基于模塊化仿真的酒柜均溫設(shè)計方案與實驗驗證

曾憲順，趙丹，丁國良

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海200240）

基于模塊化仿真的酒柜均溫設(shè)計方案與實驗驗證

曾憲順，趙丹，丁國良*

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海200240）

為了提高壓縮機制冷酒柜空間溫度分布的均勻性，本文提出了一種基于模塊化仿真的酒柜均溫設(shè)計方法。首先該方法將酒柜整體風(fēng)道按功能劃分為酒柜空氣溫度場模塊和風(fēng)道系統(tǒng)模塊，然后根據(jù)均溫設(shè)計要求對各模塊進行優(yōu)化設(shè)計，最后通過計算風(fēng)道流量阻力特性對風(fēng)道系統(tǒng)進行性能校核。實驗驗證表明，本文提出的基于模塊化仿真的設(shè)計方法可用于實際酒柜設(shè)計，酒柜空間內(nèi)溫差范圍控制在2 ℃以內(nèi)。

均溫性設(shè)計；空氣溫度場；風(fēng)道；空氣阻力

0 引言

隨著人們生活水平的提高，品嘗葡萄酒正成為越來越多人的愛好。與此同時，酒類愛好者對葡萄酒的質(zhì)量要求也越來越苛刻。而葡萄酒作為一種天然易變質(zhì)的飲品，會隨著周圍環(huán)境因素的改變而發(fā)生變化[1]。在所有環(huán)境因素中，溫度是影響葡萄酒品質(zhì)保存最重要的因素[2]。一般而言，葡萄酒最佳的保存溫度是13 ℃左右[3]。在保存過程中，溫度最好保持恒定，否則會對酒的品質(zhì)產(chǎn)生很大傷害[4]。如果存放溫度過高，酒體的成熟過程會加快，導(dǎo)致酒的風(fēng)味變得比較粗糙，并且過高的溫度還可能促使葡萄酒進行過分氧化而造成酒的變質(zhì)；如果存放溫度過低，當(dāng)溫度低于零度時，葡萄酒有可能受凍出現(xiàn)塊狀的沉淀物，這種沉淀物會大幅度影響葡萄酒的陳釀潛力和口感[4]。因此，精確控制葡萄酒的保存溫度顯得十分重要。

對于葡萄酒的保存，除了產(chǎn)量大、占地面積廣的酒莊采用地窖儲存葡萄酒外，一般的葡萄酒經(jīng)銷商或酒類愛好者都采用酒柜進行存放[5]。

1976年世界上第一臺葡萄酒酒柜尤勒凱夫（EuroCave）酒柜誕生于法國，從此葡萄酒酒柜隨著葡萄酒的銷售在世界各國生產(chǎn)發(fā)展起來[6]。自1978年以來，中國的葡萄酒行業(yè)乘著改革開放的東風(fēng)進入了快速發(fā)展的階段，不管是在葡萄酒的銷量、品質(zhì)，還是國人對葡萄酒的認(rèn)知上都有了絕對性的提高，而葡萄酒酒柜作為葡萄酒的伴生產(chǎn)品，在21世紀(jì)以后逐漸進入普通老百姓家中[7-9]。目前市面上的酒柜按制冷原理主要可分為半導(dǎo)體電子酒柜和壓縮機酒柜[10]。相比于半導(dǎo)體電子酒柜，壓縮機酒柜具有制冷效率高、制冷效果好、溫控范圍大、使用壽命長等特點，因此市場上主要以壓縮機酒柜為主。

壓縮機酒柜按制冷方式又分為直冷式和風(fēng)冷式。直冷式酒柜通過自然傳導(dǎo)方式制冷，溫差大，有的甚至達到10 ℃以上[11]。此外，直冷式酒柜一般采用大片的金屬鋁制內(nèi)膽傳遞冷量，而金屬鋁制內(nèi)膽在制冷時極容易結(jié)霜[12]，影響制冷效率，并且酒瓶若不小心觸碰到內(nèi)膽，容易被凍裂、凍壞。這樣的酒柜難以確保葡萄酒的品質(zhì)。相對于直冷式酒柜，風(fēng)冷式酒柜通過風(fēng)機送風(fēng)方式制冷，具有內(nèi)部溫差小、制冷效率高、不易結(jié)霜等優(yōu)點，因此市面上流行的壓縮機酒柜主要以風(fēng)冷式酒柜為主，特別是對于容量大、葡萄酒儲存量高、儲存時間長的酒柜。

