卧式敞开式冷藏陈列柜送风口的结构优化

甄 仌 宋宝玉 杨 萍 王 铁

纪志坚2 刘佳玮3 郑大宇3

（1．哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001；2．大连经济技术开发区大连三洋冷链有限公司，辽宁 大连 116600；3．哈尔滨商业大学能源与建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150028）

卧式陈列柜结构简单、便于顾客选购，是超市中较常用的冷冻商品陈列柜装置，主要用来存放和销售冻结食品。通常由制冷系统、风路系统、柜体以及柜内食品空间组成，顶部敞开，由风幕将食品与柜外环境隔开减少热空气的进入。对于卧式敞开式低温陈列柜来说，通过敞口渗入柜内的热负荷占整体热负荷的65%以上［1］。

为了对卧式陈列柜的风幕进行优化设计，研究者［2，3］做了一系列的努力。穆景阳等［4］采用有限元法对某卧式超市陈列拒的风幕进行了数值分析，认为风口风速存在优化范围。冯欣等［5］采用雷诺应力模型对某卧式超市陈列柜的风幕进行了仿真计算，证明环境空气的卷吸是风幕热负荷的主要来源，解决风幕变形与耗散是设计高效节能陈列柜的关键。陈天及等［6］通过对某卧式敞开式低温陈列柜导流板式送风口结构的优化设计，以及风幕送风速度的优化研究，得出由多块整流板和导流板组成的卧式陈列柜导流板式风幕送风口可使冷风幕风层缓慢流动，稳定性好；存在一最佳的风幕送风速度，可依据陈列柜结构合理优化选择。陈洁等［7］利用Phoenics软件，通过对卧式陈列柜传热过程的分析，认为考虑热辐射模型的模拟结果更符合试验数据，并且须选择合理的送风速度。陈天及等［8］试验研究了总送风口尺寸加宽、风幕厚度增加对风幕特性及陈列柜性能的影响。

参考前人［9，10］的研究，对陈列柜出风口的优化设计可以优化风幕。本研究拟针对装有M－包（作为瘦牛肉的试验替代品，热物性与瘦牛肉相似）卧式陈列柜出口端面的两种不同送风口形式，即钣金导流板式和正六边形蜂窝（对边间距为4mm）形式，在相同环境条件下通过试验测定两种出口端面形式的温度场及其温度波动性。根据试验结果对陈列柜出风口进行优化。

1 卧式风幕特性分析

卧式敞开式冷藏陈列柜风幕循环原理图见图1。卧式陈列柜多采用狭长条状出风口，出风口处用平型格栅控制出风方向，回风口上有金属网格防止异物掉入［11］。目前卧式敞开式常用的出风口形式为导流板送风口，其结构见图2。此种送风口是由导流板分隔形成的具有一定角度的狭长风道，对吹出的冷空气起导流和调整的作用。

图1 卧式敞开式冷藏陈列柜风幕循环原理图Figure1 Schematic diagram of air curtain cycle of open horizontal refrigerated display cabinet

图2 钣金导流板结构图示Figure2 Structure diagram of sheet metal guide plate

良好的风幕要有合理的各层送风温度和送风速度，以减少卷入的环境热湿空气及溢出的冷空气，达到降低陈列柜能耗，改善性能的目的。同时，沿陈列柜长度方向上二者的均匀性也要合理，这直接影响到陈列柜柜内温度分布的均匀性。除此之外，送回风温差也是风幕性能的一个重要衡量标准，温差太大会导致射流主轴下弯程度变大，流程变长，从而导致环境热空气的总渗透量增大，而且，温差增大还会导致各种传热方式的驱动力变大，从而增加风幕的冷损。

2 试验研究方法及方案

2．1 改变风幕送风口形式

尝试采用立式常用的蜂巢式出风口代替钣金导流板出风端口，即在出风口吹出冷风前加正六边形蜂窝，以试验为手段，在两种工况下运行陈列柜并进行相关数据的采集。试验使用卧式敞开双岛式陈列柜，柜内M－包按标准布置。

2．2 实验室

实验室设在某冷链公司的陈列柜实验室，环境控制室在陈列柜测试的实验室内。与陈列柜风幕方向相垂直的两个壁面上分别布有送风孔和回风孔，用来控制送风速度，并保证实验室内气流的平稳，同时可以控制实验室内环境的温度和湿度等条件保持恒定，以保证实验数据的准确性和可信度。天花板和另外两个相对壁面安装时设置为绝热，内壁为金属表面，地面为一定厚度的混凝土材料制成，保证良好的绝热效果以防止测试环境被外界环境所干扰和影响。陈列柜按照冷藏陈列柜测试国家标准布置在实验室内。

试验测试使用的压缩机及其控制装置放置于实验室隔壁的设备间中。相关参数：电源电压为220 V；功率为1 470 W；制冷剂为R404A。实验室由计算机自动控制，保持其环境在既定要求的范围之内。在陈列柜内安插并设置好相对应的测点，即可由计算机系统自动采集并记录相应的试验数据。采用的温度测试元件为热电偶，用于感应陈列柜内空气流动过程中相应点的温度。测试前需校准热电偶，测得热电偶的温度偏差在±1 ℃之内，逐一校准每个热电偶后可以保证热电偶的误差在±0．5 ℃以内。

2．3 主要试验设备及测试方案

2．3．1 敞开式冷藏陈列柜 试验测试使用的陈列柜为某冷链公司生产的敞开式冷藏陈列柜，该样柜结构具有普遍性，适合用于进行实验测试。陈列柜主要用来存放、展示和销售冷冻食品。陈列柜相关参数：外部材料和内部材料均由钢板构成；保温材质为硬质聚氨酯发泡；制冷剂为R404A；电压为220V；频率为50Hz。

