曾憲順1 趙 丹1 丁國(guó)良1 丁劍波 李 靖

(1 上海交通大學(xué) 制冷與低溫工程研究所 上海 200240； 2 青島海爾智能技術(shù)研發(fā)有限公司 青島 266103)

改進(jìn)間冷式酒柜內(nèi)溫度場(chǎng)均勻性的方案與效果

曾憲順1趙 丹1丁國(guó)良1丁劍波2李 靖2

(1上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所上海200240； 2青島海爾智能技術(shù)研發(fā)有限公司青島266103)

高品質(zhì)酒柜的開發(fā)，需要能夠保證酒柜內(nèi)溫度場(chǎng)均勻性的設(shè)計(jì)方法。本文對(duì)均勻輸送冷量、避免冷氣下沉、降低門體漏熱、增強(qiáng)空氣湍流等四個(gè)改進(jìn)均溫性的方向，提出風(fēng)口布置、隔板布置、頂部風(fēng)幕布置、風(fēng)口方向設(shè)計(jì)這四種初步的方案；通過計(jì)算機(jī)仿真探討各方案的效果及各方案優(yōu)化組合的可能性。計(jì)算表明：優(yōu)化組合四種方案可達(dá)到最佳均溫性能。將該優(yōu)化方案應(yīng)用于某品牌389 L酒柜進(jìn)行均溫設(shè)計(jì)，樣機(jī)測(cè)試結(jié)果顯示：在環(huán)境溫度為32 ℃，柜內(nèi)設(shè)置溫度為8 ℃的工作條件下，酒柜內(nèi)最大溫差由12.6 ℃降低至2.0 ℃，說明該優(yōu)化方案可有效地提高酒柜的溫度分布均勻性。

間接式制冷系統(tǒng)；酒柜；溫度場(chǎng)；均溫性；性能實(shí)驗(yàn)

近幾年來，葡萄酒的銷售一直以20%左右的速度增長(zhǎng)[1-2]，人們對(duì)葡萄酒的認(rèn)知和需求不斷提高。葡萄酒對(duì)保存條件要求十分苛刻，特別是環(huán)境溫度[3-4]。傳統(tǒng)的方法是放在地底的酒窖中，來保持溫度的穩(wěn)定。但在空間擁擠的城市中人們更愿意選擇人工制冷的酒柜進(jìn)行儲(chǔ)存[5]，既節(jié)省空間，也更容易獲得需要的貯存溫度。主流的酒柜是采用壓縮式制冷，通過冷風(fēng)將冷量分散到柜內(nèi)各個(gè)區(qū)間，這種酒柜稱為間冷式酒柜。

酒柜內(nèi)溫度場(chǎng)的均勻性是酒柜性能的重要指標(biāo)，酒柜中各酒瓶的溫度差別越小越好[6-8]。對(duì)于不同容量的酒柜，酒柜空間越大，空氣溫度場(chǎng)的均勻性越差，酒柜易存在較大的溫差[9-11]。酒柜內(nèi)較大的溫差不利于葡萄酒的保存，它不僅直接影響葡萄酒的品質(zhì)好壞，長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存還會(huì)降低葡萄酒的潛釀能力[12-14]。因此，對(duì)酒柜進(jìn)行均溫性設(shè)計(jì)，有效控制柜內(nèi)空間的溫差大小十分必要。

對(duì)于間冷式酒柜，為了提升內(nèi)部的溫度場(chǎng)均勻性，需要綜合考慮酒柜均溫性能的各種影響因素，提出定性的改進(jìn)方案。冷藏空間內(nèi)的溫度場(chǎng)均勻性受多種因素的影響[15-17]，對(duì)于特定的間冷式酒柜，需要根據(jù)實(shí)際的結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行定量的分析，才能獲得最佳的結(jié)構(gòu)。

