改進(jìn)冰箱內(nèi)溫度均勻性的方法要點(diǎn)

1、改進(jìn)冰箱內(nèi)溫度均勻性的方法CFD摘要：在直接冷卻冰箱中，最大溫差隨著房間高度變化而變化，對于制造大型冷藏庫，這 是一個問題。為了改進(jìn)房間溫度的均勻性，在這篇論文中對于兩種不同類型的冰箱運(yùn)用 和實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行研究。對于完全自然對流冰箱來說，結(jié)果顯示架子與后墻，架子與冰箱門 之間的間隙對于溫度的分布有很大影響。當(dāng)減小兩者的間隙時，溫度變化將會減少，溫度 分布將會更加均勻。為了進(jìn)一步提高溫度的均勻性，另一種直接冷卻冰箱被設(shè)計(jì)出來，在 這種冰箱中加入了軸流式通風(fēng)機(jī)和風(fēng)道。本文研究了如何改進(jìn)這種冰箱的流場，結(jié)果顯示 從風(fēng)道中流出氣體的方向明顯影響了溫度場和流場。比較兩種冰箱可以知道在后一種冰箱 中溫度的均

2、勻性更好關(guān)鍵詞：冰箱 溫度場 直接冷卻主要符號表CAA計(jì)算尹學(xué)Vy方向連度分童CFD計(jì)算流林力學(xué)Wz方向速度井董LDV澈光賽普勒測理怏W聲功率PTV粒子成像測速技術(shù)Z葉輪葉片數(shù)UDF用戶自定文函數(shù)a方向來席Al/a慣性陛力系數(shù)C當(dāng)?shù)匕哆@7務(wù)孔介質(zhì)孔腺車C出熱葉片厚度c2牯性咀力羸敬£間晾D直徑&f頻率PG空調(diào)器性能$偏心度i諧菠序號U速糜矢量k導(dǎo)熱系數(shù)L特征艮度馬掃數(shù)N轉(zhuǎn)速P壓力Q熱耗敞母a半徑sSiStrouhal 盤T溫度t時間uX方問速度分雖一 前言近些年來，人們對于冰箱的保鮮能力越來越加以關(guān)注。然而，食物的新鮮程度取決于冷藏室中溫度和氣流的分布。 不適當(dāng)?shù)馁A藏溫度會導(dǎo)

3、致食物提前變質(zhì)。因而，對于食物保險來說，保鮮來說，保持溫度和氣流在貯藏室中的分布式至關(guān)重要的。由于自然對流冰箱的配置原因， 冷卻室存在較大溫差。 熱空氣向上運(yùn)動而冷空氣向下運(yùn) 動，造成了冷藏室上方區(qū)域溫度高達(dá) 10°C.而下方區(qū)域可低于 0 °C,而這對于貯藏食品是不 利的。所以對于冰箱的設(shè)計(jì)者和使用者來說，如何提高熱均勻性是最讓他們關(guān)心的問題。盡管已經(jīng)有很多學(xué)者研究冰箱中速度流場，然而對于如何提高其中的均勻性還沒有被深入研究。Fukuyo et al提出對強(qiáng)制對流冰箱增添新的供氣系統(tǒng)來達(dá)到保鮮的目的。Hu et al.5 運(yùn)用CFD研究了冰箱中風(fēng)道。但對于有關(guān)改進(jìn)冰箱內(nèi)溫

4、度均勻性的研究卻少之又少。由 于冰箱配置對于溫度的分布影響很大，故而對其進(jìn)一步研究就顯得至關(guān)重要。在這篇論文中，CFD被用來研究不同冰箱配置對于溫度和氣流分布的影響。而且建立了一種新的貯藏室。最后通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了理論計(jì)算的可行性。二 問題描述流體流動和傳熱的控制根據(jù)氣流在冷卻室中的特點(diǎn)雷諾方程被用來研究室內(nèi)三維流動, 方程可寫為m =Sm-t :Xj:xj-p5 ui - j Sdx(1)斤+-:t X肓八CXj(kCp汀:xj-PujT 8在上述方程式中，壓力表示平均壓力, 平均流速。速度波動，樣寫：p是平均壓力,是導(dǎo)熱系數(shù),t表示時間， 勺是笛卡爾坐標(biāo)，ui表示Xi方向上的Sm是質(zhì)量源