2．3．2 温度测点的布置和采集方法 试验中风幕送风温度的测试按照GB／T 21001．2－2007标准来进行。温度测试采用平行六面体的试验包，用于温度测量、配备有感温装置的试验包称为M－包，温度传感器安装于试验包的几何中心，并与填充材料直接接触，采用的规格为500g（外形尺寸为50mm×100mm×100 mm），外形结构见图3；不加温度传感器的试验包规格为1 000g（50mm×100mm×200mm）。试验包和M－包的装载见图4。

由实际的测量可知，陈列柜开机后，速度能在较短时间内达到稳定（一般10 min后）。陈列柜内温度的变化比较慢，一般28min后陈列柜温度场与出风温度才比较稳定。为保证所采集速度与温度数据的可靠性和稳定性，试验使用陈列柜开机运行35 min之后，试验值基本保持稳定的温度分布值和速度分布值作为陈列柜稳态的温度与速度分布。

图3 M－包结构图（单位：mm）Figure3 Structure diagram of M－package（unit：mm）

图4 卧式敞开双岛式陈列柜试验包装载图Figure4 Load diagram of open horizontal dual island display cabinet with test packages

3 结果与分析

3．1 出口端面为钣金导流板

卧式敞开式陈列柜一直采用的出口端面形式为钣金导流板，其结构见图2。由出风口吹出的经蒸发器冷却的冷空气，其速度和紊流度等都由钣金导流板的形状决定，是卧式陈列柜风幕的主要特征参数之一。通过对出风口、回风口各处温度进行数据采集，得到陈列柜实负荷温控循环各测点的瞬态温度值，统计得出瞬态温度值中的最大值、最小值与平均值，见表1。由表1可知，A 温湿度环境下，左侧上回风口和中间上回风口两处的温度最大值偏高，其中中间上回风口的平均值达到温度要求；B温湿度环境下，左侧上回风口、中间上回风口和右侧上回风口3处的温度最大值偏高，且其平均值也偏高，其中，中间上回风口的最大值和平均值在三者中最高。温度波动性范围为0．465～2．175 ℃。

3．2 出口端面为正六边形蜂窝

出口端面为正六边形蜂窝风幕是立式敞开式陈列柜一直采用的出口端面形式，由一段泡沫塑料板构成正六边形的蜂窝状结构，见图5。正六边形蜂窝风幕具有良好的整流效果，使出风口吹出的冷空气速度均匀平稳。

本试验采用的正六边形蜂窝的对边间距为4mm。通过对出风口、回风口各处温度进行数据采集，得到陈列柜实负荷温控循环各测点的瞬态温度值，统计得出瞬态温度值中的最大值、最小值与平均值，见表2。由表2可知，A 和B两种温湿度环境条件下，所有测点的温度值均达到要求，整体制冷效果比出口端面为钣金导流板好。温度波动性范围为0．96～3．18 ℃。

表1 钣金导流板实负荷温控循环试验温度测量值Table1 Temperature measurement value of controlled temperature cycling test with sheet metal guide plate and real load ／℃

图5 正六边形蜂窝风幕实体照片Figure5 Picture of hexagonal honeycomb air curtain

表2 正六边形蜂窝风幕实负荷温控循环试验温度测量值Table2 Temperature measurement value of controlled temperature cycling test with hexagonal honeycomb air curtain and real load

3．3 两种端面形式的比较分析

以各测点温度的平均值作为温度值，将钣金导流板与正六边形蜂窝两种端面形式的温度值进行比较，见表3、4。由表3、4可知，采用正六边形蜂窝风幕可使柜内出风口和回风口附近的温度有不同程度的降低，温度降低百分数范围为1．34%～45．62%，考虑到数据的可靠性，排除个别降低幅度过大或过小的测点及两个温度升高的测点后，得出大部分测点的平均温度降低的幅度为11%～27．28%。整体来看，采用正六边形蜂窝风幕得到的低温效果比原用的钣金导流板风幕的效果好。

表3 两种端面柜内温度场比较Table3 Comparison of inner temperature field between two kinds of end

从温度波动性角度来看，采用正六边形蜂窝风幕后，在柜内出风口和回风口附近的温度波动有不同程度的升高或降低，风口的整体温度波动性比钣金导流板出口端面有所升高，在两种温湿度环境条件下，其整体温度波动性分别升高15．73%和17．34%。虽然采用正六边形蜂窝风幕的风口温度波动性比钣金导流板式偏高，但其各处的温度值比钣金导流板式低，且所有测点的温度均达到要求，由此来看，采用正六边形蜂窝风幕的出口端面形式可保证风幕的低温温度，维持柜内的低温环境，是较为合理的选择。

4 结论

本研究对用于卧式敞开双岛式陈列柜的钣金导流板、正六边形蜂窝两种送风口形式进行了对比试验，通过对试验数据的比较分析，采用正六边形蜂窝风幕后陈列柜大部分测点的温度均有所下降。研究认为采用正六边形蜂窝风幕代替钣金导流板可以使卧式敞开双岛式陈列柜满足能效标准对柜内温度的要求，但温度波动性有所升高。在国家对陈列柜提出提高能效标准的要求后，本试验研究中卧式陈列柜采用蜂窝式送风口有可能改变多年来行业内一直采用导流板式送风口的惯例，但是在陈列柜长时间的实际使用中有可能会出现冰堵阻碍气流流动等不利因素，需要在实践中进一步总结经验并加以改进。

表4 两种端面风口温度波动比较Table4 Comparison of temperature fluctuations between two kinds of end outlet

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