，所以没有普遍采用 18。 目前陈列柜用的压缩机中，sanyo 半封闭压缩机的性能略优于 copeland 全封 闭涡旋压缩机，而 sanyo 半封闭压缩机、copeland 半封闭压缩机、bitter 半封闭压 缩机的性能相当22。 采用中间注液冷却循环的涡旋压缩机同样适用于冷藏陈列柜23。 从 可靠、节能和低投资出发，商用陈列柜宜用半封闭活塞式压缩机，而非全封闭涡旋式压 缩机；压缩冷凝机组的效率是陈列柜能耗的关键，取决于压缩机的结构和冷凝机组能否 适应陈列柜的变工况运行22。 在冷冻、冷藏设备中使用电子膨胀阀可根据系统变化的需要，更精确的调节膨胀阀 的开启度， 提高工作效率， 起到节能目的24。 但对于陈列柜内温度状况的改善效果不大， 且初期投资较大，目前陈列柜中很少使用25。 国内外一部分学者对制冷剂的替代问题进行了研究， 目前所研究替代 r22 的制冷剂 有 r134a、r407c 等。但 r134a 代替 r22 作为陈列柜制冷源工质时，润滑油需选用酯类 油，且 r134a 价格昂贵，增加了系统投资26。采用 r407c 时，涡旋压缩机需采用中间 注液循环23。部分学者对制冷剂的充注量进行了研究，为制冷系统的设计提供了参考依 据27。 带辅助过冷循环的制冷系统，虽然系统要复杂，设备要增加，但采用合适的混合制 冷剂后， 系统的制冷效率可提高 40%以上， 是采用常规冷凝器机械制冷过冷效率的两倍。 同时，采用结构紧凑的三支流过冷器，省去了原冷凝器机械过冷的体积，在制冷量不变 时，使由主辅循环做成的机组整体体积大小甚至比原机组降低 30%18。 采用多机并联机组，则能根据负荷的不同，依次停止压缩机，提高运转效率。研究 运行表明28：用二台并联机组可以节能 17%，而用合理设计的三台并联机组，节能可达 20%。采用机组并联不仅运行节能，还能满足超市不同冷藏温度的要求。 郑州轻工业学院硕士学位论文 4 1.3.3 陈列柜内温度分布 1.3.3 陈列柜内温度分布 由于食品的冷藏温度一般为 05，温度过高会增加食品内细菌的繁殖，影响食 品质量；温度过低，会使食品冻伤。有关研究表明29-31：食品陈列柜内温度分布很不均 匀，以立式敞开式陈列柜为例，其上层搁架内的温度比底层搁架内的温度低，货架后部 的温度比前部低。olsson 等32研究表明：搁架的前部温度比后部温度高 5k 左右，前排 食品温度比后排食品温度高 24k。faremarzi 和 woodworth33研究发现：顶排搁架的 平均温度比底排搁架的平均温度大约低 2k。 1.3.4 陈列柜热负荷 1.3.4 陈列柜热负荷 陈列柜的热负荷主要由柜壁与外界传导漏热、辐射换热、外界空气渗透热负荷、遗 留热负荷、防露器加热负荷、灯光和风扇散热这六部分组成，其中渗透热负荷所占比例 最大，风扇散热占比例最小34-35。陈列柜的热负荷一般很难准确计算，有学者利用风幕 进出口的焓差来确定热负荷的大小36。降低陈列柜热负荷，有利于降低其制冷机组的耗 功。有研究表明：根据营业情况，合理使用夜间帘或夜间遮盖、合理安排柜内的照明， 有利于节约能源和降低压缩机的磨损率37-38； 以及根据相关温湿度的变化情况及时调整 防露加热器的功率，有利于降低防露器加热负荷，节省运行费用39；在保证风幕正常工 作的前提下，降低环境相对湿度也有利于降低系统负荷40-42。 1.4 本文的主要工作 1.4 本文的主要工作 由以上文献综述可见，尽管国内外很多学者对冷冻冷藏陈列柜进行了大量的理论和 试验研究，但主要集中在如何通过优化风幕和改进制冷系统及部件来降低陈列柜能耗、 陈列柜热负荷的组成及计算、柜内温度分布以及食品温度较高等方面，对如何降低立式 冷藏陈列柜内温度差异和降低食品温度的报道很少。