本文目的是提出間冷式酒柜溫度場(chǎng)改進(jìn)的可選用方案，結(jié)合實(shí)際酒柜的設(shè)計(jì)，對(duì)最優(yōu)方案進(jìn)行效果驗(yàn)證。

1 提升酒柜均溫性的可選方案

圖1是間冷式酒柜的示意圖。冷卻后的空氣通過風(fēng)道吹出，使得與葡萄酒接觸的空氣溫度降低。為了保證酒柜內(nèi)葡萄酒的均溫性，需要保證酒柜空氣溫度場(chǎng)的均勻性。

圖1 酒柜示意圖Fig.1 The structure of the wine cabinet

為了實(shí)現(xiàn)酒柜內(nèi)溫度場(chǎng)的均勻，首先需要向酒柜內(nèi)均勻輸入冷量，其次需要避免大空間內(nèi)冷空氣的下沉和降低門體漏熱影響，最后需要增加空間內(nèi)空氣擾流。因此，影響酒柜溫度場(chǎng)均溫性的因素依次為風(fēng)口布置、隔板布置、頂部風(fēng)幕布置、出風(fēng)口送風(fēng)方向設(shè)計(jì)。基于上述影響因素，可以提出4種均溫改進(jìn)方案，詳細(xì)論述如下：

方案1：風(fēng)口布置方案?；舅悸肥峭ㄟ^向空間內(nèi)不同位置均勻輸送冷量來提高酒柜的均溫性，如圖2所示。此方案可避免設(shè)置單出風(fēng)口時(shí)臨近風(fēng)口溫度低遠(yuǎn)離風(fēng)口溫度高的問題。

圖2 風(fēng)口布置方案(方案1)Fig.2 Arrangement of air outlet (the 1st scheme)

方案2：隔板布置方案?；舅悸肥峭ㄟ^分隔酒柜空間，不同空間內(nèi)各自送風(fēng)制冷的方式來提高酒柜的均溫性，如圖3所示。此方案可避免酒柜大空間內(nèi)冷空氣下沉，造成酒柜上下層間溫差過大的問題。

圖3 隔板布置方案(方案2)Fig.3 Division of space (the 2nd scheme)

方案3：頂部風(fēng)幕布置方案。基本思路是在酒柜頂部靠近門處設(shè)置出風(fēng)口向門側(cè)輸送冷量來提高酒柜的均溫性，如圖4所示。此方案可降低酒柜門體的輻射熱和門縫漏熱對(duì)門附近酒瓶溫度的影響。

方案4：風(fēng)口方向設(shè)計(jì)方案?；舅悸肥鞘估淇諝獯迪騻?cè)壁面來增加空氣擾流，避免冷空氣直吹酒瓶造成局部酒瓶溫度過低的問題，如圖5所示。

圖4 頂部風(fēng)幕布置方案(方案3)Fig.4 Air curtain on top of cabinet (the 3rd scheme)

圖5 風(fēng)口方向設(shè)計(jì)方案(方案4)Fig.5 Transverse direction of air outlet (the 4th scheme)

2 酒柜均溫方案的篩選與效果比較

2.1方案篩選的思路

根據(jù)已提出的4個(gè)酒柜均溫方案，對(duì)于不同型式的酒柜，具體的效果不同。因此本文對(duì)各方案進(jìn)行分析比較，以決定選用其中的某一個(gè)方案，或者幾個(gè)方案的組合。這種分析比較可以通過計(jì)算機(jī)仿真來實(shí)現(xiàn)，選用的方案還需要通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。技術(shù)路線如圖6所示。