對于風(fēng)冷式酒柜，酒柜空間溫度的均勻性是酒柜性能的重要指標(biāo)，酒柜中各酒瓶的溫度差別越小越好。然而，目前絕大多數(shù)風(fēng)冷式壓縮機酒柜依然存在4 ℃以上的溫差，某些大容量的酒柜甚至能達到12 ℃以上的溫差[13]。這樣大的溫差對于葡萄酒的保存是不利的，它不僅直接影響葡萄酒的品質(zhì)好壞，還間接影響了葡萄酒的潛在價值，對葡萄酒生產(chǎn)者造成較大經(jīng)濟損失。因此，對風(fēng)冷式酒柜進行均溫性設(shè)計，有效地控制其柜內(nèi)空間的溫差顯得十分必要。

實現(xiàn)酒柜的均溫性設(shè)計涉及酒柜空氣溫度場與風(fēng)道系統(tǒng)，需要綜合設(shè)計。酒柜空氣溫度場均溫性取決于各出風(fēng)口以及回風(fēng)口的合理布置[14-16]。而各出風(fēng)口和回風(fēng)口風(fēng)量的實現(xiàn)又取決于風(fēng)道系統(tǒng)的設(shè)計[17-19]。因此，酒柜的均溫性能的改善不能簡單地通過改進某個部件完成，而需要對酒柜空氣溫度場與風(fēng)道系統(tǒng)進行綜合設(shè)計。

為了提高酒柜內(nèi)均溫性能，本文綜合考慮了酒柜空氣溫度場和風(fēng)道系統(tǒng)的耦合特性，提出了一種高效、通用、快速的均溫性設(shè)計方法。

1 均溫酒柜設(shè)計思路

常用風(fēng)冷式壓縮機酒柜結(jié)構(gòu)上可分為酒柜箱體、送風(fēng)道、回風(fēng)道3個部分，如圖1左邊所示。酒柜箱體包括酒柜墻體、柜內(nèi)空氣、酒架和酒瓶；送風(fēng)道包括送風(fēng)支路和風(fēng)機；回風(fēng)道包括回風(fēng)支路和蒸發(fā)器室。

酒柜各部件間的關(guān)系如圖1右邊所示，酒柜內(nèi)部空氣流動空間組成酒柜空氣溫度場，風(fēng)機、送風(fēng)道、回風(fēng)道、蒸發(fā)器室組成酒柜風(fēng)道系統(tǒng)。

圖1 壓縮機制冷酒柜

酒柜均溫設(shè)計的目標(biāo)是酒柜空間內(nèi)任意酒瓶溫度與目標(biāo)溫度的偏差小于設(shè)計值。

由于酒瓶與酒柜內(nèi)的空氣直接接觸，設(shè)計酒瓶的均溫性即為設(shè)計酒瓶所在的酒柜空氣場的均溫性。而酒柜空氣場的均溫性取決于合理的酒柜酒架設(shè)計與合理冷量布置設(shè)計。合理的酒柜內(nèi)冷量的布置取決于合理的空氣風(fēng)量布置和合理出口空氣溫度的獲得。對于合理的空氣風(fēng)量布置和空氣出口溫度的獲得，取決于空氣風(fēng)道系統(tǒng)的設(shè)計。因此，為了實現(xiàn)酒柜酒瓶的均溫性，需要開展的工作包括均溫溫度場設(shè)計和風(fēng)道系統(tǒng)設(shè)計。

基于以上思路，酒柜均溫性設(shè)計步驟如下：

1） 輸入均溫設(shè)計要求；

2） 進行酒柜均溫溫度場設(shè)計，輸出需要的各出風(fēng)口位置、尺寸、風(fēng)量、溫度，各回風(fēng)口位置、尺寸、風(fēng)量，酒架尺寸；

3） 進行風(fēng)道系統(tǒng)設(shè)計，計算風(fēng)道出風(fēng)口、回風(fēng)口風(fēng)量；

4） 判斷酒柜各風(fēng)量計算值是否與需求值一致。若一致則輸出風(fēng)機、風(fēng)道支路結(jié)構(gòu)尺寸、風(fēng)道風(fēng)量，否則返回步驟3；