本文试图通过优化食品摆放形式、 利用强化传热元件等方式来降低食品温度、改善柜内温度分布。本文的主要工作如下： 1.对影响陈列柜内食品温度的因素进行分析， 研究柜内温度分布不均及食品温度较 高的原因；利用 fluent 软件包对柜内的温度场及流场进行数值模拟，深入研究柜内温 度分布不均的主要原因。 2.根据欧洲冷藏陈列柜测试标准（bs en -441） ，设计并建立了食品冷藏陈列柜试 验装置及试验室恒温恒湿空调系统；以美国 ni 公司的虚拟仪器为开发平台，设计数据 采集系统。 郑州轻工业学院硕士学位论文 5 3.通过试验研究立式冷藏陈列柜每层冷藏空间内沿着柜深方向食品温度的分布情 况、冷藏气体温度的分布以及搁板表面的温度分布；通过试验数据了解该陈列柜内的温 度分布情况，并对温度分布不均及温度较高的原因进一步分析和研究。 4.通过试验研究柜外环境对柜内冷藏食品温度的影响， 提出一些改善措施来提高柜 内食品的冷藏效果。 5.通过试验研究食品的陈列方式对其温度分布的影响， 试图通过优化食品的摆放形 式来降低食品温度、改善柜内温度分布。 6.食品底部与搁架之间的热量传递比较薄弱，针对该问题，设计并制作了热管，将 其敷设在搁板底部，用以强化食品与搁板之间的热量传递，从而降低食品温度、改善柜 内食品的冷藏效果，通过试验对改进后的效果进行研究。 郑州轻工业学院硕士学位论文 6 第二章 陈列柜内温度分布的理论分析及数值模拟 第二章 陈列柜内温度分布的理论分析及数值模拟 2.1 陈列柜的工作原理 2.1 陈列柜的工作原理 陈列柜系统主要由制冷系统和风系统组成，制冷系统用来提供冷藏食品所需冷量， 风系统将冷量送至陈列柜内冷藏空间，并形成风幕。工作原理如图 2-1 所示：风幕的回 风在风机的作用下，分为两路，一路经过蒸发器进行减湿降温，另一路通过后部小通道 形成外层风幕，主要用来隔离陈列柜外热湿环境。经过蒸发器的回风减湿降温后又分为 两部分：一部分由陈列柜后部挡板上的送风小孔送入陈列柜内冷藏食品；第二部分形成 内层风幕，用来隔离陈列柜内外环境，同时冷却柜内前排食品。当蒸发器需要融霜时， 制冷系统不运行，风系统仍然循环，利用回风的热量对其进行融霜。 图 2-1 立式冷藏陈列柜纵截面示意图 fig.2-1 a typical multi-deck type display cabinets 2.2 影响柜内冷藏食品温度的因素 2.2 影响柜内冷藏食品温度的因素 食品的温度不仅受柜内冷藏气体温度、气流速度、搁板表面温度、背风板冷辐射的 影响，还受柜外空气温湿度、灯光辐射、超市内顾客流动状况、食品的陈列样式、摆放 位置及食品本身热物性的影响。概括起来，食品温度主要受陈列柜内环境和陈列柜外环 郑州轻工业学院硕士学位论文 7 境两方面的影响。陈列柜制冷系统运行时，食品与冷气体间的受迫对流换热以及与搁板 间的热传导主要用来降低食品温度，而灯光辐射散热及超市内的热渗透使食品温度升 高。 由于立式敞开式冷藏陈列柜主要用风幕来隔离柜外的热湿环境，风幕的风速越高， 其隔离效果越好，此时食品温度主要受柜内环境的影响，柜内温度降低，食品的冷藏效 果容易得到保证，但较高的风速会使顾客感到很强的不舒适感，影响顾客选购商品，且 较高的风幕风速会增加柜内冷量的外溢， 造成冷量浪费， 并增加冬季超市内的采暖负荷。 风幕风速降低， 其隔离效果会变差， 柜外空气热湿渗透加大， 导致柜内冷气体温度升高， 影响柜内冷藏食品的温度；另外，湿度的增加会加剧制冷系统蒸发器的结霜，阻碍蒸发 器表面的热量传递，从而降低系统的制冷量，导致柜内气体温度降下降速度变慢，延长 高温气体对食品的影响；同时，结霜量的增大导致融霜时间变长，由于融霜时制冷系统 不运行，柜内温度升高，且融霜后柜内温度恢复到正常的温度范围仍需很长时间，同样 延长了高温气体对食品温度的影响。 