（制冷及低温工程专业论文）双冷风柜联柜系统的动物特性研究.pdf

一 v iilliilll。lliilllll。l14ll - 上海水产大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已经明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我 对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：录象及 蹶节多月2 f 日 上海水产大学学位论文版权使用授权书 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 保密 徊，在乙年解密后适用本版权书。 学位论文作者竽名：孑彩公指导教师签名：彳乙季屯舀l 日期：d 7 年肜j 日日期：o 7 年角吖日 上海水产大学硕士学位论文 目录 摘要i abstr act iii 第一章绪论1 1 1 课题的研究背景1 1 2 国内外陈列柜研究发展现状2 1 3 本课题研究的意义及主要研究内容6 第二章传统立式敞开式陈列柜性能特性的分析8 2 1 立式陈列柜的结构特点以及工作原理9 2 2 立式陈列柜的热负荷组成1o 2 3 风幕的特性分析1 1 2 4 影响立式陈列柜性能的主要因素12 2 5 小结16 第三章双冷风柜系统试验台的建立及测试方法17 3 1 单体冷风柜的设计17 3 2 供冷风系统的设计l8 3 3 实验室测试环境控制设备23 3 4 测量仪器25 3 5 测量方法简介27 3 6 小结29 第四章冷风柜联柜系统送风均匀性的数值模拟30 4 1fluent 软件简介3o 4 2 简化假设3 1 4 3 数学模型和基本控制方程_ 31 4 4 边界条件和相关参数的确定32 4 5 模拟计算结果与讨论34 4 6 对比试验3 7 4 7 结论3 9 第五章双冷风柜联柜系统的运行均匀性和稳定性研究4 0 5 1 双冷风柜联柜系统的运行均匀性研究4 0 5 2 送风速度对双柜系统的运行均匀性影响4 4 5 3 冷风柜双柜系统的运行稳定性研究48 5 4 小结50 i - i i r i l t 上海水产大学硕士学位论文 第六章引入室外冷风节能运行的可行性分析5 2 6 1 室外冷源的可利用程度分析52 6 2 引入环境冷风冷风柜系统试验台的建立54 6 3 环境冷风波动对双柜运行系统的影响55 6 4 引入环境冷风的冷风柜节能运行可行性分析59 6 5 小结60 第七章结论与展望61 7 1 本课题研究的结论61 7 2 进一步的研究的方向6l 7 3 展望62 参考文献6 3 主要符号表66 致谢6 7 r ， r r r r 双冷风柜联柜系统的运行特性研究 摘要 随着冷冻冷藏食品业的发展，对冷冻、冷藏陈列柜的研究和开发越来越深入。 本文在传统陈列柜的研究测试的理论基础上设计了新的冷风柜及其供冷风系统， 以集中供冷风的方式打破了传统的柜内循环送风的模式。 本文搭建了双冷风柜及其供冷风系统的实验台，并在实验台上进行了双冷风 柜联柜系统的运行特性研究和引入环境冷风节能运行的可行性研究。 本文使用f l u e n t 软件对供冷风送风管道进行了二维数值模拟，分析送风管道 内的速度分布的特点。通过对不同风门开度下的送风管道进行模拟，研究送风管 道风量分布情况，得出了风门开度为3 5 时，两个送风口的送风分布最佳。本文经 过相同工况下对比试验的验证，得出对供冷风送风管道的c f d 数值模拟具有较高 的可靠性和精度。 在冷风柜联柜系统的运行特性研究中，我们对冷风柜双柜系统的运行均匀性 和稳定性进行了研究。通过对比分析联合运行过程中双柜系统中的两台冷风柜的 货架各层平均温差，我们发现双柜柜内温度分布的均匀性仅与冷风柜的出风速度 接近程度有关，出风速度越接近，双柜柜内温度分布越接近；通过对运行过程中 双柜系统的最大温差的变化分析，我们认为为了维持冷风柜联柜系统正常运行， 保证联柜系统内各冷风柜满足柜内均匀性要求，联柜系统内各冷风柜的内风幕出 风风速相差不应大于0 2m s 。 在运行稳定性研究中我们设计冷风柜和传统陈列柜在相同工况下连续运行8 小时，冷风柜集中送风方式翅片结霜情况相对传统方式要好很多，内风幕平均速 度仅下降了7 ，而传统方式下降了近4 0 ，柜内的温度波动也相对较小，在稳定 性方面比传统陈列柜有明显优势。 在引入环境冷风节能运行可行性研究中，我们对环境波动对冷风柜系统的性 能影响进行研究。实验表明，在我们搭建的实验台上，通过直接引入当时当地的 i ， r r 室外环境冷风制冷运行时，联柜系统的柜内温度变化随室外环境工况波动值在5 5 以内，满足一般高温陈列柜的波动性能要求。通过对不同地区、季节冷源可利 用程度的分析，考虑环境波动对冷风柜性能的影响，提出了利用室外天然冷源实现 柜内温度恒定运行的方案，以达到冷风柜的节能运行。 