改进冰箱内温度均匀性的方法要点

1、改进冰箱内温度均匀性的方法cfd摘要：在直接冷却冰箱中，最大温差随着房间高度变化而变化，对于制造大型冷藏库，这 是一个问题。为了改进房间温度的均匀性，在这篇论文中对于两种不同类型的冰箱运用 和实验方法进行研究。对于完全自然对流冰箱来说，结果显示架子与后墙，架子与冰箱门 之间的间隙对于温度的分布有很大影响。当减小两者的间隙时，温度变化将会减少，温度 分布将会更加均匀。为了进一步提高温度的均匀性，另一种直接冷却冰箱被设计出来，在 这种冰箱中加入了轴流式通风机和风道。本文研究了如何改进这种冰箱的流场，结果显示 从风道中流出气体的方向明显影响了温度场和流场。比较两种冰箱可以知道在后一种冰箱 中温度的均

2、匀性更好关键词：冰箱温度场直接冷却e主要符号表caa计算声学vy方向速度分能cfd计算流体力学w之方向速度分量ldv激光多普勒测速优w声功率ptv粒子成像浏迪技术叶轮叶片数udf用户自定义函数a方向夹角a监测面1设性阻力系数c当地声速7多孔介质孔隙率c由热叶片厚度c2粘性阻力果数间隙d直径e担度f频率p潮度g空调器性能本偏心，度i谐波序号u速度矢量k导朝系数l特征长度乌科数n转速p压力q热耗散量h半程s源项sistrouhal 散t温度t时间uk方向速度分里刖百近些年来，人们对于冰箱的保鲜能力越来越加以关注。然而，食物的新鲜程度取决于冷藏室中温度和气流的分布。 不适当的贮藏温度会导致食物提前变

3、质。 因而，对于食物保险来 说，保鲜来说，保持温度和气流在贮藏室中的分布式至关重要的。由于自然对流冰箱的配置原因， 冷却室存在较大温差。 热空气向上运动而冷空气向下运 动，造成了冷藏室上方区域温度高达 10c.而下方区域可低于 0,而这对于贮藏食品是不 利的。所以对于冰箱的设计者和使用者来说，如何提高热均匀性是最让他们关心的问题。尽管已经有很多学者研究冰箱中速度流场，然而对于如何提高其中的均匀性还没有被深入研究。fukuyo et al. 4提出对强制对流冰箱增添新的供气系统来达到保鲜的目的。hu et al.5运用cfd研究了冰箱中风道。但对于有关改进冰箱内温度均匀性的研究却少之又少。由 于

4、冰箱配置对于温度的分布影响很大，故而对其进一步研究就显得至关重要。在这篇论文中，cfd被用来研究不同冰箱配置对于温度和气流分布的影响。而且建立了一种新的贮藏室。最后通过实验进一步验证了理论计算的可行性。二 问题描述流体流动和传热的控制根据气流在冷却室中的特点雷诺方程被用来研究室内三维流动, 方程可写为空十:uj =sm(1)puj =xjcp汀：xjp*t+所在上述方程式中，压力表示平均压力,平均流速。 速度波动, 样写：p是平均压力,k是导热系数,p是密度,t表示时间，xi_是笛卡尔坐标，ui表示xi方向上的 二 .sm是质量源。t是平均温度，t是温度波动，u是cp是定压比热容，st是能量源

5、，%是应力张量的分量，可以这l2sj-2一 p ju3 3 ijuiuj(2)一：p：ujui - j 二 一一 s cxjcxi其中u是流体的动力粘度，克罗内克符号 gj ,应变张量由o_1 misij一二一2 二 x给出，高雷诺数k-君模型可写为:其中:|pujk 一四三iok j-ut ppb-卜二-utm ：k；:xi-:ui uipnlxi(3)ut42(4)ucff 二 u(5)p =2冏:ui:xj(6)pb =二h,t ： ：:x(7)p一西瓦ut 因2 f cui pkcui十 utxi(8)湍流耗散率的控制方程如下:-txj八一ueff czi p%iutpit以一kxi二

6、为:22cp-utpb q 丁 c.4；kk- ui五c隈utpnl(9)其中1.0,*h,t=0.9,cu =0.09, cgj=1.44, c g=1.92, c 各=1.44,c=-0.331.冷却室结构对于温度和速度分布的影响3.1 传统冰箱的描述以及模拟边界的定义dear图2传统冰箱b-b横截面首先在论文中对于自然对流冰箱进行了描述, 它的外表如图1所示，其内部配置示意图如图2所示。冷却室高1012mm，宽414mm.蒸发器被垂直安装在背面板。所有玻璃架厚度为4mm。dlc架与蒸发器间的间隙是 10mm。dlc架子与箱门之间的间隙是6mm。斗与“是最高点与最低点的温度。也表示距离顶端