2.3 影响柜内温度分布的因素 2.3 影响柜内温度分布的因素 由陈列柜的工作原理可知，不同位置食品周围的气体流速及温度均不相同，且冷气 体温度及流速对搁架后中排食品的冷藏效果影响较大。 同层搁架中气流流速的不同是因 为背吹风在向前流动的过程中受食品阻挡而流速降低； 温度不同是因为背吹风在向前流 动的过程中吸收食品的热量而温度升高。对不同搁架冷藏空间而言，由于风幕的流动特 性及背吹风的数量不同，很难保证陈列柜内冷藏气体相同的温度及速度。柜内前排食品 受内层风幕的温度、速度以及超市内灯光辐射、热湿环境等外界环境的影响较大，由于 风幕在流动过程中与外界环境进行热湿交换，温度逐渐升高，其对前排食品的冷藏效果 逐渐降低。由此可见，陈列柜内温度分布不均，主要是由陈列柜本身的结构及食品的陈 列方式所决定。为了形象、深入地研究该问题，通过 fluent 软件包对空载陈列柜内温度 场及流场进行数值模拟。 2.4 陈列柜温度场、流场的数值模拟2.4 陈列柜温度场、流场的数值模拟43 2.4.1 数学模型 2.4.1 数学模型 2.4.1.1 基本假设 沿陈列柜长度方向（除两端外） ，柜内温度分布及气体流动特性基本类似，所以陈 郑州轻工业学院硕士学位论文 8 列柜模型可以简化为二维模型；风幕的送回风作均匀流速、单向流动处理；空气幕出口 简化为一矩形，其面积和实际射流出口净面积相同；忽略粘性耗散和灯光照明引起的辐 射换热；采用 boussinesq 假设，除密度以外其它物性为常数，而且密度变化只考虑动量 方程中与体积力有关的项；外边界采用足够大的计算区域，将空气幕及柜内空气流动对 环境空气的影响控制在所取计算区域之内。 2.4.1.2 控制方程 （1）连续性方程 ()() 0 uv xy += （2-1） （2）动量方程 ()() 2 22 22 u uu v u uv puu xyxxyxy += + （2-2a） ()() 2 22 22 u vv v v uv pvv g xyyxyxy += + （2-2b） 其中：分子粘性系数； g考虑重力作用的体积力项。 , , u uu vv v雷诺应力项，按boussineq假设计算47，对不可 压缩流体为： , () j i ijti jt ji u u uup xx = + (2-2c) （3）能量方程 ()() 22 22 p utvt ttu tv t xycxyxy +=+ （2-3） 上式中由于湍流脉动而引起的附加热量传递，采用以下公式与湍流黏性系 数联系起来： jt j t u t x = （2-3a） t t t = （2-3b） 其中，温度的湍流普朗特数t取值为1.3。 郑州轻工业学院硕士学位论文 9 （4）湍流脉动动能k方程 ()() 22 22 t p k ukvk uv p xyxy +=+ （2-4） 其中：pp为湍流脉动动能的产生项，计算式为： jj i pt iji uu u p xxx =+ （2-4a） （5）湍流脉动动能耗散率方程 ()() () 22 12 22 t p uv c pc xyxyk +=+ （2-5） 2.4.1.3 边界条件的建立 陈列柜内壁面为钢板，其导热系数较大，由于长时间与周围冷气体接触，因此可设 为等温边界，壁面温度与周围冷气体温度相同；假设流体与固体壁面无滑移，壁面上空 气流速为零。扩展后的表面为等温壁面，温度与超市内环境温度相同，边界处空气的流 动速度为0m/s。