翼型結(jié)構(gòu)對(duì)立式敞開式冷藏陳列柜性能的影響

袁培 曾慶輝 雷正霖 武宜霄 呂彥力 張恩花 胡朝龍 周凱

(1 鄭州輕工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 鄭州 450000；2 西安交通大學(xué) 西安 710049；3 山東小鴨冷鏈有限公司 濟(jì)南 250000)

立式敞開式食品冷藏陳列柜以直觀展示、方便取物等優(yōu)點(diǎn)而備受顧客青睞，但其敞開式設(shè)計(jì)導(dǎo)致約有66%～77%的冷柜熱負(fù)荷通過風(fēng)幕卷吸周圍的暖濕空氣滲透入柜內(nèi)[1]，造成冷藏陳列柜在運(yùn)行過程中出現(xiàn)食品溫度分布不均勻和耗電量較高的問題[2]。有研究表明:敞開式陳列柜比封閉式陳列柜的能耗高出2 倍左右[3]。柜內(nèi)不同層食品的溫度差達(dá)到5 ℃左右[4]，靠近風(fēng)幕處的食品溫度明顯比靠近背風(fēng)板處溫度高[5]。因此優(yōu)化風(fēng)幕性能，提高柜內(nèi)食品溫度均勻性和能量利用率對(duì)實(shí)現(xiàn)敞開式陳列柜節(jié)能運(yùn)行具有重要的意義。

近年來學(xué)者對(duì)立式敞開式食品冷藏陳列柜風(fēng)幕性能優(yōu)化進(jìn)行了大量研究。H.Jouhara 等[6]用熱管作為擱架材料，在食品陳列柜溫度設(shè)定值為2.0 ℃的情況下測量了真實(shí)食品的溫度分布和陳列柜電能消耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用熱管隔板可使食品的溫度分布更加均勻，并且減少約12%的電能消耗。甄仌等[7－8]對(duì)比了導(dǎo)板式出風(fēng)口和蜂窩式出風(fēng)口陳列柜的運(yùn)行性能，得出蜂窩式出風(fēng)口布置方式使陳列柜性能更佳，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后得出，蜂窩式出風(fēng)口的出風(fēng)角度為－3°、蜂窩層數(shù)為6 層、出風(fēng)速度為0.9 m/s 時(shí)，陳列柜冷藏效果及節(jié)能水平可有效提升。賈曉東等[9]運(yùn)用CFD 仿真和實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)蜂窩狀結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化后得出，蜂窩出風(fēng)口孔徑為5 mm、蜂窩厚度為30 mm、出風(fēng)角度為40°、出風(fēng)速度為0.9 m/s時(shí)，風(fēng)幕性能最佳，柜內(nèi)溫度更分布均勻。陳列柜內(nèi)部擱板的位置和尺寸對(duì)于風(fēng)幕的保溫性能和柜內(nèi)溫度分布具有重要影響[10]。陳蘊(yùn)光等[11]發(fā)現(xiàn)擱板的存在有助于提高風(fēng)幕流動(dòng)的穩(wěn)定性，可拓寬風(fēng)幕穩(wěn)定的Richardson 數(shù)范圍。袁培等[12]用數(shù)值模擬的方法給出擱架長度呈4°傾斜時(shí)，風(fēng)幕能夠更好地阻擋外部熱空氣入侵。E.Hammond 等[13]提出在每個(gè)貨架上每層形成單個(gè)風(fēng)幕，結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)陳列柜，在運(yùn)行時(shí)間內(nèi)減少了35.9 kW/24 h 的電能消耗。Sun Jining 等[14]采用在敞開式冷藏陳列柜擱架前端加裝導(dǎo)流板進(jìn)行導(dǎo)流，結(jié)果表明，導(dǎo)流板強(qiáng)化了氣流的流動(dòng)，形成了較強(qiáng)的風(fēng)幕，降低了食品溫度和機(jī)組能耗。隨后進(jìn)一步改進(jìn)擱架結(jié)構(gòu)，并利用實(shí)驗(yàn)和模擬的方法研究創(chuàng)新冷架對(duì)立式多層冷藏陳列柜性能的影響。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)冷藏陳列柜相比，該創(chuàng)新擱架技術(shù)節(jié)能了16.7 kW·h/24 h[15]。

