填充相變材料的復(fù)合擱架的傳熱與蓄冷特性

吳學(xué)紅 李偉平 王立勛 趙鑫利 呂彥力 龔毅

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院能源與動力工程學(xué)院 鄭州 450002）

填充相變材料的復(fù)合擱架的傳熱與蓄冷特性

吳學(xué)紅 李偉平 王立勛 趙鑫利 呂彥力 龔毅

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院能源與動力工程學(xué)院 鄭州 450002）

為改善冷藏陳列柜性能，降低柜內(nèi)食品溫度，抑制融霜期間食品溫度的回升，利用熱管的高導(dǎo)熱性和相變材料的蓄冷特性，將冷藏陳列柜的擱架設(shè)計成由熱管和相變材料構(gòu)成的復(fù)合式擱架。通過實(shí)驗研究填充三種相變材料（RT3、RT4、RT5）的擱架的傳熱和蓄冷特性以及對冷藏陳列柜中食品包溫度的影響。實(shí)驗結(jié)果顯示：相比未改進(jìn)的擱架，填充RT3的復(fù)合擱架上食品包溫度降低13.7%～80.0%，溫升減小53.3% ～70.0%；填充RT4的復(fù)合擱架上食品包溫度降低20.0% ～83.3%，溫升減小83.3%～87.5%；填充RT5的復(fù)合擱架上食品包溫度回升減小66.7%～75.0%。三種復(fù)合擱架相比較，填充RT4的復(fù)合擱架上各層、各排食品包平均溫度最低，均在5℃以內(nèi)，因此RT4相變材料蓄冷效果最好。

蓄冷；相變材料；食品溫度；熱管；冷藏陳列柜

維持食品冷藏陳列柜內(nèi)合適的溫度，對保證食品質(zhì)量和安全十分關(guān)鍵。冷藏陳列柜內(nèi)溫度分布受風(fēng)幕效率、環(huán)境溫濕度、背板結(jié)構(gòu)、食品包擺放位置和融霜周期及持續(xù)時間等因素影響［1－2］。調(diào)查顯示，60%的食品儲藏溫度為10℃或者更高，從分布位置來看，高溫食品主要位于冷藏陳列柜擱架的前端，其中60%位于冷藏陳列柜的前端下部。對于不同類型的冷凍柜和冷藏柜，陳列柜內(nèi)最高和最低溫度的分布位置相似，但不同類型陳列柜能耗系數(shù)相差較大，這就為不同用戶的冷藏需求和能源供給匹配提供了參考［3］。隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，CFD成為預(yù)測冷藏陳列柜內(nèi)空氣流動和溫度分布的重要手段，在改善風(fēng)幕性能、增加溫度場均勻性和降低柜內(nèi)食品溫度等方面起到重要作用［4－6］。Laguerre O等［7］建立了冷藏陳列柜的簡化換熱模型，將導(dǎo)熱、對流、輻射考慮在換熱模型內(nèi)，當(dāng)外部環(huán)境溫度發(fā)生變化時，預(yù)測柜內(nèi)溫度變化的范圍和趨勢。Cao Z等［8］利用改進(jìn)的雙流體（MTF）模型對立式敞開式陳列柜冷風(fēng)幕及其四周氣體流動和傳熱進(jìn)行數(shù)值模擬，通過自適應(yīng)支持向量機(jī)（ASVM）算法，建立陳列柜性能的優(yōu)化函數(shù)，優(yōu)化后的陳列柜單位展示面積每日耗電量減少19.3%，明顯改善了陳列柜性能。食品冷藏是食品流通鏈的高耗能環(huán)節(jié)，其中冷藏陳列柜能耗占超市總能耗的50%［9］，帶有相變蓄冷系統(tǒng)的設(shè)備可以在低電價時進(jìn)行蓄冷，在高電價時停機(jī)并用蓄冷設(shè)備供冷，既有利于電網(wǎng)的削峰填谷，也給用戶帶來了較大的經(jīng)濟(jì)效益［10］。