5） 建立酒柜系統(tǒng)整體仿真模型，判斷空氣流場仿真結(jié)果是否滿足均溫設(shè)計要求。若滿足則進入下一步，否則返回步驟2；

6） 根據(jù)均溫設(shè)計結(jié)果制作樣機并實驗測試樣機均溫性能，判斷樣機實驗結(jié)果是否滿足均溫設(shè)計要求，若滿足則酒柜均溫設(shè)計結(jié)束，否則返回步驟2。

2 均溫酒柜設(shè)計方法

2.1 均溫溫度場設(shè)計

均溫溫度場的設(shè)計包括酒柜隔間的設(shè)計，隔間風(fēng)口位置和大小的設(shè)計以及各出風(fēng)口風(fēng)量的設(shè)計。

酒柜設(shè)置隔間主要目的是避免大空間內(nèi)冷氣下沉，通過分隔酒柜空間，分別進行制冷，可使各隔間溫度更加均勻。

風(fēng)口位置和大小的設(shè)計是要保證隔間內(nèi)充分的擾流，使空間內(nèi)酒瓶間都存在空氣流動，保證各酒瓶的充分換熱。在風(fēng)口位置設(shè)計中應(yīng)該在空間內(nèi)多設(shè)置出風(fēng)口，實現(xiàn)三維立體送風(fēng)方式。

出風(fēng)口風(fēng)量的設(shè)計需要與各隔間的熱負(fù)荷相一致。如圖2所示，酒柜箱體各層的熱負(fù)荷與位于該層四周墻體傳入的熱量Qwall、鄰近層傳入的熱量Qneigh以及該層回風(fēng)帶走的熱量Qreturn有關(guān)。具體計算公式如下：

式中：

K——墻體總換熱系數(shù)；

Swall——酒柜某層墻體總換熱面積，m2；

Tenv——環(huán)境溫度，K；

Tset——酒柜制冷設(shè)置溫度，K；

Tneigh——鄰近層空氣溫度，K；

m——鄰近層流動空氣的質(zhì)量流量，kg/s；

Cp——空氣的定壓比熱，J/(kg·K)；

qreturn——某層回風(fēng)風(fēng)量，m3/s；

ρ——空氣密度，kg/m3；

Treturn——某層回風(fēng)道中空氣的溫度，K。

酒柜各層冷量比與熱負(fù)荷比應(yīng)一致，假設(shè)酒柜第i層冷量Wcool,i、熱負(fù)荷為Qload,i，滿足如下等式：

又由于酒柜各層風(fēng)量與冷量存在以下關(guān)系：

式中：

Tin——某層進口空氣溫度，K。

由式(5)和式(6)可得各層風(fēng)量比例與熱負(fù)荷比例相等，即：

因此，酒柜內(nèi)均溫溫度場的設(shè)計需要保證酒柜各層隔間出風(fēng)量與隔間內(nèi)熱負(fù)荷的分配比例一致，即滿足式(7)。

圖2 酒柜熱負(fù)荷計算與風(fēng)量校核

基于以上設(shè)計方法，設(shè)計酒柜隔間的大小、每個隔間出風(fēng)口的位置、風(fēng)量和出口溫度，以及回風(fēng)口的位置、風(fēng)量和出口溫度，然后建立空氣場計算模型，考察酒柜的均溫性，如果不滿足均溫性要求，則繼續(xù)調(diào)整設(shè)計，直到滿足要求。

2.2 風(fēng)道系統(tǒng)設(shè)計

通過均溫溫度場的設(shè)計，可以得到需要的酒柜隔間的大小、每個隔間出風(fēng)口的位置、風(fēng)量和出口溫度，以及回風(fēng)口的位置、風(fēng)量和出口溫度。為了實現(xiàn)酒柜各風(fēng)口的風(fēng)量，需要對酒柜風(fēng)道系統(tǒng)進行綜合設(shè)計。

酒柜風(fēng)道系統(tǒng)設(shè)計采用模塊化風(fēng)道系統(tǒng)計算模型。酒柜風(fēng)道可劃分為送風(fēng)道模塊、回風(fēng)道模塊、蒸發(fā)器模塊和蒸發(fā)器室模塊。酒柜風(fēng)道系統(tǒng)各模塊間可根據(jù)串并聯(lián)關(guān)系組成流量壓降網(wǎng)絡(luò)圖，如圖3所示。

