改進冰箱內(nèi)溫度均勻性的方法要點

1、改進冰箱內(nèi)溫度均勻性的方法cfd摘要：在直接冷卻冰箱中，最大溫差隨著房間高度變化而變化，對于制造大型冷藏庫，這 是一個問題。為了改進房間溫度的均勻性，在這篇論文中對于兩種不同類型的冰箱運用 和實驗方法進行研究。對于完全自然對流冰箱來說，結(jié)果顯示架子與后墻，架子與冰箱門 之間的間隙對于溫度的分布有很大影響。當(dāng)減小兩者的間隙時，溫度變化將會減少，溫度 分布將會更加均勻。為了進一步提高溫度的均勻性，另一種直接冷卻冰箱被設(shè)計出來，在 這種冰箱中加入了軸流式通風(fēng)機和風(fēng)道。本文研究了如何改進這種冰箱的流場，結(jié)果顯示 從風(fēng)道中流出氣體的方向明顯影響了溫度場和流場。比較兩種冰箱可以知道在后一種冰箱 中溫度的均

2、勻性更好關(guān)鍵詞：冰箱溫度場直接冷卻e主要符號表caa計算聲學(xué)vy方向速度分能cfd計算流體力學(xué)w之方向速度分量ldv激光多普勒測速優(yōu)w聲功率ptv粒子成像瀏迪技術(shù)葉輪葉片數(shù)udf用戶自定義函數(shù)a方向夾角a監(jiān)測面1設(shè)性阻力系數(shù)c當(dāng)?shù)芈曀?多孔介質(zhì)孔隙率c由熱葉片厚度c2粘性阻力果數(shù)間隙d直徑e擔(dān)度f頻率p潮度g空調(diào)器性能本偏心，度i諧波序號u速度矢量k導(dǎo)朝系數(shù)l特征長度烏科數(shù)n轉(zhuǎn)速p壓力q熱耗散量h半程s源項sistrouhal 散t溫度t時間uk方向速度分里刖百近些年來，人們對于冰箱的保鮮能力越來越加以關(guān)注。然而，食物的新鮮程度取決于冷藏室中溫度和氣流的分布。 不適當(dāng)?shù)馁A藏溫度會導(dǎo)致食物提前變

3、質(zhì)。 因而，對于食物保險來 說，保鮮來說，保持溫度和氣流在貯藏室中的分布式至關(guān)重要的。由于自然對流冰箱的配置原因， 冷卻室存在較大溫差。 熱空氣向上運動而冷空氣向下運 動，造成了冷藏室上方區(qū)域溫度高達 10c.而下方區(qū)域可低于 0,而這對于貯藏食品是不 利的。所以對于冰箱的設(shè)計者和使用者來說，如何提高熱均勻性是最讓他們關(guān)心的問題。盡管已經(jīng)有很多學(xué)者研究冰箱中速度流場，然而對于如何提高其中的均勻性還沒有被深入研究。fukuyo et al. 4提出對強制對流冰箱增添新的供氣系統(tǒng)來達到保鮮的目的。hu et al.5運用cfd研究了冰箱中風(fēng)道。但對于有關(guān)改進冰箱內(nèi)溫度均勻性的研究卻少之又少。由 于

4、冰箱配置對于溫度的分布影響很大，故而對其進一步研究就顯得至關(guān)重要。在這篇論文中，cfd被用來研究不同冰箱配置對于溫度和氣流分布的影響。而且建立了一種新的貯藏室。最后通過實驗進一步驗證了理論計算的可行性。二 問題描述流體流動和傳熱的控制根據(jù)氣流在冷卻室中的特點雷諾方程被用來研究室內(nèi)三維流動, 方程可寫為空十:uj =sm(1)puj =xjcp汀：xjp*t+所在上述方程式中，壓力表示平均壓力,平均流速。 速度波動, 樣寫：p是平均壓力,k是導(dǎo)熱系數(shù),p是密度,t表示時間，xi_是笛卡爾坐標(biāo)，ui表示xi方向上的 二 .sm是質(zhì)量源。t是平均溫度，t是溫度波動，u是cp是定壓比熱容，st是能量源