圖6 酒柜均溫的技術(shù)路線Fig.6 The technology route of the temperature uniformity design

2.2均溫方案效果的仿真

本文基于某品牌酒柜的結(jié)構(gòu)分別對(duì)以上4個(gè)酒柜的均溫設(shè)計(jì)方案進(jìn)行CFD模擬，考察各方案的均溫性能，即比較各方案箱內(nèi)的最大溫差。CFD仿真模擬的是冰箱一直開機(jī)的狀態(tài)，即出風(fēng)口一直出風(fēng)的打冷穩(wěn)定狀態(tài)下冰箱內(nèi)的溫度，其邊界條件設(shè)置選取常規(guī)的酒柜工況，如表1所示。計(jì)算采用SIMPLE算法進(jìn)行求解。對(duì)于存在輻射換熱的門體，本文綜合考慮光學(xué)深度、散射與發(fā)射、半透明介質(zhì)與鏡面邊界等影響因素，決定選取離散坐標(biāo)輻射(DO)模型[18]來建立門體的換熱計(jì)算模型。

為了驗(yàn)證仿真計(jì)算結(jié)果符合網(wǎng)格無關(guān)性要求，本文對(duì)原酒柜模型按照單元網(wǎng)格尺寸分別為1 mm、2 mm、4 mm、6 mm、8 mm時(shí)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。酒柜的最大溫差是表現(xiàn)酒柜均溫性能的重要參數(shù)，因此，以原型酒柜內(nèi)的最大溫差為縱坐標(biāo)，單元網(wǎng)格尺寸為橫坐標(biāo)，將5種網(wǎng)格下的酒柜最大溫差計(jì)算結(jié)果在圖7中進(jìn)行比較。結(jié)果顯示，當(dāng)單元網(wǎng)格尺寸從4 mm減小到1 mm時(shí)，酒柜的最大溫差變化很小，可認(rèn)為單元網(wǎng)格尺寸為4 mm時(shí)的計(jì)算結(jié)果已經(jīng)符合網(wǎng)格無關(guān)性要求，因此本文中基于原酒柜的各方案模型的單元網(wǎng)格尺寸取4 mm。

各方案仿真結(jié)果如圖8～圖11所示。風(fēng)口布置方案(方案1)仿真結(jié)果表明，酒柜頂層與門側(cè)溫度偏高，酒柜底層與內(nèi)壁附近溫度偏低，如圖8所示。酒柜酒瓶上的最高溫度位于第1層中間的酒瓶，最低溫度位于第8層中上部的酒瓶，最大溫差為8.3 ℃。該方案中酒柜空間過大，每層酒架之間沒有阻隔，導(dǎo)致冷空氣容易下沉，存在酒柜頂層與底層溫差過大的問題。

表1 邊界條件Tab.1 Boundary conditions

圖7 酒柜模擬的網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證Fig.7 Grid independent verification for wine cabinet simulation

圖8 風(fēng)口布置方案(方案1)仿真結(jié)果Fig.8 Simulation result of the arrangement of air outlet (the 1st scheme)

隔板設(shè)置方案(方案2)仿真結(jié)果表明，酒柜第2層至第7層的溫度分布較均勻，但第1層與第8層溫度偏高，如圖9所示。酒柜酒瓶上的最高溫度位于第1層靠近門側(cè)的酒瓶，最低溫度位于第4層靠近內(nèi)壁的酒瓶，最大溫差為5.4 ℃，相比方案1降低了34.9%。該方案通過設(shè)置隔板避免了冷空氣下沉的問題，因此相比方案1酒柜均溫性得到提高，但由于酒柜頂層靠近門體側(cè)受輻射熱影響較大，承受較大的熱負(fù)荷，因而依然存在溫差較大的問題。

圖9 隔板布置方案(方案2)仿真結(jié)果Fig.9 Simulation result of the division of space (the 2nd scheme)

頂部風(fēng)幕布置方案(方案3)仿真結(jié)果表明，酒柜第1層至第7層溫度分布較均勻，但第8層溫度偏高，如圖10所示。酒柜酒瓶上的最高溫度位于第8層中間的酒瓶，最低溫度位于第4層靠近內(nèi)壁的酒瓶，最大溫差為3.6 ℃，相比方案1降低56.6%。該方案通過在酒柜頂部靠門處設(shè)置出風(fēng)口降低了門體輻射熱的影響，因此相比方案2酒柜均溫性得到提高，但由于酒柜第8層承受較大的熱負(fù)荷，因而依然存在溫差較大的問題。