风幕出风口可近似认为均匀流动，由于射流速度远大于横向速度，横向 速度可以忽略，仅考虑射流主流速度；空气幕出口射流温度由试验进行测定。风幕回风 口处的负压为0.1个大气压。 2.4.2 模拟结果分析 2.4.2 模拟结果分析 图2-2（a）为陈列柜内温度分布模拟图，由图可知：空载柜陈列柜内不论是水平方 向还是垂直方向温度分布都不均匀，即陈列柜冷藏空间本身就存在较大的温差；此外， （a）温度分布 （a）temperature distribution 郑州轻工业学院硕士学位论文 10 （b）速度矢量 (b) velocity vector 图 2-2 计算区域内的温度分布及速度矢量图 fig.2-2 temperature and velocity distribution chart 风幕在向下流动的过程中温度逐渐升高，即沿着垂直方向，风幕也不可避免存在一定的 温差。由此可知，陈列柜本身结构的特点是柜内温度分布不均主要原因之一。图2-2（b） 为陈列柜内气流的速度矢量图，比较图2-2（a）和2-2（b）可以发现：陈列柜内等温线 与等速线的分布形状基本类似，这说明陈列柜内流场对其温度场的影响较大，即食品的 陈列方式对柜内温度分布的影响也较大。 2.5 小结 2.5 小结 敞开式冷藏陈列柜内食品的温度不仅受柜内冷气体的影响， 受柜外环境的影响也很 大，主要受柜外气体的温度、湿度、照度、气流等影响。柜内食品温度分布不均主要是 由于陈列柜本身的结构特点及食品的陈列方式所决定。 郑州轻工业学院硕士学位论文 11 第三章 试验装置的建立 第三章 试验装置的建立 3.1 试验室的设计 3.1.1 试验室的搭建要求 3.1 试验室的设计 3.1.1 试验室的搭建要求44 根据欧洲冷藏陈列柜测试标准bs en441-4， 我国陈列柜的测试选用第3类气候类型。 试验室内温度要求 25，允许波度1；相对湿度要求 60，允许波度3。另外， 房间的墙面、地板以及天花板必须为浅色，保证在 25时的发射率为 0.91；灯光的 安装须保证离地板1米处的照度为600100lux；房间内垂直方向的温度梯度不超过 2 /m， 总温度梯度不超过 6； 陈列柜关闭时， 其前纵平面内水平风速必须保持在 0.1 0.2m/s 之间。 图 3-1 食品冷藏陈列柜前所需气流方向 fig.3-1 direction of air flow before food display cabinets 3.1.2 维护结构 3.1.2 维护结构 试验室为房中房结构，尺寸为 420036003600(长宽高，单位 mm)。维护结 构的材料为夹心彩钢板， 夹心保温材料为聚苯乙烯， 保温材料的厚度 7cm， 漏冷率为 1%。 为了保证试验室的气密性，彩钢板与地面连接处用玻璃胶进行密封，彩钢板之间的连接 处采用扣接，门为洁净室专用密封门。 3.1.3 恒温恒湿空调系统 3.1.3 恒温恒湿空调系统 （1）空调系统形式及风量 郑州轻工业学院硕士学位论文 12 恒温恒湿环境的空调系统形式一般均为全空气系统， 送风风量对空调房间精度的影 响较大。有关资料研究表明：温度精度1的试验室，换气次数为1015次/h，温度 精度在0.5时，换气次数在1530次/h之间。根据温度精度要求，本试验室换气次 数可取13次/h左右。考虑到较高的相对湿度精度要求，换气次数取30次/h左右。 （2）气流组织 为了保证试验室内的风速要求，以及考虑到室内较高的温湿度精度要求，本设计主 要采用全面孔板送风、架空活动地板回风的上送下回式气流组织。另外，采用支流风道 连接狭长型风口（风口内部设有整流叶片，保证气流均匀）来满足水平风速要求，并在 支流风道上装设插板来控制水平风速。 