关键字：冷风柜，联柜系统，c f d ， 运行特性，天然冷源，可行性 - 一 一 一 一 t h e o p e r a t i o np e r f o r m a n c e o f t h ed u a la i r c o o l i n gc a b i n e ts y s t e m a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e n to ff r e e z i n ga n dc h i l l i n gf o o di n d u s t r y , t h er e s e a r c ha n d e x p l o i t a t i o no fr e f r i g e r a t e dc a b i n e tb e c o m e sm o r ea n dm o r ei n t e n s i v e t h i sp a p e r d e s i g n e dan e wa i rc o o l i n gc a b i n e ta n dt h ec o l da i rs u p p l ys y s t e mb a s e do nt h e r e s e a r c h e sa n d e x p e r i m e n tf o r t r a d i t i o n a lc a b i n e t s ，w h i c h u s i n gt h e m e t h o do f c o n c e n t r a t e da i rs u p p l yi n s t e a do ft h et r a d i t i o n a la i rs u p p l ym o d e lo f d i s p l a yc a s e s t h ee x p e r i m e n ts e tu pt h ee x p e r i m e n t a lb e n c ho fd u a la i rc o o l i n gc a b i n e t sa n d t h es y s t e mo fi t sa i rs u p p l y m e a n w h i l e ，t h er e s e a r c h eo fo p e r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c sf o r t h eu n i tc a b i n e ts y s t e ma sw e l la s t h e f e a s i b i l i t yf o re n e r g ys a v i n gb yi n h a l i n g s u r r o u n d i n gc o o la i rw e r ec o n d u c t e d t h i sp a p e rs i m u l a t e dt w o - d i m e n s i o nv e l o c i t yf i e l do ft h ea i rs u p p l yp i p eb yc f d s o f t w a r e f l u e n t6 0 ，a n da n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fv e l o c i t yf i e l di nt h ea i r s u p p l yp i p e t h r o u g hs i m u l a t i n gd i f f e r e n to p e n i n go ft h ea i rv a l v ea sw e l la ss t u d y i n g t h ed i s t r i b u t i o no fa i ri nt h ed u c t s ，o p e n i n gt h e3 5a i rv a l v ew a st h eb e s ta i rd i s t r i b u t i o n o ft w oa i ri n l e t a f t e rc o m p a r e i n gt h es i m u l a t i o nv a l u ew i t ht e s t i n gv a l u eu n d e rt h e s a m ec o n d i t i o n s ，t h ec o n t r a s t i v er e s e a r c hi n d i c a t e dt h a tt h ec f ds i m u l a t i o no fa i r s u p p l yd u c th a