相變材料種類繁多，相變溫度覆蓋廣，廣泛應(yīng)用在航空航天、建筑、服裝、軍事、通訊、電力、制冷設(shè)備等領(lǐng)域。崔海亭等［11］將由相變材料組成的相變儲能系統(tǒng)應(yīng)用到吸熱器中，不僅能加快儲能、放能速度，而且吸熱器的熱利用效率明顯提高。方貴銀等［12］研究了相變蓄冷材料應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)時的性能，研究表明蓄冷材料具有較高的相變潛熱、適宜的相變溫度、以及較好的化學(xué)穩(wěn)定性，能較好的提高空調(diào)性能。Sharma A等［13］和Oró E等［14］研究了不同類型的相變材料的物性及其應(yīng)用，為冷藏陳列柜中低溫相變材料的選擇提供參考。近年來，一些學(xué)者研究了冷藏陳列柜制冷系統(tǒng)失效時，低溫相變材料的應(yīng)用對其性能的影響。Oró E等［15］通過對兩種不同的低溫相變材料數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，即使制冷系統(tǒng)失效，相變材料也能較長時間的維持柜內(nèi)低溫環(huán)境。當(dāng)相變板放置于冷凍柜的不同位置，斷電3 h期間，相變材料能使柜內(nèi)溫度比普通冷凍柜溫度低4～6℃，并使食品溫度更長時間的維持在適宜的水平［16］。一些學(xué)者也研究了正常工況下，低溫相變材料在冰箱和冷藏陳列柜中的應(yīng)用對系統(tǒng)性能的影響。對于冰箱，若在冷凝器側(cè)增加相變蓄熱單元，當(dāng)制冷系統(tǒng)工作時，相變材料依靠自身較高的熱容量將冷凝熱儲存起來，使冷凝溫度不致過高；當(dāng)壓縮機(jī)停機(jī)時，將熱量釋放到環(huán)境中，從而使冷凝器的換熱性能得到提升，冷凝溫度降低，蒸發(fā)溫度升高，冷凝器出口過冷度增加；與普通冰箱相比，使能源效率增加12%左右［17］。若在蒸發(fā)器外表面增加相變材料平板，依靠相變材料的熱惰性來強(qiáng)化蒸發(fā)器的換熱，能使制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度升高，提高系統(tǒng)能源效率［18－19］。對于冷藏陳列柜，若將裝有相變材料的散冷器放置于蒸發(fā)器下游的背風(fēng)板處，柜內(nèi)溫度和融霜期間溫度回升降低，陳列柜節(jié)能量達(dá)5%［20］。Lu Y L等［21］實(shí)驗研究了在冷藏陳列柜融霜周期內(nèi)，由水和硼砂相變材料填充的復(fù)合擱架對柜內(nèi)食品溫度的影響，復(fù)合擱架可以有效地降低融霜時食品的溫度回升，降低約1.5℃。前期研究結(jié)果顯示用水和硼砂作為相變材料，能提升擱架的性能，因此本文進(jìn)一步研究不同的相變材料（RT3、RT4、RT5）的蓄冷特性以及熱管型復(fù)合擱架的傳熱特性。

1 物理模型

圖1給出了復(fù)合擱架結(jié)構(gòu)示意圖。復(fù)合擱架是由熱管和填充于熱管間的相變材料組合而成。復(fù)合擱架利用熱管的高導(dǎo)熱性來改善沿柜深方向溫度均勻性。利用相變材料的蓄冷特性，提高擱架長度方向的溫度均勻性，同時在冷藏陳列柜融霜期間，會導(dǎo)致柜內(nèi)溫度回升，利用相變材料釋放的潛熱來抑制融霜期柜內(nèi)溫度的回升。為防止融霜期間熱管的反向?qū)?，將熱管的蒸發(fā)端向上傾斜一定的角度［21］。

圖1 復(fù)合擱架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of composite shelf

實(shí)驗選取的三種相變材料RT3、RT4和RT5的相變溫度分別為2.5℃、3.8℃和5.2℃。相變溫度曲線如圖2所示。三種相變材料是德國RUBITHERM公司生產(chǎn)的有機(jī)石蠟相變材料，它們是由不同的直鏈烷烴構(gòu)成，包括正十二烷（C12）、正十三烷（C13）、正十四烷（C14）、正十五烷（C15）、正十六烷（C16）、正十七烷（C17）、正十八烷（C18）等，三種相變材料分別是由上述幾種直鏈烷烴按不同重量比例混合而成。三種相變材料的熱物性如表1所示。