以上研究在一定程度上可優(yōu)化敞開式陳列柜性能。但敞開式陳列柜仍具有較大的性能提升空間。本研究在敞開式陳列柜擱架外側(cè)加裝NACA-4314-AIRFOIL-PROFILE 非對(duì)稱翼型結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)幕進(jìn)行整流。并通過實(shí)驗(yàn)研究該翼型結(jié)構(gòu)對(duì)立式敞開式冷藏陳列柜的風(fēng)幕性能、冷藏性能、制冷系統(tǒng)性能和電能消耗的影響。研究結(jié)果為敞開式陳列柜擱架優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及測試方法

1.1 實(shí)驗(yàn)室及冷藏陳列柜

本實(shí)驗(yàn)在冷藏陳列柜測試標(biāo)準(zhǔn)熱工性能實(shí)驗(yàn)室完成。實(shí)驗(yàn)室如圖1所示。

圖1 冷藏陳列柜性能測試標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室Fig.1 Refrigerated display case performance test standard laboratory

采用EA 紐約型號(hào)的立式敞開式陳列柜，外形尺寸:長×寬×高為2 500 mm×807 mm×2 048 mm。出風(fēng)口采用蜂窩狀，出風(fēng)角度為5°。柜內(nèi)共有6 層置物擱架，1～5 層擱架:長×寬×高為2 450 mm×450 mm×25 mm，底層擱架:長×寬×高為2 450 mm×550 mm×25 mm。置物擱架的間距均為300 mm。食品擱架的外緣加裝翼型結(jié)構(gòu)和價(jià)目條，翼型結(jié)構(gòu)為NACA-4314-AIRFOIL-PROFILE(非對(duì)稱型)。冷藏陳列柜和翼型外形結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 敞開式陳列柜與翼型結(jié)構(gòu)Fig.2 Display cabinet and airfoil structure

食品包物性參數(shù)、 尺寸和位置根據(jù)GB/T 21001.2—2015?冷藏陳列柜第2 部分:分類、要求和試驗(yàn)條件?的標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行[16]。翼型結(jié)構(gòu)加裝前后的擱架如圖3所示，翼型結(jié)構(gòu)前緣與后緣之間的弦長為40 mm，翼型結(jié)構(gòu)距擱架外邊緣為(45±3)mm，價(jià)目條位于擱架外邊緣(90±3)mm 處。翼型結(jié)構(gòu)加裝層數(shù)為3 層，沿陳列柜長度方向上，長度與擱架的長度保持一致，并用支架螺栓固定在擱架前端。圖3所示為翼型結(jié)構(gòu)加裝前后的實(shí)物圖。

圖3 加裝翼型結(jié)構(gòu)前后擱架Fig.3 Shelf with or without airfoil structure

1.2 測點(diǎn)位置及方法

陳列柜的送、回風(fēng)溫度和食品測點(diǎn)位置如圖4所示，其中放置測點(diǎn)的食品包在圖中用填充顯示。有4層擱架上放置測試食品包，測試食品包規(guī)格為1 000 g，長×寬×高尺寸為(200 mm×100 mm×50 mm)，每層有6 個(gè)測試食品包放置溫度測點(diǎn)，感溫裝置放置在測試食品包的中心，與填充材料直接接觸。送、回風(fēng)口各用3 個(gè)溫度測點(diǎn)進(jìn)行溫度測量，分別布置在沿陳列柜長度方向(300 mm、1 250 mm、2 200 mm)處。感溫裝置為T 型熱電偶，精度±0.1 ℃，通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備每10 s 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一次采集。

圖4 實(shí)驗(yàn)臺(tái)測點(diǎn)示意圖Fig.4 Schematic diagram of test station

陳列柜的送、回風(fēng)速度利用手持風(fēng)速沿陳列柜長度方向每隔150 mm 進(jìn)行一次測量。手持風(fēng)速儀的精度為±0.01 m/s。圖5所示為數(shù)據(jù)采集設(shè)備。測量方法按照GB/T 21001.2—2015 ?冷藏陳列柜第2 部分:分類、要求和試驗(yàn)條件?[16]進(jìn)行。