由于冷藏陈列柜制冷系统的冷凝器放置在底部，当制冷系统运行时，其相当于一个 集中热源，为了保证室内良好的温度场，增加陈列柜后部空调送风孔板的送风面积，同 时增加相应位置回风口的面积，即增加局部送回风量。 （3）空调机组 选用airflow机房专用恒温恒湿空调机组afx-102a，总制冷量为6.6kw，温度 控制精度为1，湿度控制精度为3，由回风段、减湿降温段、加热段、加湿段和 送风段组成。 风机为离心式， 风量为2040m3/h； 加热器为三相平衡的翅片管式电加热器， 加热功率为7.5kw，加热级数为1；加湿器为电极式，加湿量为2.3kg/h，功率为1.7kw。 图 3-2 试验室实物图 fig3-2 picture of the lab 3.2 温度采集系统 3.2 温度采集系统 郑州轻工业学院硕士学位论文 13 3.2.1 测温元件及标定 3.2.1 测温元件及标定 采用t型热电偶作为测温元件，热电偶由直径为0.2mm的铜和康铜焊接而成。焊 接前将漆包线前部的绝缘漆皮和氧化层用小刀轻轻划掉， 并把两根导线端头按麻花状扭 在一起（扭的圈数尽量少） ，焊接方法为电弧焊接法。由于康铜丝的热电复性差，为了 保证温度测量的准确，采用恒温水浴法对其进行标定。恒温端放置在冰水混合物中（图 3-3暖瓶中亦为冰水混合物） ，温度保持0，热端放置在hj3a恒温槽中（图3-3中右 侧） ，采用ni公司的数据采集系统对电动势进行测量、记录和标定。 图 3-3 热电偶标定实物图 fig. 3-3 the picture of thermocouple demarcation 3.2.2 数据采集系统简介3.2.2 数据采集系统简介45 本试验用数据采集仪器为美国国家仪器公司(national instrument，简称ni)提供的虚 拟仪器 (virtual instrument)。所谓虚拟仪器，就是利用计算机程序和相应的硬件设备来 实现对被测量的采集、分析、判断、显示、数据存储等，其基本思想是尽可能地用软件 代替硬件。一般分为数据采集、数据分析、结果显示三大模块，其中数据采集模块主要 完成数据的调理采集；数据分析是对数据进行各种分析处理；结果显示则将采集到的数 据和分析后的结果表达出来。从结构上看，虚拟仪器软件和硬件两部分。ni虚拟仪器 的编程语言为labview（laboratory virtual instrument engineering workbench） ，是一种图 形化编程语言，不需要编写程序文本，只需要组合图形和线条，能够简化虚拟仪器系统 的开发过程、缩短系统的开发和调试周期；硬件组成主要包括pxi-1042、scxi模块和 scb-68接线盒。其中pxi-1042包括pxi-8186处理器和pxi-6251采集卡；scxi模块 包括机座模块scxi-1000、热电偶模块组scxi-1102、scxi-1125可编程隔离放大器和 郑州轻工业学院硕士学位论文 14 scxi-1180。 3.2.3 温度采集系统设计 3.2.3 温度采集系统设计 （1）硬件系统设计 本试验用虚拟仪器的主要硬件有pxi-1042主机、pxi-8186处理器、pxi-6251采集 卡、scxi-1349数据线、scxi1000机箱、热电偶模块组scxi-1102、热电偶接线盒 scxi-1303、调理模块scxi-1180。将热电偶连接在scxi-1303接线盒上，通过该接线 盒与scxi-1102相连，scxi-1349将采集调理后的信号送到pxi-6251采集卡，pxi-8186 处理器在measurement & automation和labview软件的支持下完成数据的观察、 记录、 初步分析及保存等功能。