改进冰箱内温度均匀性方法

1、改进冰箱内温度均匀性的方法摘要：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CFD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匀性更好关键词

2、： 冰箱 温度场 直接冷却一 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。Fuku

3、yo 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，流体流动和传热的控制方程可写为 （1）在上述方程式中，压力表示平均压力，t表示时间，是笛卡尔坐标，表示方向上的平均流速。是平均压力，是密度，是质量源。是平

4、均温度，是温度波动，是速度波动，是导热系数，是定压比热容，是能量源，是应力张量的分量，可以这样写： （2） 其中是流体的动力粘度，克罗内克符号，应变张量由给出，高雷诺数模型可写为： （3） 其中： （4） （5） （6） （7） （8） 湍流耗散率的控制方程如下： （9） 其中 =1.0， =0.9， =0.09， =1.44， =1.92， =1.44， =-0.33 1.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 图1 冰箱外表面 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10

5、12mm,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。与是最高点与最低点的温度。表示距离顶端的长度为箱高5%处的温度，表示距离低端距离也为箱高5%处的温度。与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。表示与的差，表示与的差。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

6、的计算域不包括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度被定义为边界条件Teva.蒸发器表面温度为-6°C. 表示冰箱顶部温度为10°C。表示底部温度为1.5°C，表示内部门表面的温度是2°C，冰箱外部温度是7°C。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

7、分布的影响De/mmDl/mm umax(m/s)000.092593.65 00.097594.01000.11584.11060.12397.417.5130.13047.8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。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

8、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=8mm, Dl=4mm,时结果最理想。图4 当De=10mm, Dl=6mm时计算温度图 图5 De=0mm, Dl=0mm时传统冰箱计算温度 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&

9、#176;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 图7 新型腔室示意图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。 图8 新型冰箱球形进口时空气流场分布 图9 新型冰箱球星进口时温度分布表2 新型冰箱中,模拟值 1/° 2/° 3/&

10、#176; 4/°/° max/°1.21.31.41.40.10.2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2.4°C.表2列出,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 图10 新型冰箱矩形进口时温度分布 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 1/° 2/° 3/

11、6; 4/°/°max/° 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

12、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,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/°-26.0腔内最高温度/°-3.1 T1exp/°-16.5 T2exp/°-18.8 T1cal/°-16.7 T2cal/°-18.8绝对误差T1/°0.2绝对误差T2/°0.0相对误差T1()1.2相对误差T2()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

13、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。记录结果与被对比的列在表4中。可以得出与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C

14、FD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 for the freezing and coldchamber of domestic refrigerator, Journal of Refrigeration 4 (1991) 17 (in Chinese).2 C.M. L

15、ing, 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 c

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17、hang, 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. 33

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