5、。T是平均溫度，T'是溫度波動，u是Cp是定壓比熱容，Sr是能量源，ij是應(yīng)力張量的分量，可以這ij =2氣3：Xk j_UjUj(2)其中u是流體的動力粘度，克羅內(nèi)克符號V，應(yīng)變張量由JX丿給出，高雷諾數(shù)k - ；模型可寫為:(3)其中:.ucff&、rcui,1 Pu j k _ = Ut(p+pB)島ut'+Pk空j丿糾丿-Ui PnlXiutl(4)(5)Ui(6)P =2勺:Xj(7)Pb 二gi 1Pnl 二一 u'uj 出XjUt2 ' cuiPk )cui + Ut(8)湍流耗散率的控制方程如下:Hi.:tUeff 辭%=C1kUtf-3

6、<ut 衛(wèi)kIft axi:xiCquRC2 匚 C 廣才 Caw%(9)其中-=1.0,6,t=0.9,Cu =0.09, C 1=1.44, C 2=1.92, C 3=1.44, C 4 =-0.331.冷卻室結(jié)構(gòu)對于溫度和速度分布的影響3.1傳統(tǒng)冰箱的描述以及模擬邊界的定義back P = Oi Q max* Q ldcor圖2傳統(tǒng)冰箱B-B橫截面首先在論文中對于自然對流冰箱進(jìn)行了描述，它的外表如圖1所示，其內(nèi)部配置示意圖如圖2所示。冷卻室高1012mm,寬414mm.蒸發(fā)器被垂直安裝在背面板。所有玻璃架厚度為 4mm。DLC架與蒸發(fā)器間的間隙是 10mm。DLC架子與箱門之間的

7、間隙是6mm。二1與二4是最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的溫度。r表示距離頂端的長度為箱高5%處的溫度，屯表示距離低端距離也為箱高5%處的溫度。T1與T2表示距離頂部和底部都為箱高的1/3處的溫度。這6個點(diǎn)假設(shè)處于門與后面板中間的面上。' max表示刊與二4的差，宀表示二2與二3的差。一般而言，越小越合適，因?yàn)樵叫。鋮s室內(nèi)溫度的均勻性越好。Ding et al. 9相信架與后面版，架與箱門之間的間隙對于冷卻室內(nèi)溫度分布有很大影響， 為了進(jìn)一步進(jìn)行研究，通過改變De與Dl的數(shù)值來對冷卻室內(nèi)溫度場與流場進(jìn)行模擬。在這篇報告中模擬的計(jì)算域不包括vegetable box和butter box兩個部分，因?yàn)?/p>

8、這兩個區(qū)域內(nèi)空氣與外部區(qū)域是分開的。所有內(nèi)部表面以及蒸發(fā)器溫度被定義為邊界條件Teva蒸發(fā)器表面溫度為-6 °C. Top表示冰箱頂部溫度為10°Co Tbottom表示底部溫度為1.5°C, Tdoor表示內(nèi)部門表 面的溫度是2°C,冰箱外部溫度Tbox是TC流體是不可壓縮的，這是由于腔內(nèi)壓力變化很小，因而壓力對于密度的影響可以忽略不 計(jì)?；贐ouss in esq假設(shè)，流體密度只隨溫度變化而變化在浮力流計(jì)算中溫度場與流場存在 耦合，故運(yùn)用PISO。3.2間隙對于冷卻室溫度場和流場影響表1間隙對于溫度與速度分布的影響De/mmDl/mmu i7：&q

9、uot;(m/s)aq000.092593.6500.097594.01000.11584.11060.12397.417.5130.13047.8表1顯示了 De與Dl對溫度場，流場的影響。它顯示出當(dāng)De與Dl增加時，空氣對流增 強(qiáng)時，空氣對流場增強(qiáng)，溫度均勻性將更加難以實(shí)現(xiàn)。PP ： STAR J. 10VELOCITY MAGNITUDE 朋 iTER -102LOC AL MX-0.1239LOCAL 0.2B49E-03aimttJOd QJ9?40E-ai (MM屈TH araME-aiUW91E-Q1OEE-al* ountWE-oi 0L4443E-Q1D26TBE-01-ai

10、T9K-ai。創(chuàng)花&Q2 a2S«9E-03圖3當(dāng)De=10mm, Dl=6mm時氣流圖冷卻箱中速度和溫度的分布如圖3所示。當(dāng)De與DI很小時，空氣主要緩慢的流動在相鄰的貨架上。因此流動邊界層厚度增加。結(jié)果導(dǎo)致空氣與固體表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)減少，同時冷卻箱中溫度均勻性也減小。如果De與DI增加，情況正好相反。在這種情況下空氣沿著蒸發(fā)器與內(nèi)部表面流動，隨著邊界層厚度變薄，傳熱增強(qiáng)，故更加難以維持內(nèi)部溫度均勻性。四：新型冷卻室設(shè)計(jì)4.1改進(jìn)傳統(tǒng)冰箱的配置我們都知道隨著 De與DI減小，溫度的變化將會減小，但與此同時，空氣的對流將會減 少，故De與DI過大或者過小都是不理想的。我們將結(jié)論綜