sp r e c i s i o na n dr e l i a b i l i t y i nt h eo p e r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c sr e s e a r c ho ft h ed u a la i rc o o l i n gc a b i n e ts y s t e m , t h eu n i f o r m i t ya n ds t a b i l i t yo ft h ed u a la i rc o o i n gc a b i n e ts y s t e mw a sd i s c u s s e d a f t e r c o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h ed i f f e r e m ei nt e m p e r a t u r ei ne v e r ys h e l ff i e l do ft h et w oc a b i n e t s ， i ti sf o u n dt h a tt h eu n i f o r m i t yo ft e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nt w oc a b i n e t sj u s tr e l a t e dt o t h ev e l o c i t yc l o s i n gd e g r e eo fd i s c h a r g ea i r , w h i c hm e a n st h ec l o s e rt h ev e l o c i t yi s ，t h e m o r ea p p r o x i m a t et h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nb e t w e e nt w oc a b i n e t s a c c o r d i n gt ot h e a n a l y s i sm a xd i f f e r e n c ei nt e m p e r a t u r eo ft h ed u a la i rc o o l i n gc a b i n e ts y s t e m ，t h e v e l o c i t yd i f f e r e n c eo fi n s i d ea i rc u r t a i nb e t w e e nt w oc a b n e t ss h o u l db el e s st h a n0 2 m s ， w h i c he n s u r e st h er e g u l a rf u n c t i o na n dm e e t st h er e q u i r e m e n to ft h eu n i f o r m i t yi nt h e c a b i n e t s i nt h es t a b i l i t yr e s e a r c ho ft h ed u a la i rc o o l i n gc a b i n e ts y s t e m ，t h ea i rc o o l i n g ， ， ， c a b i n e ta n dt h et r a d i t i o n a lo n es i m u l t a n e o u s l yr u n8h o u r su n d e rt h es a n l ec o n d i t i o n s t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tf r o s t i n gp e r f o r m a n c eo ft h ec e n t r a la i ra p p l yi sb e t t e r , t h e a v e r a g ev e l o c i t yo ft h ei n s i d ea i rc u r t a i no n l yr e d u c e d7 w h i l et h a to fc o n v e n t i o n a l m o d ed e c l i n e da b o u t4 0 ，t h ef l u c t u a t eo ft h et e m p e r a t u r ei n s i d ew a sr e l a t i v e l yl i t t l e ， w h i c hm e a n st h ea i rc o o l i n gc a s eh a st h eo b v i o