2 實(shí)驗裝置及測試方法

實(shí)驗是在恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)中進(jìn)行，其實(shí)驗環(huán)境條件及測試精度為：干球溫度25℃，相對濕度60%，溫度波動范圍±1℃，相對濕度波動范圍為±3%。冷藏陳列柜前水平風(fēng)速保持在0.1～0.2 m／s之間。測試時開啟冷藏陳列柜，直到穩(wěn)定狀態(tài)（48 h），開始測量實(shí)驗數(shù)據(jù)，連續(xù)測試4個融霜周期。分別對普通擱架和復(fù)合擱架上食品包的溫度進(jìn)行測試。測試熱電偶放置在食品包中心位置。食品包中心在擱架上的具體位置分布如圖3所示。使用T型熱電偶對3 ×3×3個（柜深方向×柜長方向×柜高方向）食品包的中心溫度進(jìn)行測量。

表1 相變材料的熱物性Tab.1 Thermal properties of phase change materials

圖2 RT3、RT4、RT5相變溫度Fig.2 Phase change tem perature of RT3、RT4、RT5

圖3 食品包中心位置Fig.3 Central position of food packages

3 實(shí)驗結(jié)果及分析

3.1 前后排食品包溫度分析

普通擱架與復(fù)合擱架上前排2號食品包溫度隨時間的變化關(guān)系如圖4所示。其中普通擱架上2號食品包溫度為4.75～6.25℃，融霜過程溫升約1.5℃；RT3復(fù)合擱架上2號食品包溫度為4.1～5.1℃，融霜過程溫升約0.7℃，與普通擱架相比2號食品包溫度降低了13.7% ～18.4%，溫升減小約53.3%；RT4復(fù)合擱架上2號食品包溫度為3.8～4.25℃，融霜過程溫升約0.25℃，與普通擱架相比，2號食品包溫度降低了20%～32%，溫升減小約83.3%；RT5復(fù)合擱架上2號食品包溫度為5.2～5.9℃，融霜過程溫升0.5℃，溫升減小66.7%。

圖4 2號食品包溫度對比Fig.4 Comparison of No.2 food package tem perature

普通擱架與復(fù)合擱架上后排5號食品包溫度隨時間的變化關(guān)系如圖5所示。其中普通擱架上5號食品包溫度為1.5～3.5℃，融霜過程溫升約2℃。與普通擱架上食品包溫度相比，RT3復(fù)合擱架上5號食品包溫度降低了64.3%～80%，溫升減小約70%；RT4復(fù)合擱架上5號食品包溫度降低了78.6% ～83.3%，溫升減小約87.5%；RT5復(fù)合擱架上5號食品包溫度回升減小約75%。

由以上分析可知：普通擱架和復(fù)合擱架后排食品包溫度均比前排食品包溫度低，且后排食品包溫度回升減小的幅度比前排食品包溫度回升減小的幅度大，這是由于前排食品受風(fēng)幕的溫度和速度、超市內(nèi)燈光輻射、熱濕環(huán)境等外界環(huán)境的影響較大，并且風(fēng)幕在流動過程中與外界進(jìn)行熱濕交換，溫度逐漸升高，其對前排食品的冷藏效果逐漸降低；且從背風(fēng)板滲流出來的冷空氣在向前流動的過程中吸收食品的熱量而溫度升高，從而使后排食品包溫度比前排溫度低。

圖5 5號食品包溫度對比Fig.5 Comparison of No.5 food package temperature

RT3、RT4復(fù)合擱架上，前后排食品包在融霜周期內(nèi)的溫度均比普通擱架上食品包溫度低，融霜期間溫度回升均減小，表明系統(tǒng)融霜過程中，相變材料具有較好的蓄冷特性，雖然制冷系統(tǒng)停止工作，相變材料釋放的冷量使得融霜過程中食品溫度的回升得到抑制，食品溫度的回升比改進(jìn)前擱架上食品溫度下降，且RT4復(fù)合擱架上食品最高溫度控制在5℃以內(nèi)，從而保證食品質(zhì)量和安全。RT5復(fù)合擱架上前后排食品溫度回升幅度在融霜期間均減小，但食品包溫度沒有降低，說明RT5相變材料的傳熱與蓄冷性能沒有RT3和RT4相變材料好。