圖10 頂部風(fēng)幕布置方案(方案3)仿真結(jié)果Fig.10 Simulation result of the air curtain on top of cabinet (the 3rd scheme)

圖11 風(fēng)口方向設(shè)計(jì)方案(方案4)仿真結(jié)果Fig.11 Simulation result of the transverse direction of air outlet (the 4th scheme)

風(fēng)口方向設(shè)計(jì)方案(方案4)仿真結(jié)果表明，酒柜第1層至第7層溫度分布均勻，但第8層中部溫度偏高，如圖11所示。酒柜酒瓶上的最高溫度位于第8層中間的酒瓶，最低溫度位于第4層靠近內(nèi)壁的酒瓶，最大溫差為2.1 ℃，相比方案1降低74.7%。該方案通過使冷空氣吹向壁面增加了空氣的擾流，因此相比方案3酒柜均溫性得到提高，但存在第8層溫度偏高的問題。

2.3均溫方案篩選

各均溫方案酒柜酒瓶上的最大溫差以及最大溫差相對(duì)于方案1的降幅如表2所示。由表2可知，方案4的均溫效果最好，因此我們將在方案4的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化得到均溫設(shè)計(jì)最優(yōu)方案。

表2 各方案溫差比較Tab.2 Temperature difference of each scheme

由方案4的仿真結(jié)果看出第8層相對(duì)于其他層溫度依然較高，主要原因是第8層單獨(dú)回風(fēng)，回風(fēng)量較大，造成熱負(fù)荷過大。因此，為了降低第8層的熱負(fù)荷，最優(yōu)均溫方案在方案4的基礎(chǔ)上，在第7層多設(shè)置一個(gè)回風(fēng)口，這樣可以有效地降低第8層的熱負(fù)荷，如圖12所示。

圖12 最優(yōu)方案Fig.12 Optimized scheme

均溫設(shè)計(jì)最優(yōu)方案是均勻布置風(fēng)口、多布置隔板、頂部風(fēng)幕布置、橫向出風(fēng)的組合方案，具體設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：1)合理布置出風(fēng)口均勻輸送冷量；2)合理布置隔板分隔酒柜空間避免冷空氣下沉；3)頂部設(shè)計(jì)風(fēng)幕降低門體輻射熱和門縫漏熱的影響；4)設(shè)計(jì)出風(fēng)口橫向出風(fēng)增加空氣擾流。

最優(yōu)方案的仿真計(jì)算結(jié)果如圖13所示。酒柜內(nèi)部整體最大溫差已降低至1.91 ℃，通過酒柜截面溫度分布圖可觀察到酒柜各層溫度分布均勻，酒柜整體具有較高的均溫性。

圖13 最優(yōu)方案仿真結(jié)果Fig.13 Simulation result of the optimized scheme

3 酒柜均溫方案實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)前面的計(jì)算，酒柜均溫設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)采用基于風(fēng)口布置、隔板布置、頂部風(fēng)幕布置、風(fēng)口方向設(shè)計(jì)的優(yōu)化組合方案。

本文對(duì)仿真計(jì)算中使用的389 L酒柜應(yīng)用最優(yōu)方案進(jìn)行均溫設(shè)計(jì)，針對(duì)該酒柜的具體設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：1)酒柜每層設(shè)置出風(fēng)口，送風(fēng)量一致；2)酒柜每層設(shè)置隔板分隔酒柜空間；3)頂部靠門處設(shè)置出風(fēng)口；4)各層出風(fēng)口設(shè)計(jì)成橫向出風(fēng)；5)酒柜第七層和第8層設(shè)置回風(fēng)口。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)內(nèi)容做出酒柜樣機(jī)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，樣機(jī)的型式與前面計(jì)算中的相同，因此實(shí)驗(yàn)測(cè)試采用與計(jì)算一致的環(huán)境設(shè)置參數(shù)，包括：樣機(jī)采用滿載測(cè)試；測(cè)試環(huán)境溫度為32 ℃；相對(duì)濕度為60%；酒柜內(nèi)溫度為8 ℃。