u sa d v a n t a g ei nt h es t a b i l i t y i nt h ef e a s i b i l i t ye x p e r i m e n to fi n h a l i n gs u r r o u n d i n g sc o o la i r , t h ei n f l u e n c et h e p e r f o r m a n c eo ft h es y s t e md u et ot h ef l u c t u a t eo ft h es u r r o u n d i n g st e m p e r a t u r ew a s r e s e a r c h e d i tg o tt h ec o n c l u s i o nt h a tt h et e m p e r a t u r ef l u c t u a t i o no ft h eu n i ts y s t e mi si n t h er a n g eo f5 5 。cw i t ht h ec h a n g eo ft h es u r r o u n d i n gt e m p e r a t u r ea n dm e e tt h e r e q u i r e m e n to f t h ef l u c t u a t i o no fh i g ht e m p e r a t u r ed i s p l a yc a s e t h r o u g ht h ea n a l y s i so nt h ed e g r e eo ft h ea v a i l a b i l i t yo fc o l ds o u r c ei nd i f f e r e n t a r e a sa n dd i f f e r e n ts e a s o n s ，a n dc o n s i d e r e dt h ef l u c t u a n ti n f l u e n c eo ft h es u r r o u n d i n g t e m p e r a t u r e ，t h i sp a p e ro f f e r e ds e v e r a ls c h e m e st o r u nt h ed u a la i rc o o l i n gc a b i n e t s y s t e mu n d e rt h e c o n s t a n tt e m p e r a t u r eb yi n h a l i n gn a t u r a lc o l dr e s o u r c e ，w h i c h c o n f i r m e dt os a v ee n g e r y k e y w o r d s ：a i rc o o l i n gc a b i n e t , t h eu n i t e dc a b i n e t ss y s t e m , c f d ，p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c ，n a t u r a lc o l ds o u r c e ，f e a s i b i l i t y ， ， ， 上海水产大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 随着人民生活水平的提高，消费者对保鲜冷冻冷藏食品在数量、品种和质量上 的要求越来越高。为了保证食品能以优良的品质供应给消费者，必须建立一条包括 从生产到储藏、运输、销售等环节完整的冷藏冷冻网，应运而生的冷冻冷藏业因此 得到了迅速的发展。近年来，国内冷冻冷藏业的发展非常快，根据资料统计，我国 1 9 9 5 年冷冻食品的生产量仅为3 万吨，1 9 9 8 年就发展到年产量1 5 万吨，1 9 9 8 年后更 以每年2 0 的增长速度递增。国外冷冻食品的消费也逐年递增。从1 9 9 5 年的人均消 费2 公斤跃升为2 0 0 4 年的人均8 公斤。2 0 0 4 年，中国冷冻冷藏食品工业的总产值达 4 5 6 5 6 亿元人民币，总产量达1 2 0 0 万吨，年销售额约1 0 0 亿元【l j 。随着全球经济一 体化的不断推进和中国加入世界贸易组织，食品工业面临着更大的机遇和更多的 挑战，冷冻食品作为中国传统食品工业化的切入点，将有更大的发展，具有广阔 的前景。 随着冷冻冷藏食品业的发展，冷冻冷藏食品的质量要求也越来越高。在其生 产、贮藏、运输销售、直到消费前的各个环节中要求始终处于规定的低温环境中， 而这种在低温环境条件下的物流现象也称之为食品冷藏链。食品冷藏链由冷冻冷 藏加工、冷冻冷藏贮藏、冷冻冷藏运输、冷冻冷藏销售四个方面构成睇1 。