5、，%是應(yīng)力張量的分量，可以這l2sj-2一 p ju3 3 ijuiuj(2)一：p：ujui - j 二 一一 s cxjcxi其中u是流體的動力粘度，克羅內(nèi)克符號 gj ,應(yīng)變張量由o_1 misij一二一2 二 x給出，高雷諾數(shù)k-君模型可寫為:其中:|pujk 一四三iok j-ut ppb-卜二-utm ：k；:xi-:ui uipnlxi(3)ut42(4)ucff 二 u(5)p =2冏:ui:xj(6)pb =二h,t ： ：:x(7)p一西瓦ut 因2 f cui pkcui十 utxi(8)湍流耗散率的控制方程如下:-txj八一ueff czi p%iutpit以一kxi二

6、為:22cp-utpb q 丁 c.4；kk- ui五c隈utpnl(9)其中1.0,*h,t=0.9,cu =0.09, cgj=1.44, c g=1.92, c 各=1.44,c=-0.331.冷卻室結(jié)構(gòu)對于溫度和速度分布的影響3.1 傳統(tǒng)冰箱的描述以及模擬邊界的定義dear圖2傳統(tǒng)冰箱b-b橫截面首先在論文中對于自然對流冰箱進行了描述, 它的外表如圖1所示，其內(nèi)部配置示意圖如圖2所示。冷卻室高1012mm，寬414mm.蒸發(fā)器被垂直安裝在背面板。所有玻璃架厚度為4mm。dlc架與蒸發(fā)器間的間隙是 10mm。dlc架子與箱門之間的間隙是6mm。斗與“是最高點與最低點的溫度。也表示距離頂端

7、的長度為箱高 5%處的溫度，03表示距離低端距離 也為箱高5%處的溫度。與1表示距離頂部和底部都為箱高的 1/3處的溫度。這6個點假 設(shè)處于門與后面板中間的面上。aax表示句與“的差，也日表示日2與日3的差。一般而言，日越小越合適，因為 a8越小，冷卻室內(nèi)溫度的均勻性越好。ding et al. 9相信架與后面版，架與箱門之間的間隙對于冷卻室內(nèi)溫度分布有很大影響， 為了進一步進行研究，通過改變de與dl的數(shù)值來對冷卻室內(nèi)溫度場與流場進行模擬。在這篇報告中模擬的方t算域不包括vegetable box和butter box兩個部分，因為這兩個區(qū)域內(nèi)空氣與外部區(qū)域是分開的。所有內(nèi)部表面以及蒸發(fā)器溫

8、度被定義為邊界條件teva蒸發(fā)器表面溫度為-6c. top表示冰箱頂部溫度為10co tbottom表示底部溫度為1.5, tdoor表示內(nèi)部門表 面的溫度是2,冰箱外部溫度tbox是7流體是不可壓縮的，這是由于腔內(nèi)壓力變化很小，因而壓力對于密度的影響可以忽略不 計?；赽oussinesq假設(shè)，流體密度只隨溫度變化而變化在浮力流計算中溫度場與流場存在 耦合，故運用piso。3.2 間隙對于冷卻室溫度場和流場影響表1間隙對于溫度與速度分布的影響de/mmdl/mm矗 rr(m/s)a6000.092593.6500.097594.01000.11584.11060.12397.417.5130

9、.13047.8表1顯示了 de與dl對溫度場，流場的影響。它顯示出當(dāng)de與dl增加時，空氣對流增 強時，空氣對流場增強，溫度均勻性將更加難以實現(xiàn)。g.-l ding tj al i applied tjierffittl eninttriiii； 24 (2004 jnl 1840s 二m y 3 ：q伯缽t velocity magnitudester - 1q2 loca1mx-0.1239 loc kw 02b49e-03在1z融01151q1w2 口號7加e-q1 (mm帛fdcm 0l79me-q1uw91e-q1 眸吧h 0l4443e-q1-os64e-o1 d26tbe-01