圖5 數(shù)據(jù)采集設(shè)備Fig.5 Data acquisition equipment

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在環(huán)境溫度為25 ℃，相對(duì)濕度為60%的條件下對(duì)加裝翼型結(jié)構(gòu)前后的冷柜進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)，由于加裝翼型結(jié)構(gòu)后，陳列柜的回風(fēng)狀態(tài)發(fā)生了改變，為滿足冷柜內(nèi)的食品包溫度均能滿足－1～5 ℃的需求條件，對(duì)加裝翼型后的冷柜進(jìn)行了設(shè)定溫度控制，使測試?yán)涔裰评湎到y(tǒng)的制冷劑R410A 的蒸發(fā)溫度由加裝前的－6.3 ℃升至－4.5 ℃。制冷劑蒸發(fā)溫度的變化導(dǎo)致冷藏陳列柜的送風(fēng)溫度、食品貯藏溫度、能量利用效率均發(fā)生改變。本研究以冷柜內(nèi)的食品包溫度均能維持在－1～5 ℃作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上研究翼型結(jié)構(gòu)對(duì)立式敞開式冷藏陳列柜的風(fēng)幕性能、食品冷藏性能、制冷系統(tǒng)性能和電能消耗的影響。

2.1 風(fēng)幕性能分析

2.1.1 送回風(fēng)速度分析

圖6所示為翼型結(jié)構(gòu)加裝前后，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持在1 200 r/min情況下，冷藏陳列柜化霜30 min 后沿冷藏陳列柜長度方向上風(fēng)幕送回風(fēng)速度對(duì)比。由圖6可知，加裝翼型結(jié)構(gòu)前后，在沿陳列柜長度方向上，自左向右的送風(fēng)速度偏差分別是0.1 m/s、0.15 m/s。這是由于在沿陳列柜長度方向上，蒸發(fā)器翅片排布方式不均勻，導(dǎo)致陳列柜的送風(fēng)速度因左右兩側(cè)的送風(fēng)阻力不同而出現(xiàn)不一致的情況。對(duì)比陳列柜的送、回風(fēng)速度可知，陳列柜的回風(fēng)速度比送風(fēng)速度要高，這主要是由于陳列柜風(fēng)機(jī)靠近陳列柜回風(fēng)口導(dǎo)致的。

圖6 送/回風(fēng)速度沿陳列柜長度方向的變化Fig.6 Changes of air supply and return speed along the direction of display cabinet length

加裝翼型結(jié)構(gòu)前后，在相同的測量位置處，冷藏陳列柜的送風(fēng)速度偏差為0.01～0.05 m/s，回風(fēng)速度偏差為0.1～0.2 m/s，在忽略手持風(fēng)速計(jì)的測量度下，送風(fēng)速度基本相同。而回風(fēng)速度由0.98～1.41 m/s 降至0.87～1.17 m/s，降幅為10.2 %～16.9 %?；仫L(fēng)速度降低，說明翼型結(jié)構(gòu)增大了風(fēng)幕的流動(dòng)阻力。在保證風(fēng)幕完整的情況下，風(fēng)幕速度降低，減少了風(fēng)幕與外界熱環(huán)境空氣的速度差，從而減弱風(fēng)幕對(duì)外界環(huán)境空氣的卷吸擾動(dòng)強(qiáng)度。

2.1.2 送回風(fēng)溫度的影響分析

加裝翼型結(jié)構(gòu)后，在達(dá)到冷柜需求溫度條件下，制冷系統(tǒng)中R410A 的蒸發(fā)溫度發(fā)生變化，導(dǎo)致冷藏陳列柜送回風(fēng)溫度發(fā)生變化。圖7所示為冷藏陳列柜運(yùn)行24 h 過程中送、回風(fēng)平均溫度隨時(shí)間的變化。未加裝翼型結(jié)構(gòu)前，送、回風(fēng)平均溫度范圍分別是0.6～4.4 ℃、10.3～12.0 ℃；加裝翼型結(jié)構(gòu)后，送、回風(fēng)平均溫度范圍分別是1.8～3.0 ℃、6.0～7.4 ℃。送風(fēng)平均溫度升高主要是由于冷藏陳列柜中制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度升高。而回風(fēng)平均溫度下降了38.3 %～ 41.7 %。這主要是因加裝翼型結(jié)構(gòu)減小了風(fēng)幕速度，導(dǎo)致風(fēng)幕與外界熱環(huán)境空氣的溫差減小，從而降低了風(fēng)幕對(duì)外界熱空氣的卷吸換熱強(qiáng)度[17]。