11、合考慮，得出當(dāng)De=8mm, Dl=4mm,時結(jié)果最理想。bPROSTAR 3.10'3-Apr-03 EMERAIUPEABSOLUTEKE耳itm tq2LOCAL MM= £6tULC-UAL MN- kt.iJ.afl.2«1 3B£804277 63?C7紳"274 9273 9 J27J0K2721L271 2kr2702N曲圖4當(dāng)De=10mm, Dl=6mm時計(jì)算溫度圖(i.-I. Din et al. / Applied Thermal Engineering 24 f20f目.1827-18401 G -UJ fl 7 -b

12、5 3 2i o- 3 fl 0 & T 7 7 J 7 7 7 T ? 6 g 2 2 2 F. 2 7,2222 £PROSTAR 3.1019-Apr-J3TTMRATUFCASSOLLTTEKELVINITER =19CLOCAL MX- ?ai.7LOCAL MN- £C7,7圖5 De=0mm, Dl=0mm時傳統(tǒng)冰箱計(jì)算溫度©PROSTS 3110Ifl-Apr-IK TEfPERATUPEABSOLUTt 卜 ELV KITER -231LOC.1. V1X= 26'.5LOCAL MN- C60.e42B1.TE29 D22793

13、2叩Z77.52-6.5和t23 6172.1vt fi l271.1tmK3.3圖6 De=17.5mm, Dl=13mm時傳統(tǒng)冰箱計(jì)算溫度然而，沿著垂直方向上溫度變化是不可避免的，從圖4-6我們可以發(fā)現(xiàn)箱內(nèi)最低溫度為-3°C,在冰箱頂部區(qū)域溫度最高可達(dá)8°C.為進(jìn)一步達(dá)到溫度的均勻性，我們設(shè)計(jì)了一種新型的冰箱。主要結(jié)構(gòu)如圖所示。在頂部裝備一軸流式通風(fēng)機(jī)用來增加空氣對流。首先氣流從入口流入，再箱內(nèi)循環(huán)流動后返回出口，在通過風(fēng)道是與蒸發(fā)器發(fā)生熱量交換，結(jié)果使溫度降低。最終冷空氣進(jìn)入室內(nèi)重新循環(huán)。4.2對于新型冰箱溫度場與流場的研究back對溫度場和速度場進(jìn)行三維模擬，進(jìn)口與

14、出口的計(jì)算邊界分別進(jìn)行設(shè)動?？諝庖?的速度，1°C的溫度流入室內(nèi)。故問題已 SIMPLE算法來計(jì)算。1m/sPROSTRJW21-DBU-Q3VELOCITY MAGN I.JLL.曲IfbR- 5Z4LOCAL MX= 2 551LOCAL 叫 aQQDOf.SSI2 3542 13$2 0041 6Z21 Ml US?1 2TS1 OW0 MfS(I 3644-0 S JiCfc -jT圖8新型冰箱球形進(jìn)口時空氣流場分布(r.-i- Dh壊沖 al. ! AppHetl nrftkil24 f 2事科；j r©PAOSTAft 3L1QTTMFeFT Ff ABSCLU

15、TE 卜上L¥l袖ITEJ*S2I OCA. MK-芹丁 1L OCAt 魚* ?74fl言ZH2jrs人 27fi.&D i792STti.J27«Jh?.ne dizn rJzfj yIZJ!?DLMJMH2?6.10海TF2小QE總2；*lSJT4 $2；42圖9新型冰箱球星進(jìn)口時溫度分布 表2新型冰箱中片，二2，二3門4模擬值%/°cS2/°cSc%/°C日 /°C世 majf / C1.21.31.41.40.10.2圖8以橫截面B-B顯示流場，在主流區(qū)域速度為0.1822m/s，比圖3所示高了許多除了入口處流動分布