為了驗(yàn)證均溫設(shè)計(jì)最優(yōu)方案的有效性，本文基于以上測(cè)試條件分別對(duì)原型酒柜樣機(jī)和優(yōu)化酒柜樣機(jī)進(jìn)行均溫性能測(cè)試。原型酒柜樣機(jī)和優(yōu)化酒柜樣機(jī)各層的溫度測(cè)點(diǎn)布置如圖14所示，各測(cè)點(diǎn)溫度通過測(cè)點(diǎn)位置上的小型熱電偶測(cè)量獲得。各層測(cè)點(diǎn)的編號(hào)順序一致，圖14為酒柜第1層的測(cè)點(diǎn)編號(hào)，其他層測(cè)點(diǎn)編號(hào)逐層遞增。

圖14 原型酒柜和優(yōu)化酒柜溫度測(cè)點(diǎn)布置Fig.14 Arrangement of the thermocouple in the original wine cabinet and the optimized wine cabinet

原型酒柜樣機(jī)和優(yōu)化酒柜樣機(jī)的滿載測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 原型酒柜與優(yōu)化酒柜溫度分布Tab.3 Temperature distribution in the original winecabinet and the optimized wine cabinet

測(cè)試結(jié)果顯示，原型酒柜最高溫度為13.1 ℃，最低溫度為0.5 ℃，整體最大溫差為12.6 ℃，酒柜均溫性能較差；優(yōu)化酒柜最高溫度為9.6 ℃，最低溫度為7.6 ℃，整體最大溫差為2.0 ℃，酒柜均溫性能良好。本文最優(yōu)方案的CFD模擬結(jié)果的最大溫差為1.91 ℃，而實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的最大溫差為2.0 ℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果相差小于5%，因此我們認(rèn)為CFD模擬結(jié)果可靠。CFD仿真模擬的是冰箱開機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，而實(shí)驗(yàn)測(cè)試的溫度是冰箱實(shí)際間歇開停下箱內(nèi)的溫度，因此CFD模擬的穩(wěn)態(tài)溫度小于實(shí)際實(shí)驗(yàn)開停機(jī)條件下的溫度。

原型酒柜與優(yōu)化酒柜的各測(cè)點(diǎn)溫度分布曲線如圖15所示，相比原酒柜，最優(yōu)方案酒柜各測(cè)點(diǎn)溫度相差很小，溫度基本均勻分布，酒柜最大溫差由12.6 ℃降低至2.0 ℃。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，對(duì)于該389 L酒柜，應(yīng)用最優(yōu)方案進(jìn)行均溫設(shè)計(jì)可極大地改善酒柜的均溫性能。

圖15 原型酒柜和優(yōu)化酒柜溫度分布對(duì)比Fig.15 Comparison of the temperature in the original wine cabinet and the optimized wine cabinet

5 結(jié)論

提高酒柜均溫性的措施包括：1)合理布置出風(fēng)口實(shí)現(xiàn)冷量均勻輸送；2)大空間酒柜設(shè)置隔間避免冷空氣的下沉；3)酒柜頂部設(shè)置風(fēng)幕降低門體輻射熱和門縫漏熱的影響；4)設(shè)計(jì)合理的出風(fēng)方向增加空氣的擾流。

本文提出的均溫設(shè)計(jì)最優(yōu)方案是均勻布置風(fēng)口、多布置隔板、頂部風(fēng)幕布置、橫向出風(fēng)的組合方案，此方案對(duì)酒柜的均溫性能提升效果最佳，可應(yīng)用于一般的間冷式酒柜的均溫設(shè)計(jì)。

