环境湿度对卧式陈列柜热负荷影响的数值分析

    近年来我国超市,特别是大型超市的发展非常迅速,由于超市的利润相对较低,一些超市的陈列柜和空调的日常维持费用在超市的成本中占据了相当的份额,所以提高陈列柜的能效比对超市降支增收具有重要意义。

    从陈列柜空气循环的角度来看,陈列柜总体效果和热负荷受环境的温度和湿度的影响很大,而且湿度的影响大于温度的影响。因此研究湿空气对热负荷的影响,对降低陈列柜的能耗很有帮助。由于流场测试设备昂贵,CFD方法成为研究的有效手段[1]。

    本文以某型卧式陈列柜为研究对象,采用雷诺应力模型对其温度场和湿度场进行了仿真计算和实验验证;并通过实验的手段,对环境湿度对卧式陈列柜热负荷的影响进行了研究。

    1 理论模型与测试方法

    由于卧式陈列柜的一般放置在超市的中央,其长宽比一般都较大,所以在数学建模时采用二维模型。在实验过程中,测量点与测量平面均位于陈列柜的中部,以保持一致性。

    冷风幕的流动属于带卷吸作用的射流,射流出口处的雷诺数大约在2 200左右,根据可视化试验的结果,冷风幕的两侧有羽状卷吸气流,可以确定风幕的流动属于紊流。流体流动与传热采用Navier-Stokes方程描述,气流紊流流动分别采用雷诺应力模型。由于湿空气中的影响主要来自具有显热负荷的干空气与具有潜热负荷的湿空气,所以将湿空气假设为具有两种不同组分的混合气体,一种为干空气,另一种为水蒸气。另外,由于实验时室内的空气温度波动小于1℃,湿度波动小于0.2 g/kg,陈列柜的上方基本没有干扰,所以可以认为在试验中陈列柜内部没有雾气产生。为了模拟试验工况,本文假设水蒸气在整个计算区域内没有相变,即水蒸气与干空气仅仅发生单相的扩散过程。

    湿度场的计算采用简化的组分平衡方程:

    ml表示组分l的质量分数;Jl是相应的扩散通量;Rl是组分l的反应生成率,在本文中为0。

    在实验中温度场的测量采用高精度红外热像仪,并使用T型热电偶对特征点进行测量,以便进行校核。使用TESTO-400便携式测试仪对湿度进行测量;湿度测量点分布见图1,图中测点1-5点水平线及6-10点水平线的Y坐标分别为220mm和75 mm,标志为Y 220和Y 75。为了计算湿空气对热负荷的影响,还对蒸发器出口和回风风道末端测量空气的温度与湿度,对出风口与回风口测量气流温度。用KEITHLEY-2700数据采集仪进行数据采集。

    2 紊流模型实验验证

    陈列柜开机后,出风口的冷射流在柜内形成风幕,温度逐渐下降,一般在30 min后陈列柜内部温度场与出风温度才比较稳定[2]。因此,实验把开机后35 min的陈列柜速度温度分布值作为稳态的速度与温度分布。图2是试验结果。