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 直接冷却主要符号表CAA计算尹学Vy方向連度分童CFD计算流林力学Wz方向速度井董LDV澈光赛普勒测理怏W声功率PTV粒子成像测速技术Z叶轮叶片数UDF用户自定文函数a方向来席Al/a惯性陛力系数C当地岸这7务孔介质孔腺車C出热叶片厚度c2牯性咀力羸敬£间晾D直径&f频率PG空调器性能$偏心度i谐菠序号U速糜矢量k导热系数L特征艮度马掃数N转速P压力Q热耗敞母a半径sSiStrouhal 盘T温度t时间uX方问速度分虽一 前言近些年来，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

3、致食物提前变质。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 10°C.而下方区域可低于 0 °C,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

4、度均匀性的研究却少之又少。由 于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，压力表示平均压力, 平均流速。速度波动，样写：p是平均压力,是导热系数,t表示时间， 勺是笛卡尔坐标，ui表示Xi方向上的Sm是质量源

5、。T是平均温度，T'是温度波动，u是Cp是定压比热容，Sr是能量源，ij是应力张量的分量，可以这ij =2气3：Xk j_UjUj(2)其中u是流体的动力粘度，克罗内克符号V，应变张量由JX丿给出，高雷诺数k - ；模型可写为:(3)其中:.ucff&、rcui,1 Pu j k _ = Ut(p+pB)岛ut'+Pk空j丿纠丿-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 卫kIft axi:xiCquRC2 匚 C 广才 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back P = Oi Q max* Q ldcor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

7、间隙是6mm。二1与二4是最高点与最低点的温度。r表示距离顶端的长度为箱高5%处的温度，屯表示距离低端距离也为箱高5%处的温度。T1与T2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。' max表示刊与二4的差，宀表示二2与二3的差。一般而言，越小越合适，因为越小，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计算域不包括vegetable box和butter box两个部分，因为

8、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度被定义为边界条件Teva蒸发器表面温度为-6 °C. Top表示冰箱顶部温度为10°Co Tbottom表示底部温度为1.5°C, Tdoor表示内部门表 面的温度是2°C,冰箱外部温度Tbox是TC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Bouss in esq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/mmu i7：&q

9、uot;(m/s)aq000.092593.6500.097594.01000.11584.11060.12397.417.5130.13047.8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。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。创花&Q2 a2S«9E-03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DI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DI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DI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DI过大或者过小都是不理想的。我们将结论综

11、合考虑，得出当De=8mm, Dl=4mm,时结果最理想。bPROSTAR 3.10'3-Apr-03 EMERAIUPEABSOLUTEKE耳itm tq2LOCAL MM= £6tULC-UAL MN- kt.iJ.afl.2«1 3B£804277 63?C7绅"274 9273 9 J27J0K2721L271 2kr2702N曲图4当De=10mm, Dl=6mm时计算温度图(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图5 De=0mm, Dl=0mm时传统冰箱计算温度©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图6 De=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-3°C,在冰箱顶部区域温度最高可达8°C.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back对温度场和速度场进行三维模拟，进口与

14、出口的计算边界分别进行设动。空气以 的速度，1°C的温度流入室内。故问题已 SIMPLE算法来计算。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图8新型冰箱球形进口时空气流场分布(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 鱼* ?74fl言ZH2jrs人 27fi.&D i792STti.J27«Jh?.ne dizn rJzfj yIZJ!?DLMJMH2?6.10海TF2小QE总2；*lSJT4 $2；42图9新型冰箱球星进口时温度分布 表2新型冰箱中片，二2，二3门4模拟值%/°cS2/°cSc%/°C日 /°C世 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

16、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2.4°C表2列出齐，砂门3,4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.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图10新型冰箱矩形进口时温度分布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、 » 审QQLOCAL MX* ETlF.a lOC闯.fMQ图11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艮/°cfl；/°c爲/°cA9/°c叽jc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

19、10和图11中最高温度为4°C,比图9中最高温度小2°C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 刊，二2，屯，二4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珀旳v°c-16.5耳饮p/°c-18.8儿迪/°C-16.7/°c-18.8绝对误

20、差£ / °c0.2绝对误差化/ °c丄0.0相对误差花(%)1.2相对误差長(%)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T与T?被对比的列在表4中。可以得出T,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DI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

21、 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, DI=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 fo

22、r the freezing and coldchamber of domestic refrigerator, Journal of Refrigeration 4 (1991) 17 (in Chinese).2 C.M. Ling, 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

23、. Que, Z.J. Chen, Numerical method of design of air duct of small-scale refrigeration installation withair forced convection cooling, in: Proceedings of the Conference on Cryogenics and Refrigeration, Soc desIngenieurs de lAutomobile, 1998, pp. 222427.4 F. Kazuhiro, T. Taichi, A. Haruko, Thermal uni

24、formity and rapid cooling inside refrigerators, Internationaljournal of Refrigeration 26 (7) (2003) 249 255.5 W.R. Chang, 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,