近年来， 随着经济的发展，中国的超市和大卖场也越来越多。城市中超级市场的大量涌现， 己使之成为食品冷冻冷藏销售的主要渠道。目前，仅上海就有大卖场7 0 多家，其 中面积在一万平方米以上的就有4 0 多家，连锁超市更是多达8 0 0 0 家p 】，并且还在不 断的发展当中。国外的零售业巨头纷纷进驻国内市场，沃尔玛、家乐福、麦德龙、 欧尚等在国内的业务增长迅速。 在各类型的超市中，制冷陈列柜由于其优越的展示性、方便顾客选购，因此 使用也越来越多。在北京燕莎望京购物中心，冷冻冷藏食品销售区占整个食品销 售面积的四分之一，冷冻冷藏食品的销售额占整个食品销售额的一半【4 】。因此存放 冷冻冷藏食品的陈列柜不可避免地成为超市的主要设备。 我国是一个能源短缺的国家，节能是对电器设备的第一要求。而陈列柜正是 耗电量大的一种用电设备，在所有的制冷设备中，商用制冷陈列柜的年使用时间 最长。一般情况下，家用单冷式空调年使用时间约为9 0 0 5 时，家用冷暖式空调年 - - - ， 上海水产大学硕士学位论文 使用时间约为2 0 0 0 b 时，小型冷库制冷设备的年使用时间约为3 9 0 0 d 、时，而商用 制冷陈列柜的年使用时间为8 7 6 0 d 、时，是家用空调的4 4 9 7 倍，是小型冷库的2 2 5 倍。所以，在选用商用制冷陈列柜时，除了考虑外观、造型、展示性等商用价值 外，低能耗应该成为商家考虑的重要因素。据统计在超市的总能耗中有5 0 - 7 0 是由制冷系统的冷藏、冷冻制冷陈列柜以及空调系统所消耗的( 如图1 1 所示) 。也 就是说，每年每平方米超市就要消耗4 0 0 k w h 的电。如果按一个超市3 0 0 0 平米计算 的话，这个数字将是十分惊人的。在美国，3 0 0 0 0 家超市消耗全国总电量的5 ，电 费相当于真个超市商品价格总和的l ，也相当于其网上销售的利润总和。另外以 一家日本标准超市为例，其陈列柜的电力消耗占整个超市耗电量的一半以上p j 。因 此大力开发陈列柜节能技术，是当前陈列柜研究的重要环节。目前，国内外在敞 开式陈列柜的节能方面的研究虽然很多，但节能的效果不是十分的理想。 图1 - 1 超市能源组分图 f i g 1 1c o m p o s i t i o no f e n e r g yc o s ti ns u p e rm a r k e t 1 2 国内外陈列柜研究发展现状 9 0 年代以来，随着国内外超级市场的迅速发展，对陈列柜的研究也逐渐深入。 在国际上每二年举行一次的美国普渡国际制冷会议自9 6 年来也专门开辟超市制冷 系统专栏。目前的陈列柜研究集中在热负荷的分析计算、风幕的c f d 仿真、蒸发 器的结霜融霜研究和陈列柜的优化设计等四个方面。但这四方面的研究内容并不 是彼此无关的，相反它们的关系十分密切。例如，环境的相对湿度既关系到陈列 柜的热负荷，又影响蒸发器的结霜融霜问题。 总结相关文献，目前对陈列柜的主要研究方向和现状有： 1 2 1 计算流体动力学( c f d ) 研究 主要针对风幕流态和制冷系统的仿真比较，对其整体模型的分析以及多层风 幕的研究还处于发展之中。 2 _ i - 上海水产大学硕士学位论文 ( 1 ) 风幕的数学模型 对于立式陈列柜的风幕研究，几乎所有的研究者都采用二维紊流模型，但不 同的研究者在选用的紊流模型及开口处理上有一定的差别，见表1 - 1 。 表卜1 立式陈列柜风幕的数学模型 t a b l e1 - 1m a t h e m a t i c a lm o d e l so fc u r t a i no ft h ev e r t i c a ld i s p l a yc a s e 紊流模型特点作者 忽略潜热换热和 辐射热，不考虑载孟祥兆等嘲 货的影响 采用两种不同的 网格( 8 6 8 5 ，1 1 4 标准k 一模型 8 5 ) 及三种不同 的离散方案( 乘方 s w i b l i n g 等忉 l o _ 模型 格式、混合格式和 q u i c k 格式) 进行 对比分析 有限元求解；网格 带浮升力的采用局部细化，以 穆景阳等8 】 k “模型适应结构和流动 较为复杂的区域 采用两种不同的 网格( 8 6 x 8 5 、1 1 4 标准的雷诺应力 8 5 ) 及三种不同 模型 的离散方案( 乘方 s t r i b l i n g 等t 7 】 雷诺应力模型格式、混合格式和 q u i c k 格式) 进行 对比分析 带浮升力项的雷有限元求解；网格 冯欣、陈江平 9 , 1 0 1 诺应力模型局部细化等 考虑空气的相对 垂直射流模型湿度，引入组分方 h o w e l l 1 1 1 程 采用涡量流 c o r t e l l a 等1 2 】 大涡模拟( l e s ) 函数求解 ( 2 ) 冷风幕流动换热机理与优化研究 h o w e l l 等 1 1 , 1 3 1 对垂直冷风幕的流动规律进行了分析，认为垂直射流从喷嘴流出 后，可分为两个区域：初始段( 发展段) 和主流段( 充分发展段) 。