3.2 左右側(cè)食品包溫度分析

普通擱架和復(fù)合擱架上，一層前排左、右側(cè)食品包溫度隨時間的變化關(guān)系如圖6所示。從圖中可以看出：使用復(fù)合擱架后左右側(cè)食品包不僅溫度減小，溫度波動降低而且左右側(cè)溫差也減小。普通擱架上1號食品包溫度為3.75～5.5℃，3號食品包溫度為5.75～7℃，左右側(cè)溫差約為2℃；RT3復(fù)合擱架上1號食品包溫度為4.1～5.0℃，3號食品包溫度為4.3 ～5.25℃，左右側(cè)食品包溫差為0.2℃；RT4復(fù)合擱架上1號食品包溫度為3.4～3.8℃，3號食品包溫度為3.9～4.25℃，左右側(cè)食品包溫差為0.5℃；RT5復(fù)合擱架上1號食品包溫度為4.9～6.0℃，3號食品包溫度為5.0～6.1℃，左右側(cè)食品包溫度差為0.1℃。由此可見，由于復(fù)合擱架中相變材料的影響，擱架上左右側(cè)食品包溫度均勻性得到明顯改善。

圖6 左右側(cè)食品包溫度對比Fig.6 Com parison of food packages tem perature on left and right side

采用紅外熱像儀測量的RT4復(fù)合擱架的溫度分布如圖7所示。Sp1點(diǎn)的溫度為4.1℃，Sp5點(diǎn)溫度為4.2℃，即左右側(cè)溫度分布均勻。Sp2點(diǎn)溫度3.4℃，Sp3點(diǎn)溫度4.4℃，Sp4點(diǎn)溫度4.7℃，即沿柜深方向，溫度向外呈遞增的趨勢，但擱架上各測點(diǎn)溫度均小于5℃。這與熱電偶所測食品包溫度變化趨勢相吻合。從整體測試可以看出：熱管型復(fù)合擱架的表面溫度較為均勻，熱管強(qiáng)化了前后排的傳熱，而填充的相變材料改善了左右排的傳熱。

圖7 紅外熱像儀實(shí)測RT4復(fù)合擱架溫度分布Fig.7 Tem perature distribution on composite shelf of RT4 by infrared camera

3.3 上下層食品包平均溫度分析

普通擱架和復(fù)合擱架前排上下層食品包平均溫度隨時間的變化關(guān)系如圖8所示。取一層前排1號、2號和3號食品包某時刻溫度的平均值作為一層前排食品包在該時刻的平均溫度，取三層前排對應(yīng)位置食品包某時刻溫度的平均值作為三層前排食品包在該時刻的平均溫度。與普通擱架上食品包平均溫度相比，填充三種相變材料的復(fù)合擱架上食品包平均溫度均出現(xiàn)的結(jié)果是：一層食品包在融霜期間溫度回升得到有效抑制，三層食品包在融霜期間溫度回升基本不變。由于靠近擱架的底層食品包利用復(fù)合擱架中相變材料的蓄冷特性，有效抑制了食品包溫度的回升和波動，使底層食品包溫度在融霜期間不致升溫過快。三種材料相比較，它們均在抑制食品包溫度回升方面起到重要作用，但RT4復(fù)合擱架上食品包溫度最低，且與文獻(xiàn)中水和硼砂復(fù)合擱架相比，前排食品包平均溫度降低0.5℃，后排食品包平均溫度降低2℃，融霜時食品包平均溫升降低0.1℃，各層、各排食品包平均溫度均控制在5℃以內(nèi)。

圖8 上下層食品包平均溫度對比Fig.8 Com parison of average tem perature of food packages on up and down layer