10、屯 uwflj dl。朗盤&式q取蚱-q3圖3當(dāng)de=10mm, dl=6mm時氣流圖冷卻箱中速度和溫度的分布如圖3所示。當(dāng)de與dl很小時，空氣主要緩慢的流動在相鄰的貨架上。因此流動邊界層厚度增加。結(jié)果導(dǎo)致空氣與固體表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)減少，同時冷卻箱中溫度均勻性也減小。如果de與dl增加，情況正好相反。在這種情況下空氣沿著蒸發(fā)器與內(nèi)部表面流動，隨著邊界層厚度變薄，傳熱增強，故更加難以維持內(nèi)部溫度均勻性。四：新型冷卻室設(shè)計4.1改進傳統(tǒng)冰箱的配置我們都知道隨著 de與dl減小，溫度的變化將會減小，但與此同時，空氣的對流將會減 少，故de與dl過大或者過小都是不理想的。 我們將結(jié)論綜合考慮，得出當(dāng)de

11、=8mm, dl=4mm, 時結(jié)果最理想。bprostab 3 103-apr-03em 龜 ratupeabsolutek.4 qf- tq2local mm= b1hlocal h4n- llu.ar 281 3b 25042795 27網(wǎng)277 &276 7e增d274 9273 9j 273 0kr 2702n劉93圖4當(dāng)de=10mm, dl=6mm時計算溫度圖(i.-i. din et al. / applied thermal engineering 241827-1840pfiostar 31c19-apr-j3ttmratufcassollttekelviniter =1 虹

12、local mx一田 1,7local mn- c7,7ab+ril-fj 2 ? 2 2 *-u- rj +ii. 1 g -uj fl 7 -b 5 3 2i o- 3 fl 0 & t 7 7 j 7 7 7 t 7 6 l2 2.1 7-j 2 7. 2 2 2 2-圖5 de=0mm, dl=0mm時傳統(tǒng)冰箱計算溫度處prost m 3110ifl-apr-ikteratuffabsolute卜 elvinher - 231loc.1. v1x=/中上local n- ?69.0罰1曾打 2 75 ji c77.5m時 j?t?:9 z7?.d 管1j 2?d.2 而93圖6 de=

13、17.5mm, dl=13mm時傳統(tǒng)冰箱計算溫度然而，沿著垂直方向上溫度變化是不可避免的，從圖 4-6我們可以發(fā)現(xiàn)箱內(nèi)最低溫度為-3c,在冰箱頂部區(qū)域溫度最高可達8c.為進一步達到溫度的均勻性，我們設(shè)計了一種新型的冰箱。主要結(jié)構(gòu)如圖所示。在頂部裝備一軸流式通風(fēng)機用來增加空氣對流。首先氣流從入口流入，再箱內(nèi)循環(huán)流動后返回出口，在通過風(fēng)道是與蒸發(fā)器發(fā)生熱量交換，結(jié)果使溫度降低。最終冷空氣進入室內(nèi)重新循環(huán)。4.2對于新型冰箱溫度場與流場的研究prostrjw對溫度場和速度場進行三維模擬，進口與出口的計算邊界分別進行設(shè)動?？諝庖?m/s的速度，1 c的溫度流入室內(nèi)。故問題已simple算法來計算。21

14、-dec-03velocity magn i.jll.ws ifbr- 5?*local mx= 2 551local mk oioqqo,55123542 3 num1 6z21 ml us?1 2ts1 ow0 54fs(i如*4 1靖-0 s jicfc -jt圖8新型冰箱球形進口時空氣流場分布(i.-i- qmg 曰 til. / ap/tlietf nrftkil exg/力譚 3/ f 2fxmr 對2打afijjqhhlfwk rf a.3sclltt kklvlm 1* 如l xa. lrt- .、* 3ie* 心 m圖9新型冰箱球星進口時溫度分布表2新型冰箱中01 , %,劣