前者中心流 的速度是常数，后者中心流的速度在衰减。两个区域的涡旋粘度和初始段长度都 3 囊 上海水产大学硕士学位论文 与初始紊流强度有关。对垂直射流的求解，必须分别考虑这两个不同的区域。 孟祥兆等 6 】考虑了背出风对陈列柜风幕的影响，认为它是造成立式陈列柜风幕 射流偏转的主要原因。 冯欣、陈江平等 9 a 0 1 将风幕分为三个不同的区域：出i = i 区、发展区和回风区， 其隔热效果依次降低。送风速度影响前两个区域，而回风结构则影响第三区。在 回风口设置档板有利于降低陈列柜风幕的回风温度，减小陈列柜的负荷。 c o r t e u a 等1 1 2 1 定量分析了风幕的作用，提出了风幕效率的概念( 风幕效率= 货物 散热量陈列柜总制冷量) 。通过计算模拟发现风幕效率与内风幕速度关系更为密 切，比较低的内风幕速度能够强制使空气流过货物，减少暖空气的卷入，从而提 高风幕效率。 g e 等( 1 4 j 着重于单层空气幕射流机理的研究，通过对5 种典型结构的风幕进行数 值模拟，将这些模拟结果进行分析、整理和拟合，得出了通过单层空气幕的换热 量和空气幕回风温度的关联式。 陈天及等【l5 】通过实验得到对于立式敞开式低温陈列柜采用三层风幕的结构是 必要的，实验同时表明中风幕的封闭作用大于外风幕的封闭作用。风幕送风速度的 选配对陈列柜的性能影响较大。实验表明合理选配各层风幕的送风速度可使柜性 能得到提高。 1 2 2 陈列柜的节能研究 张华俊等u 6 , 1 7 , 1 8 认为为陈列柜选配机组的考虑，有必要建立机组冷冻能力与室 外环境温度的关系，并还提出了这几年陈列柜比较热门的研究课题多机并联 问题，认为并联机组中压缩机的数量应为2 大l d , 或3 大1 小。 武俊梅等【l 训从陈列柜热负荷组成比例出发，提出了综合解决敞开式陈列柜节 能问题的许多措施，比如采用高效蜂窝状出风口、三层风幕、两级蒸发器等。 f a r a m a r z i 等圆】认为传统的陈列柜能耗过高，为节约陈列柜的能量，提出了采 用低发射率的铝箔遮住陈列柜的前部开口处，减少辐射热量和对流热量。通过测 试，发现6 h 采用铝箔( 从午夜1 2 ：0 0 至早晨6 ：0 0 ) 可节约陈列柜制冷负荷1 2 6 ； 2 4 h 采用铝箔可节约陈列柜负荷4 1 。 刘占杰等【z l 】对分体式陈列柜的双回气立管、排气管、高压输液管和低压输液 管等的设计提出了比较可行的计算方法。 m a i d m e n t 等 2 2 1 认为标准的热力膨胀阀不稳定，不能保证陈列柜内食品的高湿 度，从而造成冷藏食品的风化、失重。该文提出了新型的膨胀设备壅塞限流 器( c h o c k e df l o wr e s t r i c t o r ) 。该设备不仅结构简单，而且效率高且成本低。 4 ， 上海水产大学硕士学位论文 1 2 3 陈列柜的结霜融霜研究 ( 1 ) 结霜研究 t a s s o usa 等【2 3 1 通过实验对比分析发现，陈列柜蒸发器的结霜量与相对湿度有 关，环境相对湿度越大，结霜量越多，并且呈指数关系。 陈天及等【驯通过实验发现，由于霜层的累积堵塞冷空气通道，风幕的送风速 度随着陈列柜的运行时间增长下降很快( 6 h 内风速从0 8 m s 下降n 0 2 3 m s ) 。 潘晴1 2 5 1 提出，对蒸发器表面进行高憎水有机涂层处理，可使得蒸发器只结薄霜 因而不必进行化霜。 yl u 等f 矧将热管技术应用于陈列柜，热管均布在陈列柜货架上，作为辅助冷却 器，借助热传导和热辐射作用，与柜内货物或者空气进行热交换，使柜内温度分布 不均的现象有很大改善，而且还降低了食品核心温度。故此，作者提出，热管技术的 应用将有可能使蒸发温度大大提高，从而避免蒸发器的结霜问题。 ( 2 ) 融霜研究 d o m i 乜0 v i c 【明提出，只要有蒸发器在融霜模式下工作，所有并联的蒸发器的温度 都会有5 1 0 下的回升，并且指出这种现象主要是由融霜时高压液体的节流过程引 起的。 最近有人研究了采用热制冷剂液体融霜的方式( w l i ) ：w a r ml i q u i dd e f r o s t i n g ) 1 2 8 1 , 他们指出，1 0 的液体即可提供足够融霜的热量。这种融霜方式融霜时间短，不需 要额外布置管道，系统简单，对蒸发器的热冲击小，耗能小，融霜效率高，并且不会 降低制冷系统的制冷量。 管天、陈天及和余克志【2 4 1 认为，融霜周期长，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。可以采用频繁融霜的方式 控制霜层厚度，比如2 0 m i n 次，使霜层厚道始终处于1 - - - - 2 r n m 以内，以保持送风速度 不变，而且柜内温度分布的均匀性得到提高。 