7、的长度为箱高 5%处的温度，03表示距离低端距离 也为箱高5%处的温度。与1表示距离顶部和底部都为箱高的 1/3处的温度。这6个点假 设处于门与后面板中间的面上。aax表示句与“的差，也日表示日2与日3的差。一般而言，日越小越合适，因为 a8越小，冷却室内温度的均匀性越好。ding et al. 9相信架与后面版，架与箱门之间的间隙对于冷却室内温度分布有很大影响， 为了进一步进行研究，通过改变de与dl的数值来对冷却室内温度场与流场进行模拟。在这篇报告中模拟的方t算域不包括vegetable box和butter box两个部分，因为这两个区域内空气与外部区域是分开的。所有内部表面以及蒸发器温

8、度被定义为边界条件teva蒸发器表面温度为-6c. top表示冰箱顶部温度为10co tbottom表示底部温度为1.5, tdoor表示内部门表 面的温度是2,冰箱外部温度tbox是7流体是不可压缩的，这是由于腔内压力变化很小，因而压力对于密度的影响可以忽略不 计。基于boussinesq假设，流体密度只随温度变化而变化在浮力流计算中温度场与流场存在 耦合，故运用piso。3.2 间隙对于冷却室温度场和流场影响表1间隙对于温度与速度分布的影响de/mmdl/mm矗 rr(m/s)a6000.092593.6500.097594.01000.11584.11060.12397.417.5130

9、.13047.8表1显示了 de与dl对温度场，流场的影响。它显示出当de与dl增加时，空气对流增 强时，空气对流场增强，温度均匀性将更加难以实现。g.-l ding tj al i applied tjierffittl eninttriiii； 24 (2004 jnl 1840s 二m y 3 ：q伯钵t velocity magnitudester - 1q2 loca1mx-0.1239 loc kw 02b49e-03在1z融01151q1w2 口号7加e-q1 (mm帛fdcm 0l79me-q1uw91e-q1 眸吧h 0l4443e-q1-os64e-o1 d26tbe-01

10、屯 uwflj dl。朗盘&式q取蚱-q3图3当de=10mm, dl=6mm时气流图冷却箱中速度和温度的分布如图3所示。当de与dl很小时，空气主要缓慢的流动在相邻的货架上。因此流动边界层厚度增加。结果导致空气与固体表面传热系数减少，同时冷却箱中温度均匀性也减小。如果de与dl增加，情况正好相反。在这种情况下空气沿着蒸发器与内部表面流动，随着边界层厚度变薄，传热增强，故更加难以维持内部温度均匀性。四：新型冷却室设计4.1改进传统冰箱的配置我们都知道随着 de与dl减小，温度的变化将会减小，但与此同时，空气的对流将会减 少，故de与dl过大或者过小都是不理想的。 我们将结论综合考虑，得出当de

11、=8mm, dl=4mm, 时结果最理想。bprostab 3 103-apr-03em 龟 ratupeabsolutek.4 qf- tq2local mm= b1hlocal h4n- llu.ar 281 3b 25042795 27网277 &276 7e增d274 9273 9j 273 0kr 2702n刘93图4当de=10mm, dl=6mm时计算温度图(i.-i. din et al. / applied thermal engineering 241827-1840pfiostar 31c19-apr-j3ttmratufcassollttekelviniter =1 虹

12、local mx一田 1,7local mn- c7,7ab+ril-fj 2 ? 2 2 *-u- rj +ii. 1 g -uj fl 7 -b 5 3 2i o- 3 fl 0 & t 7 7 j 7 7 7 t 7 6 l2 2.1 7-j 2 7. 2 2 2 2-图5 de=0mm, dl=0mm时传统冰箱计算温度处prost m 3110ifl-apr-ikteratuffabsolute卜 elvinher - 231loc.1. v1x=/中上local n- ?69.0罚1曾打 2 75 ji c77.5m时 j?t?:9 z7?.d 管1j 2?d.2 而93图6 de=

13、17.5mm, dl=13mm时传统冰箱计算温度然而，沿着垂直方向上温度变化是不可避免的，从图 4-6我们可以发现箱内最低温度为-3c,在冰箱顶部区域温度最高可达8c.为进一步达到温度的均匀性，我们设计了一种新型的冰箱。主要结构如图所示。在顶部装备一轴流式通风机用来增加空气对流。首先气流从入口流入，再箱内循环流动后返回出口，在通过风道是与蒸发器发生热量交换，结果使温度降低。最终冷空气进入室内重新循环。4.2对于新型冰箱温度场与流场的研究prostrjw对温度场和速度场进行三维模拟，进口与出口的计算边界分别进行设动。空气以1m/s的速度，1 c的温度流入室内。故问题已simple算法来计算。21

14、-dec-03velocity magn i.jll.ws ifbr- 5?*local mx= 2 551local mk oioqqo,55123542 3 num1 6z21 ml us?1 2ts1 ow0 54fs(i如*4 1靖-0 s jicfc -jt图8新型冰箱球形进口时空气流场分布(i.-i- qmg 曰 til. / ap/tlietf nrftkil exg/力谭 3/ f 2fxmr 对2打afijjqhhlfwk rf a.3sclltt kklvlm 1* 如l xa. lrt- .、* 3ie* 心 m图9新型冰箱球星进口时温度分布表2新型冰箱中01 , %,劣