對(duì)某品牌389 L的酒柜應(yīng)用本文提出的4種酒柜均溫設(shè)計(jì)方案，仿真結(jié)果表明：在環(huán)境溫度為32 ℃，出風(fēng)口溫度為-5 ℃的工作條件下，風(fēng)口布置方案可降低樣機(jī)酒柜溫差約30%；隔板布置方案在風(fēng)口布置方案的基礎(chǔ)上可進(jìn)一步降低溫差約25%；頂部風(fēng)幕布置方案在隔板布置方案的基礎(chǔ)上可進(jìn)一步降低溫差約15%，風(fēng)口方向設(shè)計(jì)方案在頂部出風(fēng)方案的基礎(chǔ)上可進(jìn)一步降低溫差約12%。應(yīng)用本文提出的均溫設(shè)計(jì)最優(yōu)方案對(duì)某品牌389 L的酒柜進(jìn)行均溫設(shè)計(jì)，在環(huán)境溫度為32 ℃，制冷溫度為8 ℃的工作條件下，實(shí)驗(yàn)測(cè)試顯示，優(yōu)化酒柜在運(yùn)行穩(wěn)定后柜內(nèi)最大溫差可由12.6 ℃降低至2.0 ℃。綜上所述，本文提出的均溫設(shè)計(jì)最優(yōu)方案可有效改善酒柜的均溫性能，對(duì)酒柜均溫設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

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Aboutthecorrespondingauthor

Ding Guoliang, male, professor, Ph.D. supervisor, School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University,+86 21-34206378,E-mail:glding@sjtu.edu.cn. Research fields:Simulation and optimization research for room air conditioner and utilization of new refrigerant.

PossibleSchemesandEffectsinImprovingTemperatureUniformityinIndirectCoolingWineCabinet

Zeng Xianshun1Zhao Dan1Ding Guoliang1Ding Jianbo2Li Jing2

(1. Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240, China; 2. Qingdao Haier Intelligent Technology Research and Development Co., Ltd., Qingdao, 266103, China)

The development of a high-quality wine cabinet requires a method to make the temperature distribution in the cabinet as uniform as possible. In this study, basic ideas for achieving a uniform temperature in a wine cabinet are presented, including a uniform transport of cold air, avoiding the sinking of cold air, reducing door heat leakage, and enhancing the air turbulence. In addition, preliminary schemes are illustrated accordingly, including the arrangement of the air outlet, the division of space, the air curtain on top of the cabinet, and the transverse direction of the air outlet. An optimized scheme was obtained through a comparison and analysis of the simulation performance of each scheme. The results show that the combination of four preliminary schemes can achieve the best temperature uniformity in a wine cabinet. A performance test of a 389 L wine cabinet under a set temperature of 8 ℃ shows that the maximum temperature difference can be reduced from 12.6 ℃ to 2.0 ℃ through the optimized scheme at an ambient temperature of 32 ℃. It was verified that the optimized scheme is able to improve the temperature uniformity in a wine cabinet effectively.

indirect-type refrigeration; wine cabinet; temperature field; temperature uniformity; performance test

0253- 4339(2017) 04- 0079- 08

10.3969/j.issn.0253- 4339.2017.04.079

國(guó)家自然科學(xué)基金(51506117)和中國(guó)博士后基金(2015M581610)資助項(xiàng)目。(The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (No.51506117) and the China Postdoctoral Science Foundation(No.2015M581610).)

2016年10月25日

TB657; TB61+1

： A

丁國(guó)良，男，教授，博士生導(dǎo)師，上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院制冷所，(021)34206378，E-mail：glding@sjtu.edu.cn。研究方向：制冷空調(diào)裝置的仿真、優(yōu)化與新工質(zhì)應(yīng)用。