集中送风式陈列柜的CFD整体模拟

    1  引言

   陈列柜作为食品冷藏链中的终端环节,在大型商场和超市中应用十分广泛。目前的陈列柜使用过程中普遍存在着两个主要问题。一是陈列柜柜温不够稳定,这会严重影响贮藏产品的质量[1]。陈列柜的柜温波动主要源于柜内蒸发器的结霜和融霜。研究表明,陈列柜冷负荷、系统总能耗、风幕温度、压缩机吸气温度、货物温度均随融霜周期成周期性波动[2, 3]。二是陈列柜的耗能高。据统计,每年美国的超市共消耗电能545亿千瓦时,其中的75%用于制冷和空调负荷,陈列柜耗能占其中很大的一部分[4]。

    多年来,人们尝试采用各种方法解决上述两方面问题。为减少柜温波动和陈列柜能耗,可通过增大蒸发器的翅片间距和减少迎风速度,从而降低蒸发器的结霜量,延长结融霜周期来实现[5]。但由于目前陈列柜的蒸发器往往位于陈列柜的背部或底部,空间相对狭小,增大蒸发器的翅片间距会导致蒸发器冷冻面积不足。可见,由于传统陈列柜固有的结构缺陷,上述的高耗能和柜温波动问题难以有效得到解决。

    为了解决陈列柜的高能耗和柜温波动温度大的问题,余克志等在传统陈列柜的基础上,提出了/集中送风式陈列柜0方案,并分析了变风量调节、变风温调节和柜体数量(单台柜或两台柜)调节下陈列柜的柜温特性,取得了令人满意的效果[6, 7]。但是,为了分析集中送风式陈列柜风管和柜温分布的普遍规律,必须采用CFD模拟计算其流场和温度场分布。由于集中送风式陈列柜除陈列柜外,还包括送风管道、送风结构、回风结构和回风管道等部件,为了分析各部件对系统的影响,采用文献[8]的方法将集中送风式陈列柜的五个部分结合成为一个整体进行CFD模拟是合适的选择。本文拟采用双流体改进模型[9]对集中送风式陈列柜的速度场和温度场进行整体模拟,分析其流场和温度场规律,并与测试结果进行对比分析。

    2   集中送风式陈列柜的结构

   集中送风式陈列柜的结构如图1所示。从图中可以看出,按照空气流动方向可以分为送风管道、送风结构、陈列柜、回风结构和回风管道五个部分。

    3   CFD模拟方法

    3. 1  数学模拟方程

    集中送风式陈列柜CFD模拟的数学方程采用风幕的双流体改进模型,可参阅文献[9]。但由于采用整体模拟方法,有以下的差别: (1)方程采用三维稳态模型,其坐标如图1所示; (2)双流体改进模型中的流体1为风管中的空气及外风幕空气,流体2为外界环境空气。

    3. 2 计算区域及网格划定

    为了计算方便,将送风管道、送风结构、回风结构和回风管道四个部件中的金属和保温层部分去掉,计算区域中只考虑空气流动部分,空气与外界的换热按第三类边界条件处理。而陈列柜部分,将计算区域扩大化,直到风幕的影响可忽略为止。通过测算,最后的计算区域是8. 0m@5. 14m@3. 505m的不规则区域。