立式敞开式集中送风式陈列柜模拟与实验研究

摘要

立式敞开式陈列柜由于展示效果好,取货方便,在超市中应用极为广泛,是食品冷藏链的重要环节。为了保温的需要,立式敞开式陈列柜经常采用一到几层风幕将冷藏食品与柜外热环境隔开。但风幕极易受到顾客购物和柜外热空气的干扰,导致大量热量传入柜内,因而其功耗很大。陈列柜内蒸发器的周期性结融霜又会导致柜内食品的温度发生周期性的波动,从而损害柜内冷冻食品的质量。 为从根本上解决陈列柜柜温波动过大和高能耗的问题,本文开发研制了集中送风式陈列柜,从实验和数值模拟两方面对其的温度特性和节能性能进行了研究,主要研究工作如下: 1.建立集中送风式陈列柜性能测试系统,并对其运行特性的实验研究。集中送风式陈列柜测试系统可方便实现不同的制冷系统(常规陈列柜或集中送风式陈列柜)、送风方式(“制冷机送风”或“环境送风”)和工作柜(单柜或联柜)之间的切换。对“制冷机送风”陈列柜,确定了融霜周期、柜温波动特性、最优送风速度和联柜的风量分配方法;对“环境送风”陈列柜,分析其能耗和最优送风速度。 2.提出立式敞开式陈列柜风幕数值模拟的双流体改进模型。分别以风幕流出的紊流流体和陈列柜外的非紊流流体来划分两种流体,通过风幕流入的空气的容积分数取为风口蜂窝板的面积系数,两种流体之间的质量交换关系采用新的改进关系式。 3.集中送风式陈列柜的CFD数值模拟。将集中送风式陈列柜的五大部件送风管道、送风结构、陈列柜风幕、回风结构和回风管道结合成为一个整体,采用双流体改进模型进行CFD模拟,分析了CFD模拟的陈列柜速度场和温度场分布特性,并与测试结果进行了对比分析。 4.开发陈列柜风幕热卷吸系数的关联式模型。通过量纲分析和公式推导,风幕热卷吸系数与六个无量纲量有关,即反映风幕送风参数影响的雷诺数,反映环境参数影响的理查逊数,反映风幕结构参数影响的另两个无量纲数,以及反映背风影响的背风量比和背风卷吸系数。在CFD模拟结果的基础上,拟合出陈列柜热卷吸系数的关联式。 5.集中送风式陈列柜温度快速仿真模型的建立。对集中送风式陈列柜的各部件建立温度仿真模型,其中送回风管道、风幕、送风结构和回风结构分别采用一维稳定温度仿真模型、热卷吸系数关联式模型、集中参数模型和单节点模型。在此基础上,提出了集中送风式陈列柜温度仿真模型的求解方法,并与CFD模拟结果和实验结果进行了对比分析。 6.提出集中送风式陈列柜的送风策略。分析了集中送风式陈列柜“制冷机送风”和“环境送风”的利弊,提出了“联合送风”方式。在此基础上,提出集中送风式陈列柜的送风策略,并通过集中送风式陈列柜的快速仿真模型进行了计算分析。 在上述工作的基础上,本文得到如下一些结果及结论: 1.实验结果表明,与常规陈列柜比较,制冷机送风陈列柜可实现良好的柜温特性。制冷机送风陈列柜的融霜周期(9h)大于常规陈列柜(6h),而融霜过程中的货物最大温升(2oC)小于常规陈列柜(3oC)。为实现最低的柜内温度分布,制冷机送风陈列柜的最佳雷诺数在4350-5000之间。制冷机送风陈列柜联柜运行时,为保持两台陈列柜的柜温平衡,两柜风量比(远距离柜与近距离柜的风量比)宜取为1.1~1.2; 2.实验结果表明,与常规陈列柜比较,环境送风陈列柜可实现良好的节能特性。环境送风陈列柜可引入室外冷空气实现制冷,且由于无需压缩机制冷,能节省大量的能耗,但此种供冷方式受到室外环境温度的限制。 3.双流体改进模型由于更好反应了柜内外两类流体的质量卷吸特性和风幕蜂窝板特点,和现存的两种双流体模型和k-ε紊流模型的模拟结果相比,与实验结果更为吻合; 4.风幕热卷吸系数的关联式模型也具有良好的准确度。通过与多位研究者的实验结果对比分析,采用关联式模型计算的热卷吸系数与测试结果得到的热卷吸系数的平均偏差分别为-0.9％,最大偏差为-9.4％;而采用关联式模型计算的风幕平均回风温度与测试的风幕平均回风温度的平均偏差为0.1oC,最大偏差是0.9oC; 5.集中送风式陈列柜CFD模拟的温度与实测温度趋势是一致的。单柜工作时平均偏差和最大偏差的最大值分别是-0.9oC和-1.8oC,而联柜工作时平均偏差和最大偏差的最大值分别是-2.0oC和-4.0oC,表明CFD模拟是成功的; 6.集中送风式陈列柜快速仿真模型的计算偏差(单柜最大偏差-2.6oC,联柜最大偏差-4.1oC)稍高于CFD模拟(单柜最大偏差-1.8oC,联柜最大偏差-4.0oC),但计算时间(2min)大大少于CFD模拟(2h),说明快速仿真模型具有良好的工程应用价值。 7.快速仿真模型的理论分析表明,集中送风式陈列柜随室外环境温度改变采取不同的的送风策略,既提高了能量效率,又拓展了其应用范围。