圖7 送/回風(fēng)溫度隨時(shí)間的變化Fig.7 Changes of air supply and return temperature with time

2.1.3 熱卷吸系數(shù)的影響分析

風(fēng)幕封閉敞口性能可通過風(fēng)幕熱滲透系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)[18]，計(jì)算公式為:

式中:Ts為送風(fēng)溫度，℃；Tr為回風(fēng)溫度，℃；Tamb為環(huán)境空氣溫度，℃。

加裝翼型結(jié)構(gòu)前后熱卷吸系數(shù)隨時(shí)間的變化如圖8所示。由圖8 可知，熱卷吸系數(shù)由0.26～0.33降至安裝后的0.14～0.17，下降了46%～48%。熱卷吸系數(shù)下降充分說明加裝翼型結(jié)構(gòu)后，風(fēng)幕封閉敞口能力得到提高。

圖8 熱卷吸系數(shù)隨時(shí)間的變化Fig.8 Change of heat entrainment coefficient with time

2.2 貯藏食品溫度分析

圖9所示為翼型結(jié)構(gòu)加裝前后，在24 h 穩(wěn)定運(yùn)行過程中，柜內(nèi)食品包平均溫度隨時(shí)間的變化。由圖9 可知，在測試過程中，柜內(nèi)食品包溫度呈周期性波動(dòng)，這是由于制冷系統(tǒng)中定頻壓縮機(jī)啟停對(duì)冷柜內(nèi)進(jìn)行融霜而造成。未加裝翼型結(jié)構(gòu)之前，柜內(nèi)食品溫度存在明顯的不均勻情況，柜內(nèi)頂層食品與底層食品逐時(shí)最大平均溫差為1.6 ℃；而加裝翼型結(jié)構(gòu)后，柜內(nèi)食品均勻性明顯提高，柜內(nèi)食品頂層與底層食品最大平均溫差減至1.1 ℃，最大平均溫差降低31%。柜內(nèi)不同層食品溫度均勻性提高主要是因加裝翼型結(jié)構(gòu)后，敞開式陳列柜的送回風(fēng)溫差減小以及風(fēng)幕封閉敞口性能提升。

圖9 食品包平均溫度隨時(shí)間的變化Fig.9 Changes of average temperature of food with time

圖10所示為測試?yán)涔竦膬?nèi)外側(cè)食品的平均溫度隨時(shí)間的變化。加裝翼型結(jié)構(gòu)前后，內(nèi)側(cè)食品平均溫度由0.9～1.4 ℃升至1.5～2.3 ℃，外側(cè)食品平均溫度由3.4～3.8 ℃降至2.8～3.3 ℃。內(nèi)側(cè)食品溫度升高和外側(cè)食品溫度降低，導(dǎo)致兩側(cè)食品最大平均溫差由2.6 ℃降至1.4 ℃。最大平均溫差下降了46.2%。說明加裝翼型結(jié)構(gòu)后，測試?yán)涔竦膬?nèi)外食品溫度均勻性提高。主要是兩方面的原因，一方面，加裝翼型結(jié)構(gòu)后，制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度升高使通過背風(fēng)板的冷風(fēng)和送風(fēng)溫度升高，導(dǎo)致靠近背風(fēng)板的食品溫度升高。另一方面，翼型結(jié)構(gòu)提高了風(fēng)幕的封閉敞口性能，減小了外界熱空氣對(duì)靠近風(fēng)幕側(cè)食品的影響。從而使靠近風(fēng)幕側(cè)的食品溫度降低。

圖10 內(nèi)外側(cè)食品平均溫度隨時(shí)間的變化Fig.10 The change of the average temperature of inner and outer food with time