圖3 酒柜風(fēng)道流量壓降網(wǎng)絡(luò)圖

風(fēng)道系統(tǒng)流量與壓降滿足以下關(guān)系：

各模塊的流量阻力特性可由如下關(guān)系式表示：

式中：

P——壓降，Pa；

Q——流量，m3/s；

A、B——擬合系數(shù)，可根據(jù)風(fēng)道阻力特性數(shù)據(jù)擬合求得。

通過對式(8)求解，可計算得出風(fēng)道系統(tǒng)阻力特性以及各風(fēng)口的風(fēng)量。通過以上模型可校核風(fēng)道阻力特性是否滿足設(shè)計要求，如果不滿足要求，則可以對相應(yīng)的風(fēng)道進行針對性的調(diào)整，直到實現(xiàn)酒柜各風(fēng)口所需的風(fēng)量。

3 設(shè)計案例及效果驗證

為了驗證本文提出的均溫設(shè)計方法的有效性，本文對某品牌一款389 L 的 酒柜進行均溫設(shè)計。

按照前面空氣流場設(shè)計和風(fēng)道設(shè)計方法，酒柜各層都設(shè)置出風(fēng)口，其中底下2層設(shè)置回風(fēng)口，如圖4所示。

酒柜仿真計算結(jié)果如圖5所示。計算結(jié)果表明通過酒柜溫度分布各截面圖可觀察到，酒柜內(nèi)部整體溫差已降低至2℃以內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

圖4 空氣流動示意圖

圖5 酒柜空氣流場溫度分布

為了驗證設(shè)計樣機的均溫性，本文選取了最嚴(yán)苛的工況測定酒柜內(nèi)溫度分布情況。樣機采用滿載測試，測試環(huán)境溫度設(shè)定為32 ℃，相對濕度為60%，酒柜內(nèi)溫度設(shè)置為5 ℃。

樣機滿載測試結(jié)果如表1所示。測試結(jié)果表明，酒柜各層溫差小于2 ℃，酒柜整體最大溫差為2 ℃，滿足均溫目標(biāo)要求。

表1 酒柜均溫性滿載測試結(jié)果

4 結(jié)論

本文提出了基于模塊化仿真的酒柜均溫設(shè)計方法，將酒柜的空氣場和風(fēng)道系統(tǒng)分為兩個模塊分別設(shè)計，通過酒柜空氣溫度場的均溫設(shè)計明確各風(fēng)口布置和風(fēng)量分配，然后根據(jù)需要的風(fēng)口布置和風(fēng)量分配進行風(fēng)道系統(tǒng)設(shè)計，最終可實現(xiàn)酒柜的均溫性。

本文按照提出的均溫設(shè)計方法對酒柜進行均溫設(shè)計，實驗測試酒柜內(nèi)最大溫差小于2 ℃，具有良好的均溫性。

本文提出的酒柜均溫性設(shè)計方法，通過合理設(shè)計酒柜空氣場和整體風(fēng)道系統(tǒng)，可以極大地提高壓縮機制冷酒柜柜內(nèi)空間溫度分布的均勻性，具有高效、通用和快速等優(yōu)點。

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Scheme Design and Test Verification for Improving Temperature Uniformity in Wine Cabinet Based on Modular Simulation

ZENG Xianshun, ZHAO Dan, DING Guoliang*
(Institute of Refrigeration and Cryogenics Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240 China)

To improve the temperature uniformity in compressor wine cabinet, a modular simulation method for wine cabinet design is presented. Firstly, the air system in wine cabinet is divided into a module of air temperature field and a module of air duct according to the function; secondly, the design of each module is optimized based on the target of temperature uniformity; thirdly, the performance of each module is verified by the calculation of characteristicsof air duct resistance and flow rate.It isexperimentally verified that the proposed modular simulation method can be used to design wine cabinet, and the temperature difference range in the wine cabinet is controlled within 2oC.

Design of temperature uniformity; Air temperature field; Air duct; Air resistance

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.05.101

*丁國良（1966-），男，教授，博士。研究方向：制冷空調(diào)裝置的仿真、優(yōu)化與新工質(zhì)應(yīng)用。聯(lián)系地址：上海市東川路800號上海交通大學(xué)機動學(xué)院，郵編：200240。聯(lián)系電話：021-34206328。E-mail：glding@sjtu.edu.cn。

國家自然基金（No. 51506117）、中國博士后基金（No. 2015M581610）。