4 結(jié)論

本文對三種相變材料在冷藏陳列柜復(fù)合擱架中的傳熱與蓄冷特性進(jìn)行實(shí)驗研究，得出以下結(jié)論：

1）RT3、RT4復(fù)合擱架上，前排2號與后排5號食品包溫度均比普通擱架上食品包溫度低，且RT4復(fù)合擱架上食品包在融霜期間溫度回升幅度最小。

2）使用復(fù)合擱架后，左右側(cè)食品包不僅溫度降低、溫度波動減小而且左右側(cè)溫差也減小。說明由于復(fù)合擱架中相變材料的影響，三種復(fù)合擱架上左右側(cè)食品包溫度均勻性得到改善。

3）RT4復(fù)合擱架上食品包溫度最低，與文獻(xiàn)［21］中水和硼砂復(fù)合擱架相比，RT4復(fù)合擱架前排食品包平均溫度降低0.5℃，后排食品包平均溫度降低1～2℃，各層、各排食品包平均溫度均控制在5℃以內(nèi)，滿足冷藏食品的儲藏要求。

當(dāng)三種相變材料應(yīng)用于冷藏陳列柜時，在改善冷藏陳列柜性能方面均表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢，但RT4相變材料在改善擱架溫度均勻性和降低融霜期間食品包溫度回升方面效果最明顯。因此，RT4相變材料在冷藏陳列柜擱架上的蓄冷效果比RT3、RT5相變材料效果好。

本文受鄭州領(lǐng)軍人才項目（131PLJRC640）資助。（The pro?ject was supported by Innovation Scientists and Technicians Troop Construction Projects of Zhengzhou City（No.131PLJRC640）.）

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吳學(xué)紅，男，博士，副教授，鄭州輕工業(yè)學(xué)院能源與動力工程學(xué)院，（0371）63624373，E?mail：wuxh1212＠163.com。研究方向：制冷與低溫設(shè)備節(jié)能技術(shù)、能源利用與環(huán)境控制等?，F(xiàn)在進(jìn)行的研究項目有：國家自然科學(xué)基金項目（51476148），河南省杰出青年基金項目和鄭州領(lǐng)軍人才項目（131PLJRC640）。

About the corresponding author

Wu Xuehong，male，Ph.D.，associate professor，School of Ener?gy and Power Engineering，Zhengzhou University of Light Indus?try，＋86 371?63624373，E?mail：wuxh1212＠163.com.Re?search fields：energy saving technology of refrigeration and cryo?genic device，energy utilization and environmental controls，et al. The author takes on project supported by the project of the Nation?al Natural Science Foundation of China（No.51476148），Excel?lent Youth Foundation of Henan Scientific Committee and Innova?tion Scientists and Technicians Troop Construction Projects of Zhengzhou City（No.131PLJRC640）.

The Heat Transfer and Cool Storage Characteristic of Com posite Shelf Filled with Phase Change Materials

Wu Xuehong Li Weiping Wang Lixun Zhao Xinli Lü Yanli Gong Yi

（School of Energy and Power Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou，450002，China）

Water In order to improve the performance of refrigerated display cabinet，decrease the food temperature and restrain the temperature fluctuation during defrosting，a kind of composite shelf is proposed in the food refrigerated display cabinet（RDC）based on the high?ther?mal conductivity of heat pipe and cool storage of phase change materials.The influence of three phase change materials of RT3，RT4，RT5 on the temperature of food packages，the characteristic of heat transfer and cool storage of composite shelf were investigated.Com?pared with the ordinary shelf，the food temperature on composite shelf of RT3 reduces by 13.7% －80.0%，temperature fluctuation de?creases 53.3%－70.0%；the food temperature on composite shelf of RT4 reduces by 20.0%－83.3%，temperature fluctuation decreases 83.3%－87.5%；the food temperature fluctuation on composite shelf of RT5 decreases 66.7%－75.0%.Compared with the other two composite shelves，the average food temperature of each floor and each row on composite shelf of RT4 is the lowest and within 5℃，thus the cool storage performance of phase change material of RT4 is the best.

cool storage；phase change materials；food temperature；heat pipe；refrigerated display cabinet

TK124；TB383

A

0253－4339（2015）04－0023－06

10.3969／j.issn.0253－4339.2015.04.023

簡介

國家自然科學(xué)基金（51476148）資助項目。（The project was supported by the National Natural Science Foundation of China（No. 51476148）.）

2014年12月3日