2.3 制冷系統(tǒng)性能及運(yùn)行能耗的影響分析

圖11所示為加裝翼型擱架前后，R410A 在蒸發(fā)器進(jìn)出口焓值隨時(shí)間的變化。由圖11 可知，加裝翼型結(jié)構(gòu)后，蒸發(fā)器出口焓值基本相同，而蒸發(fā)器入口焓值提升了3.5%～8.5%。在制冷劑流量保持一致的情況下，制冷劑進(jìn)出蒸發(fā)器的焓差減小，說明了單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)幕通過蒸發(fā)器向制冷劑傳遞的熱量減少。進(jìn)一步說明加裝翼型結(jié)構(gòu)后，單位時(shí)間內(nèi)通過風(fēng)幕滲透入柜內(nèi)的熱負(fù)荷減少。

圖11 R410A 在蒸發(fā)器進(jìn)出口的焓值隨時(shí)間的變化Fig.11 Change of inlet and outlet enthalpy of R410A in evaporator with time

對(duì)所測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算，獲得翼型結(jié)構(gòu)加裝前后冷藏陳列柜能耗運(yùn)行參數(shù)，如表1所示。通過對(duì)比敞開式食品陳列柜加裝翼型結(jié)構(gòu)前后的能耗等參數(shù)可知:在24 h 的測試時(shí)間內(nèi)，加裝翼型結(jié)構(gòu)后陳列柜的總排熱量由82.33 kW·h/24 h降至66.49 kW·h/24 h，總排熱量降低19.2%。運(yùn)行時(shí)間縮短2.1 h，融霜時(shí)間增加1.94 h，冷藏陳列柜運(yùn)行時(shí)間減少，融霜時(shí)間增長可減小壓縮機(jī)開停機(jī)頻率，有利于提高壓縮機(jī)的使用壽命。總的制冷耗電量由41.47 kW·h/24 h 降低至32.24 kW·h/24 h。系統(tǒng)總能耗由42.91 kW·h/24 h 降至33.61 kW·h /24 h，總能源利用率提高22.7%。說明加裝翼型結(jié)構(gòu)對(duì)冷藏陳列柜節(jié)能運(yùn)行具有顯著的意義。

表1 加裝翼型結(jié)構(gòu)前后的冷藏陳列柜的運(yùn)行參數(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison of operating parameters of refrigerated display cabinet with or without airfoil structure

3 結(jié)論

本文以一臺(tái)EA 紐約型立式敞開式陳列柜為研究對(duì)象，在環(huán)境溫度為25 ℃，相對(duì)濕度為60%，測試?yán)涔駜?nèi)食品溫度均能滿足需求的前提條件下，通過實(shí)驗(yàn)研究加裝翼型結(jié)構(gòu)前后對(duì)立式敞開式冷藏陳列柜的風(fēng)幕性能、冷藏性能、制冷系統(tǒng)性能及能耗的影響，得到結(jié)論如下:

1)加裝翼型結(jié)構(gòu)后，風(fēng)幕封閉敞口性能得到有效提高，其中送風(fēng)速度基本相同，回風(fēng)速度下降0.2%～16.9%。送風(fēng)平均溫度略有上升，回風(fēng)平均溫度下降38.3%～41.7%。熱卷吸系數(shù)由0.26～0.33降至安裝后的0.14～0.17，下降了46 %～48 %。

2)加裝翼型結(jié)構(gòu)有效提高了柜內(nèi)溫度均勻性，柜內(nèi)頂層與底層食品最大平均溫差降低31 %，內(nèi)側(cè)與外側(cè)食品最大平均溫差下降46.2 %。

3)加裝翼型結(jié)構(gòu)后對(duì)制冷系統(tǒng)性能有一定的影響。加裝翼型結(jié)構(gòu)后，測試?yán)涔竦恼舭l(fā)器出口焓值基本相同，蒸發(fā)器入口焓值提升了3.5%～8.5%；總排熱量由82.33 kW·h/24 h 降至66.49 kW·h/24 h，總排熱量降低19.2%。運(yùn)行時(shí)間縮短2.1 h，融霜時(shí)間增加1.94 h，總的制冷耗電量由41.47 kW·h/24 h 降至32.24 kW·h/24 h。系統(tǒng)總能耗由42.91 kW·h/24 h 降至33.61 kW·h/24 h，節(jié)約能耗約22.7%。說明加裝翼型結(jié)構(gòu)對(duì)冷藏陳列柜節(jié)能運(yùn)行具有顯著的意義。