监测系统原理图见3-4，实物图见3-5所示。 图 3-4 基于 pxi 和 scxi 的多元温度监测系统原理图 fig.3-4 principle picture of multi-temperature supervise and measurement system 图 3.5 监测系统硬件实物图 fig.3.5 picture of supervise and measurement system （2）软件系统设计 由于measurement & automation软件中默认的温度输入信号是针对标准热电偶而 郑州轻工业学院硕士学位论文 15 言，只能进行温度补偿的设定，不能输入标定后的电动势与温度关系式，所以输入信号 选择为电动势。由于电动势和温度成线性关系，所以实际测量时，可通过热电偶校验关 系式的转换，使结果输出为温度值。通过labview软件编程对设定好的daq程序进行 连接，温度的采集频率为每1分钟采集1次，对测量的数据进行自动记录、显示、保存， 并根据指定路径对所需数据进行保存，温度采集程序如图3-6所示。 图3-6 温度采集程序框图 fig.3-6 the temperature measurement program 3.3 小结 3.3 小结 根据欧洲冷藏陈列柜测试标准bs en441-4，建立了陈列柜测试试验室，设计恒温 恒湿空调系统；制作、标定铜康铜热电偶，并设计了基于虚拟仪器的温度采集系统。 郑州轻工业学院硕士学位论文 16 第四章 陈列柜内温度分布的试验研究 4.1 试验方案 4.1.1 食品包的制作 4.1 试验方案 4.1.1 食品包的制作 食品包用吸有一定质量盐水的海绵代替，每块食品包中含有盐水的质量相同、盐水 的浓度相同，海绵的尺寸和总重量均参照bs en441-4标准。本试验食品包的尺寸为 50 100200（单位 mm） ，质量为 1000g，食品包外用保鲜膜封，用来阻止其与周围空气 的湿交换。 4.1.2 食品包的放置及测量点的布置 4.1.2 食品包的放置及测量点的布置 陈列柜中食品包的放置如下：每层搁架均放置3排，每排6块，食品包为双层，即 每层冷藏空间36块，陈列柜内共放置食品包144块。一般而言，食品的核心部位最难 冷却，所以本试验的测量温度均为食品的核心温度。开启恒温恒湿空调机组以及食品冷 藏陈列柜，当试验室内温湿度达到测试要求后，通过ni虚拟仪器对食品的核心温度进 行测量，并对数据进行整理、分析。 图 4-1 试验包的摆放与测温点的布置 fig.4-1 schematic of the food samples and thermocouples 郑州轻工业学院硕士学位论文 17 4.2 试验结果及分析 4.2.1 第 1 层冷藏空间温度分布 4.2 试验结果及分析 4.2.1 第 1 层冷藏空间温度分布 如图4-2所示：第1层冷藏空间搁板前部表面温度大约为 9，搁板中部温度约为 6.5，搁板后部温度约为 5.5，其中搁架前部温度最高，后部温度最低，搁板表面最 大温差为 3.5左右。如图 4-3 所示：第 1 层冷藏空间前部温度为 5左右，中部温度 约为 5.3，后部温度约为 6，最大温差约为 1。从图 4-4 可知：前排食品温度约为 8.8，中排食品温度约为 8，后排食品温度约为 6.5，其中前排食品温度最高，后 排食品温度最低，两者温差约为 2.3。 