16、均勻，這樣就是空氣的熱對流增加。橫截面B-B顯示出溫度的分布。與傳統(tǒng)冰箱相比最高溫度降低了2.4°C表2列出齊，砂門3,4的溫度，比較表1與表2,明顯可以看出這4個區(qū)域的溫度更加均勻，溫度的均勻性得到了改善。4.3不同進(jìn)口溫度和速度的影響.h - !1 r - 1- 1 Ln ! E k 41 rL- J- EL 4>B 1 -丿 LJ 1 E If .2 - - w ; r£-£丄：.i.2 r J* -? 2 2圖10新型冰箱矩形進(jìn)口時溫度分布G.-K Ding et al. / Applied Thermal Engineering 24 (2004)

17、 1827-1S40QSTAK 31：-亡MPCfla-l.RF ABSOLUTEf El; rjir£H 357LOC< axLOO-'心 WOb 4 »rN- i _J *1 T 5 £ -£ D s b 5- 3 1 r»7?7M7BnTiTOl£Rra.7araMM7ii747*VI HJNcEr-: : i -L £ It ? 2 £ ¥3z-t 2 2ST 4. J 1 o o O R STz.*眾輕I©PROSTAH9.IOittSOttlTTr . L-ijlT R

18、 » 審QQLOCAL MX* ETlF.a lOC闖.fMQ圖11新型冰箱圓柱形進(jìn)口時溫度分布表3不同進(jìn)口對于溫度分布的影響形狀艮/°cfl；/°c爲(wèi)/°cA9/°c嘰jc球形1.21.31.41.40.10.2矩形1.01.11.41.40.30.4圓柱形1.01.11.51.50.40.5當(dāng)模擬新室的溫度場時， 我們假定入口形狀為球面。同時，我們也研究矩形入口和圓柱形入口下的溫度分布。 入口區(qū)域保持不變， 而且吹入室內(nèi)空氣沿著入口方向，其它邊界條件被定義與如圖4.2所示。圖10和圖11單獨(dú)列出了矩形進(jìn)口與圓柱形進(jìn)口時的溫度分布，它指出在圖

19、10和圖11中最高溫度為4°C,比圖9中最高溫度小2°C由于進(jìn)口空氣方向的不同方向?qū)е碌?。在由?形進(jìn)口組成的冷卻室中，向下吹氣幾乎是垂直的。 因此在入口區(qū)域速度很小，導(dǎo)致此區(qū)域的溫度升高。而當(dāng)其為矩形或圓柱形進(jìn)口時，氣流流入是水平的。因而在上述區(qū)域氣流增強(qiáng)， 溫度的均勻性得到了提高。表 3比較了 3中不同冷卻室中 刊，二2，屯，二4的溫度。五：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)比較蒸發(fā)器表面/ °c-26.0腔內(nèi)最高溫度/°c-3.1珀旳v°c-16.5耳飲p/°c-18.8兒迪/°C-16.7/°c-18.8絕對誤

20、差£ / °c0.2絕對誤差化/ °c丄0.0相對誤差花(%)1.2相對誤差長(%)0在這篇論文中，CFD軟件被用來研究冷卻室中氣流的參數(shù)。為了證實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可行性，我們對圖2進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。20個測試點(diǎn)分布在蒸發(fā)器，架子和內(nèi)部表面上，用以測試整個冷卻箱的溫度。當(dāng)兵想 運(yùn)行穩(wěn)定后，這20個點(diǎn)的數(shù)據(jù)被記錄下來。記錄結(jié)果T與T?被對比的列在表4中?？梢缘贸鯰,與T2的計(jì)算結(jié)果與測試值相符。六： 結(jié)論為了改進(jìn)直冷冰箱中溫度的均勻性，作者研究了冷卻室中溫度場和流場。我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)De與DI減小時，溫度變化減小，溫度分布更加均勻。 但與此同時空氣的熱對流也相應(yīng)減少。 所以

21、 De 與 Dl 對于溫度變化和空氣熱對流有不同影響，考慮這兩種不同因素，我們認(rèn)為 De=8mm, DI=4mm 是為最理想的情況。此外， 我們設(shè)計(jì)出一種新型冷卻室。 軸流式發(fā)動機(jī)和風(fēng)道被加入到傳統(tǒng)冰箱上用來加強(qiáng)空氣流動。由 CFD計(jì)算結(jié)果可以得到，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，在這種情況下溫度分布更加均勻 然而必須要指出的是進(jìn)口氣流的方向?qū)τ诶鋮s室內(nèi)溫度的分布有很大的影響。氣流應(yīng)當(dāng)垂直流入，同時在冷卻箱頂部溫度將會上升。參考文獻(xiàn)1 M. Yang, Y.Q. Wang, Y.H. Fu, W.Q. Tao, Numerical prediction of the temperature fields fo

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