改进冰箱内温度均匀性的方法要点.pdf
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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
2、的均匀性更好 关键词: 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
3、 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 j m j us tx t ijiiji ji p uu us xx (1) jjT
4、jjpj T T u Tu Ts txxcx 在上述方程式中,压力表示平均压力,t 表示时间, i x是笛卡尔坐标, i u表示 i x方向上的 平均流速。p是平均压力,是密度, m s是质量源。T是平均温度, T是温度波动, u是 速度波动,是导热系数, p c是定压比热容, T s是能量源, ij 是应力张量的分量,可以这 样写: 2 2 3 k ijijijij k u su u x ( 2) 其中u是流体的动力粘度,克罗内克符号 ij ,应变张量由 1 2 j i ij ji u u s xx 给出,高雷诺数k模型可写为: 2 3 cff ii jtBtiNL jkjii u uuk
5、ku kuPPuku P txxxx (3) 其中: 2 u t Ck u(4) cfft uuu(5) 2 i ij j u Ps x (6) , 1 i B h ti g P x ( 7) 2 3 iii NLij tjiti uuuk Pu uP uxxux (8) 湍流耗散率的控制方程如下: 1 2 3 eff ii jtt jjii u uu uCu Puk txxkxx 2 3243 i tBtNL i u Cu PCCCu P kkxk (9) 其中 =1.0, ,h t=0.9,u C=0.09, 1 C=1.44, 2 C=1.92, 3 C=1.44, 4 C=-0.33
6、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。 1与4是 最高点与最低点的温度。 2表示距离顶端的长度为箱高 5%处的温度, 3表示距离低端距离 也为箱高5%处的温度。 1 T与 2 T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
7、门与后面板中间的面上。 max 表示 1与4 的差,表示 2 与 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 T表示冰箱顶部温度为10 C。 bottom
8、 T表示底部温度为1.5 C, door T表示内部门表 面的温度是2 C,冰箱外部温度 box T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分布的影响 De/mm Dl/mm (m/s) 0 0 0.09259 3.6 5 0 0.09759 4.0 10 0 0.1158 4.1 10 6 0.1239 7.4 17.5 13 0.1304 7.8 表 1
9、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
10、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 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
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