目录

文摘

英文文摘

符号表

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 陈列柜研究现状

1.2.1 冷藏陈列柜热负荷研究

1.2.2 冷藏陈列柜特性研究

1.2.3 陈列柜风幕CFD模拟

1.2.4 冷藏陈列柜的优化设计

1.3 目前研究工作的不足

1.4 本文的主要工作

第二章 集中送风式陈列柜系统及试验装置

2.1 集中送风式陈列柜系统

2.1.1 常规陈列柜的缺陷

2.1.2 集中送风式陈列柜方案

2.2 集中送风式陈列柜的实验装置

2.2.1 装置简介

2.2.2 制冷系统、送风方式和工作陈列柜的选择

2.2.3 试验室测试环境控制设备

2.2.4 测点布置

2.2.5 测试设备

2.2.6 试验步骤

2.3 小结

第三章 集中送风式陈列柜运行特性的试验研究

3.1 试验内容

3.2 制冷机送风陈列柜和常规陈列柜的对比试验

3.2.1 对比试验工况

3.2.2 无融霜条件下的对比分析

3.2.3 融霜条件下的对比分析

3.2.4 平均温度的对比分析

3.3 送风速度对制冷机送风陈列柜柜温的影响分析

3.3.1 单柜特性分析

3.3.2 联柜特性分析

3.3.3 联柜风量调节的影响

3.4 环境送风陈列柜和常规陈列柜的对比分析

3.4.1 对比试验工况

3.4.2 对比试验结果分析

3.5 送风速度对环境送风陈列柜柜温的影响分析

3.5.1 单柜特性分析

3.5.2 联柜特性分析

3.6 小结

第四章 立式敞开式陈列柜风幕数值模拟的双流体改进模型

4.1 传统陈列柜风幕模型存在的问题

4.2 双流体模型简介

4.3 双流体改进模型

4.3.1 立式陈列柜风幕结构

4.3.2 双流体模型的基本方程

4.3.3 两流体的质量、动量和能量交换关系

4.3.4 风幕送风口送风参数的确定

4.3.5 计算工况

4.3.6 计算区域及网格划分

4.3.7 边界条件的确定

4.4 模拟结果分析

4.4.1 速度场

4.4.2 温度场

4.5 计算结果验证

4.6 小结

第五章 集中送风式陈列柜的CFD模拟

5.1 整体模拟方法

5.1.1 部件结构

5.1.2 数学模拟方程

5.1.3 计算区域及网格划定

5.1.4 边界条件设定

5.1.5 计算工况

5.2 CFD模拟结果分析

5.2.1 速度场分析

5.2.2 温度场分析

5.3 CFD模拟结果与试验结果的对比分析

5.4 小结

第六章 集中送风式陈列柜的快速仿真模型

6.1 风幕热卷吸系数的关联式模型

6.1.1 热卷吸系数及其影响因素分析

6.1.2 无量纲式的建立

6.1.3 关联式的数据来源

6.1.4 关联式回归

6.1.5 关联式模型的可靠性验证

6.2 送回风管道的温度仿真模型

6.2.1 模型假设

6.2.2 数学方程

6.2.3 算法设计

6.3 送回风结构的温度仿真模型

6.3.1 送风结构的温度仿真模型

6.3.2 回风结构温度仿真的单节点模型

6.4 仿真模型的求解方法

6.5 仿真模型的可靠性分析

6.6 小结

第七章 集中送风式陈列柜送风策略分析

7.1 两种送风方式的利弊分析

7.1.1 制冷机送风方式的利弊分析

7.1.2 环境送风方式的利弊分析

7.2 联合送风方式

7.3 送风控制策略

7.4 送风策略的理论模拟

7.5 小结

第八章 总结与展望

8.1 总结

8.1.1 研究的目的

8.1.2 研究的内容

8.1.3 创新

8.2 展望

参考文献

致谢

作者在攻读博士学位期间发表的学术论文