4 5 6 7 8 9 10 14710 1316 1922 2528 时间（m） 温度（） 搁板前部温度 搁板中部温度 搁板后部温度 图 4-2 第 1 层冷藏空间搁板不同位置的表面温度 fig.4-2 temperatures of the shelf in 1 floor 3 4 5 6 7 8 14710 13 16 1922 25 28 时间（m） 温度（） 冷藏空间前部温度 冷藏空间中部温度 冷藏空间后部温度 图 4-3 第 1 层冷藏空间不同位置冷气体的温度 fig.4-3 temperatures of chilled air in 1 floor 郑州轻工业学院硕士学位论文 18 比较图4-2和4-3可知：该冷藏空间搁架前部温度很高，而该处冷藏气体的温度却 较低。这是因为第 1 层冷藏空间背风板上没有送风小孔，即没有背吹风，食品的冷藏主 要是通过内层风幕的冷却作用以及背风板的冷辐射。 由于陈列柜内部前上方装有 4 盏日 光灯，灯光辐射散热对该冷藏空间前部影响很大，所以搁板前部温度较高，但由于前部 气体一直处于流动状态，且内层风幕出口冷风不断将该处热气体带走，所以冷藏空间前 部气体温度仍然很较低，温度比该处搁板表面温度低 4左右。 4 5 6 7 8 9 10 14710131619222528 时间（m） 温度（） 前排食品温度 中排食品温度 后排食品温度 图 4-4 第 1 层冷藏空间不同位置食品的温度 fig.4-4 temperatures of food samples in 1 floor 从图4-24-4可以看出：搁板表面温度和食品的温度波动较小，冷气体温度波动较 大，并且冷藏空间前部气体温度波动最大，最大波动幅度达1.5。这是因为冷藏空间 前部气体离柜外热湿环境最近，尽管有风幕的阻隔，但由于风幕效率较低，很容易受外 界热渗透的影响。 从图4-24-4还可以看出：搁板表面温度和食品温度都是沿着柜深方向逐渐降低， 而冷藏空间气体温度却是沿着柜深方向逐渐升高。这是因为内层风幕出口流速较高，动 压较大，导致柜内侧静压较小，风幕在内外压差的作用下向柜内侧倾斜，流至第1层搁 板时，部分冷气体受搁板的阻挡而向柜内流动，从而冷却该层空间内的食品，冷气体在 向后流动的过程中因吸收食品的热量而温度升高。搁板后部表面温度较低，是因为其受 灯光辐射散热和外界热渗透的影响较小，且受到背风板冷辐射的冷却作用。食品中后排 温度较低， 除了受灯光辐射散热和外界热渗透的影响较小以及受到背风板冷辐射的冷却 作外，主要受搁板表面温度分布的影响。 郑州轻工业学院硕士学位论文 19 4.2.2 第 2 层冷藏空间温度分布 4.2.2 第 2 层冷藏空间温度分布 如图4-5所示：搁板前部表面温度最高，中部温度最低，前中部温差约为1；搁 板中后部温差较小，两者最大温差仅有 0.4；搁板前部温度波动较大，波幅最高达1 。 如图 4-6 所示： 冷藏空间中后部气体温度相差很小， 一段时间内两者温度几乎相同； 前部气体温度波动很大，温度波动幅度有时高达 2.5，前部气体平均温度约为 9.5， 则冷藏空间前中部温差为 1左右。如图 4-7 所示：食品的温度波动较小，前排食品温 度为 11，中排食品的温度约为 8.5，后排食品的温度约为 7.8，前后排食品的温 差约为 3.2。 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 14710 13 16 19 22 25 28 时间（m） 温度（） 搁架前部温度 搁架中部温度 搁架后部温度 图 4-5 第 2 层冷藏空间搁板不同位置的表面温度 fig.4-5 temperatures of the shelf in 2 floor 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 1591317212529 时间（m） 温度（） 冷藏空间前部温度