15、,优模拟值町。cs2/ c/ c%c日/ c f majf / c1.21.31.41.40.10.2图8以横截面b-b显示流场，在主流区域速度为0.1822m/s,比图3所示高了许多除了入口处流动分布均匀，这样就是空气的热对流增加。横截面 b-b显示出温度的分布。与传统 冰箱相比最高温度降低了2.4c表2列出01,92,03 ,94的温度，比较表1与表2,明显可以看出这4个区域的温度更加均匀，温度的均匀性得到了改善。4.3不同进口温度和速度的影响prastafta.io&的atitt r . i-ijl tt r 8local mx* ekei toc闯.mha fmqah h jkluho

16、puqf mtm- 7 5 1 j. t bj l u -s 3 1 3 / 5 3 1- / ? - j二 4 ;=.!: s ? f t -l2 7、-二i-jid图10新型冰箱矩形进口时温度分布g.-l. ding et al. i applied theftndl engineering 24 (2004) 1827-18/0f弓m ximpcfla-l.rf absolutef el; rjirr - 357local 5、5hlog叱心，mn 0pq a st口ewnnnkng f knjsramhbt7474 m+lmrl ; l&i- j em ?工 nj 上-t 2 2图11

17、新型冰箱圆柱形进口时温度分布表3不同进口对于温度分布的影响形状hj c8j c%/ caj c ” c姆皿/ c球形1.21.31.41.40.10.2矩形1.01.11.41.40.30.4圆柱形1.01.11.51.50.40.5当模拟新室的温度场时，我们假定入口形状为球面。同时，我们也研究矩形入口和圆柱形入口下的温度分布。 入口区域保持不变， 而且吹入室内空气沿着入口方向，其它边界条件被定义与如图4.2所示。图10和图11单独列出了矩形进口与圆柱形进口时的温度分布，它指出在图10和图11中最高温度为4c,比图9中最高温度小2c.由于进口空气方向的不同方向导致的。在由球 形进口组成的冷却室

18、中，向下吹气几乎是垂直的。因此在入口区域速度很小，导致此区域的温度升高。而当其为矩形或圆柱形进口时，气流流入是水平的。因而在上述区域气流增强， 温度的均匀性得到了提高。表3比较了 3中不同冷却室中 日1,%田3 ,生的温度。五：实验验证表4实验数据与模拟数据比较蒸发器表面/ c-26.0腔内最高温度/ c-3.1北红产/ c-16.5%白邙 c-18.8imlf/ c-16.7c-18.8绝对误差工/ c0.2绝对误差北/。c0.0相对误差工（%）1.2相对误差工（）0在这篇论文中，cfd软件被用来研究冷却室中气流的参数。为了证实实验结果的可行性，我们对图2进行了一系列实验验证。20个测试点分

19、布在蒸发器，架子和内部表面上，用以测试整个冷却箱的温度。当兵想 运行稳定后，这20个点的数据被记录下来。记录结果t1与不被对比的列在表4中。可以得出工与t2的计算结果与测试值相符。六： 结论为了改进直冷冰箱中温度的均匀性，作者研究了冷却室中温度场和流场。我们发现当de 与 dl 减小时， 温度变化减小， 温度分布更加均匀。 但与此同时空气的热对流也相应减少。所以 de 与 dl 对于温度变化和空气热对流有不同影响，考虑这两种不同因素，我们认为de=8mm, dl=4mm 是为最理想的情况。此外， 我们设计出一种新型冷却室。 轴流式发动机和风道被加入到传统冰箱上用来加强空气流动。由 cfd 计算

20、结果可以得到，与传统系统相比，在这种情况下温度分布更加均匀然而必须要指出的是进口气流的方向对于冷却室内温度的分布有很大的影响。 气流应当垂直流入，同时在冷却箱顶部温度将会上升。参考文献1 m. yang, y.q. wang, y.h. fu, w.q. tao, numerical prediction of the temperature fields for the freezing and coldchamber of domestic refrigerator, journal of refrigeration 4 (1991) 17 (in chinese).2 c.m. ling

21、, w.q. tao, two-dimensional numerical simulation of the transient natural convection in refrigerator,journal of xian jiaotong university 29 (10) (1995) 3541 (in chinese).3 w. hu, x.c. que, z.j. chen, numerical method of design of air duct of small-scale refrigeration installation withair forced conv

22、ection cooling, in: proceedings of the conference on cryogenics and refrigeration, soc desingenieurs de automobile, 1998, pp. 22427.4 f. kazuhiro, t. taichi, a. haruko, thermal uniformity and rapid cooling inside refrigerators, internationaljournal of refrigeration 26 (7) (2003) 249 - 255.5 w.r. cha

23、ng, j.y. lin, h.c. hsu, air flow simulation and energy estimation for household refrigerators/freezers,in: proceedings of 52nd annual international appliance technical conference, columbus, oh, 2001.6 w.q. tao, numerical heat transfer, press of xi_an jiaotong university, xi_an, china, 2002, pp. 336 - 338 (inchin