15、,優(yōu)模擬值町。cs2/ c/ c%c日/ c f majf / c1.21.31.41.40.10.2圖8以橫截面b-b顯示流場，在主流區(qū)域速度為0.1822m/s,比圖3所示高了許多除了入口處流動分布均勻，這樣就是空氣的熱對流增加。橫截面 b-b顯示出溫度的分布。與傳統(tǒng) 冰箱相比最高溫度降低了2.4c表2列出01,92,03 ,94的溫度，比較表1與表2,明顯可以看出這4個區(qū)域的溫度更加均勻，溫度的均勻性得到了改善。4.3不同進口溫度和速度的影響prastafta.io&的atitt r . i-ijl tt r 8local mx* ekei toc闖.mha fmqah h jkluho

16、puqf mtm- 7 5 1 j. t bj l u -s 3 1 3 / 5 3 1- / ? - j二 4 ;=.!: s ? f t -l2 7、-二i-jid圖10新型冰箱矩形進口時溫度分布g.-l. ding et al. i applied theftndl engineering 24 (2004) 1827-18/0f弓m ximpcfla-l.rf absolutef el; rjirr - 357local 5、5hlog叱心，mn 0pq a st口ewnnnkng f knjsramhbt7474 m+lmrl ; l&i- j em ?工 nj 上-t 2 2圖11

17、新型冰箱圓柱形進口時溫度分布表3不同進口對于溫度分布的影響形狀hj c8j c%/ caj c ” c姆皿/ c球形1.21.31.41.40.10.2矩形1.01.11.41.40.30.4圓柱形1.01.11.51.50.40.5當(dāng)模擬新室的溫度場時，我們假定入口形狀為球面。同時，我們也研究矩形入口和圓柱形入口下的溫度分布。 入口區(qū)域保持不變， 而且吹入室內(nèi)空氣沿著入口方向，其它邊界條件被定義與如圖4.2所示。圖10和圖11單獨列出了矩形進口與圓柱形進口時的溫度分布，它指出在圖10和圖11中最高溫度為4c,比圖9中最高溫度小2c.由于進口空氣方向的不同方向?qū)е碌?。在由?形進口組成的冷卻室

18、中，向下吹氣幾乎是垂直的。因此在入口區(qū)域速度很小，導(dǎo)致此區(qū)域的溫度升高。而當(dāng)其為矩形或圓柱形進口時，氣流流入是水平的。因而在上述區(qū)域氣流增強， 溫度的均勻性得到了提高。表3比較了 3中不同冷卻室中 日1,%田3 ,生的溫度。五：實驗驗證表4實驗數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)比較蒸發(fā)器表面/ c-26.0腔內(nèi)最高溫度/ c-3.1北紅產(chǎn)/ c-16.5%白邙 c-18.8imlf/ c-16.7c-18.8絕對誤差工/ c0.2絕對誤差北/。c0.0相對誤差工（%）1.2相對誤差工（）0在這篇論文中，cfd軟件被用來研究冷卻室中氣流的參數(shù)。為了證實實驗結(jié)果的可行性，我們對圖2進行了一系列實驗驗證。20個測試點分

19、布在蒸發(fā)器，架子和內(nèi)部表面上，用以測試整個冷卻箱的溫度。當(dāng)兵想 運行穩(wěn)定后，這20個點的數(shù)據(jù)被記錄下來。記錄結(jié)果t1與不被對比的列在表4中。可以得出工與t2的計算結(jié)果與測試值相符。六： 結(jié)論為了改進直冷冰箱中溫度的均勻性，作者研究了冷卻室中溫度場和流場。我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)de 與 dl 減小時， 溫度變化減小， 溫度分布更加均勻。 但與此同時空氣的熱對流也相應(yīng)減少。所以 de 與 dl 對于溫度變化和空氣熱對流有不同影響，考慮這兩種不同因素，我們認(rèn)為de=8mm, dl=4mm 是為最理想的情況。此外， 我們設(shè)計出一種新型冷卻室。 軸流式發(fā)動機和風(fēng)道被加入到傳統(tǒng)冰箱上用來加強空氣流動。由 cfd 計算

20、結(jié)果可以得到，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，在這種情況下溫度分布更加均勻然而必須要指出的是進口氣流的方向?qū)τ诶鋮s室內(nèi)溫度的分布有很大的影響。 氣流應(yīng)當(dāng)垂直流入，同時在冷卻箱頂部溫度將會上升。參考文獻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. ling

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