1 2 4 陈列柜结构优化方面的研究 d e n i sc l o d i c 等【2 9 】人在陈列柜的结构上也有所改进，提出了一个新的热交换搁架 技术。热交换搁架设计是一个比较新的技术，在原有的陈列柜搁架结构基础上进 行的改进。如图1 - 2 所示，热交换搁架包含了两个气流通道：后背板送风通道和搁 架板送风通道。气流通过这两个通道使冷气以从陈列柜的两个送风通道流向陈列 柜的前部。新型的热交换搁架的下部布了一些小孔，气流可通过它吹向下面搁架 的食品。流过搁架板送风通道的气流流经了搁架板的通道区域，而后通过小孔流 向了下一个搁架盛装食品的区域。剩下的气流流向了其他的搁架食品区域以及陈 列柜的气流出口( 风幕以及回风口) 。 5 ， ， - ， i i 上海水产大学硕士学位论文 4 “j _ 一 i ， ，。 、，。“ 后背皈送风通谨 图1 - 2 热交换搁架示意图 f i g 1 2s c h e m a t i cc r o s s - s e c t i o no f t h eh e a te x c h a n g es h e l v e 热交换搁架有双重的热传递作用：( 1 ) 通过吹向下一搁架的气流与下层食品 的对流换热。( 2 ) 因为搁架内部通有低温气流，那么本身搁架上的食品就可以通 过搁架板与内部气流进行传热，使温度保持在一个更加稳定的水平上。通过实验 可得表1 - 2 ，传统的陈列柜冷气从后背板上的小孔吹到搁架上，冷气循环是非常复 杂的，而且陈列柜内前部与后部的温度相差很明显。与传统的陈列柜设计相比， 热交换搁架板就改进了这个不足，大大改善了气体流动的不均匀性，通过搁架板 上的孔使整个陈列柜内部的温度场十分的均匀，大大有利于保证食品的品质。 表1 - 2 两种型式搁架的陈列柜柜内温度比较 t a b 1 - 2c o m p a r i s o no ft e m p e r a t u r ei nt w ot y p es h e l v e s 传统搁架新型搁架 同一搁架上最冷与最热食品 1 2o 6 温度之差( ) 整个陈列柜最冷与最热食品5 22 7 温度之差( ) 温度水平( ) t 1 - 1 2 4 备注：t l 一传统搁架上食品的温度：t 2 - - 新型搁架上食品的温度。 1 3本课题研究的意义及主要研究内容 1 3 1 本课题研究的意义 传统的制冷陈列柜由于柜内热交换器的结霜，不但使换热器的性能下降，同 时在柜中需增加融霜装置，定时融霜，结霜热和融霜热又增加了柜所需冷负荷。 6 ， 上海水产大学硕士学位论文 霜层不但使柜内循环空气的流动增加了阻力，而且影响风幕流态，而优化融霜方 式方法和控制程序又难于理想解决存在的问题。本课题将传统陈列柜中的热交换 器移至柜外，克服了传统陈列柜固有的结构弊端，由于柜内无热交换器，因而柜 内无结霜和融霜周期，使柜内温度无周期性波动，且省去了融霜和融霜控制元件， 使陈列柜制作成本可下降3 0 - - - 4 0 。 迄今为止，商业制冷陈列柜的供冷方式，在国内外还没有如本课题所提出的由 低温风处理机通过低温风道提供冷风给冷风柜去维持柜内规定的低温状态，同时 冷风柜中的送、回风道，既是柜内供风的静压腔又是柜系统的输送风道的结构设 计是本项目研究开发的独创之处。 本课题开发的冷风柜及其供冷风系统在北方地区寒冷季节可以引入环境冷空 气进行制冷，因而不需要制冷系统工作即可进行食品的冷冻冷藏。因此可以大幅 度的降低陈列柜的能耗，是一种十分有效的超市节能方法。虽然这种方法有一定 的区域局限性，但是对大部分的北方城市来说是具有相当的可行性的。本课题项 目的研究无疑是为解决我国城市能源短缺提供了一个较好的方法与手段。 1 3 2 本课题的主要研究内容 本论文在单台冷风柜及其供冷风系统开发和研究的基础上，着重对冷风柜系 统联合运行特性进行研究，主要内容如下： 1 本文对传统立式敞开式陈列柜性能进行理论分析，得出影响其性能的两个 主要因素：风幕送风特性和蒸发器的结霜。 2 本文在传统的陈列柜研究测试的理论基础上设计了冷风柜双柜联合运行 系统，并搭建了试验台。主要包括冷风柜及低温风处理系统的设计，供冷风管道 的调节设计等。 3 本文对供冷风系统的送风风道进行了c f d 数值模拟，模拟计算了双柜联合 运行时阀门开度对风道流量分配的影响。并进行了对比试验，将模拟值和试验值 进行了比较验证。 4 本文在集中送风方式下研究冷风柜系统的双柜联合运行特性，主要包括双 柜联合运行的均匀性研究以及稳定性研究。 5 本文在引入环境冷空气送风方式下对冷风柜系统的双柜联合运行性能进 行了试验研究，分析环境温度的波动对双柜联合运行系统的影响，讨论冷风柜引 入室外冷风节能运行的可行性。 7 广 簟 上海水产大学硕士学位论文 第二章传统立式敞开式陈列柜性能特性的分析 超市陈列柜是食品冷藏链中最后一个环节，作为销售食品的载体起到十分重 要的作用。陈列柜多应用于超市、卖场以及便利店中，冷冻冷藏陈列柜多用来贮 藏陈列不宜在常温下保存的食品，例如冰淇淋、肉制品、鲜鱼、精肉等冻结食品。 由于陈列柜可以很好的保持食品的品质，并且它的敞口结构可以方便顾客拿取食 品，因此已经成为了众多超市经营者招揽顾客的手段。 超市陈列柜种类很多。可以分别按照所储存食品的温度、陈列柜的外形结构 以及机组设置来进行分类。陈列柜按照储存不同食品所需的温度可分为冷冻型、 冷藏型以及温热型。按温度带分类的陈列柜种类如表2 - 1 所示。 表2 - 1 按温度带分类的陈列柜种类 t a b 2 - 1t h et y p e so fd i s p l a yc a s e sa c c o r d i n gt ot e m p e r a t u r e 分类温度带( )储存商品 1 82 0冷冻食品 冷冻 2 02 5冰淇淋 一2 一+ 2冰鲜鱼、冰鲜肉 冷藏2 8奶制品、饮料、啤酒、熟食 5 1 0水果、蔬菜 电热 5 5 6 5烤肉等 温热型 蒸汽 7 0 9 0包子、馒头等蒸品 按外形结构来分，超市陈列柜可分为l 卧式敞开式、卧式封闭式、多层立式 封闭式、多层立式敞开式等。其中卧式敞开式陈列柜和多层立式敞开式在超市中 应用的比较广泛，这两种陈列柜的示意图如下所示。 中 i i ， 上海水产大学硕士学位论文 图2 - 2 多层立式敞开式陈列柜 f i g 2 1o p e ns i n g l e - d e c kd i s p l a yc a s ef i g 2 2o p e nm u d d e c kd i s p l a yc a s e 本文的研究对象冷风柜系统是在传统立式敞开式陈列柜的基础上进行设计改 装的。传统立式陈列柜的展示效果比卧式陈列柜好，顾客易于拿取货物，但由于 风幕易受外界环境的干扰，因而耗冷量比卧式陈列柜大。根据研究，卧式开式陈 列柜通过风幕泄漏的制冷量约占总热负荷的5 0 7 0 【3 0 】，而立式开式陈列柜可达 7 3 【3 1 1 。因此，对传统立式敞开式陈列柜系统进行节能改造意义重大。 2 1 立式陈列柜的结构特点以及工作原理 立式敞开式陈列柜通常由柜体、制冷系统、风路系统以及放置食品的空间组 成，其中一面制成完全敞开，立式敞开式陈列柜的结构简图如图2 3 所示。立式 陈列柜工作原理很简单，制冷系统产生的冷量一部分用来冷却风路系统中的空气， 另一部分冷却柜内的货物，其中前者占的比重较大。风幕系统中的冷空气一部分 分流出来冷却货物，维持柜内低温，另一部分通过送风口吹出形成冷风幕，通过 冷风幕将柜内的低温环境与外界的高温环境隔开，隔绝柜内与外界空气的传热传 质，达到维持柜内货物温度和湿度的目的。 9 峙 ， i - p ， ，r l ， ， - ， 上海水产大学硕士学位论文 融姆澎 图2 - 3 立式敞开式陈列柜结构筒图 f i g 2 3o p e nm u t i - d e c kd i s p h yc a s e 2 2 立式陈列柜的热负荷组成 敞开式超市陈列柜的热负荷主要有以下来源：( 1 ) 风幕热负荷，这是由于陈列 柜内冷空气与外界热空气的热质交换引起的；( 2 ) 开口辐射进入的热量，如柜外高 温物体的辐射，灯光等；( 3 ) 柜体维护结构传热量；“) 柜内热负荷，如柜内照明 辐射热量，风机发热量，融霜加热量等。 敞开式陈列柜热负荷的计算公式如下： q = q i + q 2 + q 3 + q 4 ( 2 1 ) 式中：q 一一陈列柜的总热负荷，w ； q l 一一风幕热负荷，w ； 0 2 一一外界辐射热量，w ； q 3 一一陈列柜壁面与外界的导热换热量，w ； q 4 一一柜内热负荷( 风机，照明等) ，w ； 研究表明，通过风幕的外界空气渗入带来的热量q l 对高温柜约占热负荷的 6 0 - 7 0 ，对于低温柜约占热负荷的5 0 - 6 0 ，其大小取决于渗入空气的量和焓值的 变化；外界辐射热量q 2 主要与柜内温度食品及柜内壁的黑度，柜外环境温度等有 关，占热负荷约1 2 左右；陈列柜壁面与外界的导热换热量q 3 主要与柜壁材料导 1 0 声 ， ， i i i- ， ， 上海水产大学硕士学位论文 热系数，柜壁厚度等有关，约占总热负荷的4 左右；柜内热负荷q 4 主要包括风机， 照明，防露，融霜等所需的热量，约占总热负荷的1 1 。 综上所述，敞开式陈列柜中7 0 左右的冷量是通过冷风幕损失掉的，即风幕 热负荷占得比例最大，对能耗的影响最大。因此风幕研究一直是众多学者研究陈 列柜的重点之一。 2 3 风幕的特性分析 通过对陈列柜的热负荷分析发现，陈列柜内部5 0 一7 0 的能量是通过风幕损 失的，因此国内外的陈列柜研究主要集中在陈列柜空气流动与风幕的数值模拟和 优化上，风幕的特性分析一直以来都是陈列柜研究