基于CFD分析的冰箱保鲜性能研究_龚越

第一部分冰箱冷柜制造技术基于CFD分析的冰箱保鲜性能研究龚越王海超宋向鹏刘志成[惠而浦（中国）股份有限公司，23〇〇88 ]摘要：冰箱冷藏室的保鲜目前多以物理和化学方式实现，但冷藏室的温度分布和气流循环对食品保鲜有较大影 响。本文以多门风冷冰箱为例，以CFD仿真为基础，通过大量实验验证，找出影响冷藏室温度分布的关键因素，对冷藏间 室出风口的位置和结构进行优化,使得冰箱冷藏间室温度分布更均勻，并结合公司自主研发的保鲜保湿装置后，冷藏室保 鲜性能得到明显改善。关键词:保鲜温度分布风道优化Nano - mist CFD模拟Research and Technology on Refrigerator Preservation Performance Base on CFDGong Yue, Wang Haichao, Song Xiangpeng, Liu Zhicheng (Whirlpoal China Co. Ltd. , 230088)Abstract ： To large ectent, no-frost refrigerator preservation performance depends on storage-room’s air circulation and range of temperature. To find out the key which have an impact on the range of temperature, the paper takes multi-door refrigerator as the research object. With the help of the CFD simulation and a lot of performance tests, we succeeded. By modifying and optimizing the layout and shape of air duct outlet, the storage-room has a well-distributed range of temperature. We also raise humidity to ninety percent by aiding a device of humidification. And the refrigerator reservation performance has greatly improved.Keywords ： Presservation, Air duct opeimization, Nano - mist, CFD simulationi引言随着收人和生活水平的提高，人们对于冰箱性 流速和流量的影响。上海交通大学的丁国良教授 采用CFD分析冰箱存在的温度不均匀性，并提出 使用轴流风扇和优化风口形状以达到减小温度的 不均匀性。本文通过CFD仿真建模，对风道系统进行优 化改进，提高箱体温度分布的均勻性。同时为进 一步提高其保鲜性能，本文在冰箱的保湿和除菌 方面做了进一步探讨。能也有了更高的要求。如何最大限度的保存食物 的新鲜状态、色泽风味和营养成分,已成为各大冰 箱企业占领市场份额的关键。冰箱的保鲜性能主 要取决于箱体内温度分布的均匀性。因此，在冰箱 设计改型环节中，如何对温度场分布进行优化改 进，提高温度场均匀性，是一个十分重要的课题。目前，对冰箱温度均匀性的研究已比较成熟， 如采用DPIV粒子成像技术展示冰箱结构对室内2初始状态分析本文以某款四门风冷冰箱为研究对象，其冷第一作者简介:袭越，男，毕业于合肥工业大学，现任惠而浦（中国）股份有限公司技术研究院冰箱性能工程师，主要从事冰 箱制冷技术的研发。2412015年中国家用电器技术大会•论文集藏风道模型和冷藏室模型详见图2、图3。冷风从 风道底部的出风口进人风道，再由两侧的送风口 进人冷藏室，从而实现冷藏室的制冷。在冰箱性 能分析室中，通过模拟用户的正常使用，测量冷藏 间室各区域的温度分布，由测试数据可知,冷藏室 温度分布不均匀，间室上、下温差较大，具体测试数据详见下表1。采用风量测试仪对初始状态的风道进行风速 风量测试，具体测试数据详见下表2。初始状态的温度测试曲线详见图1，风道各出 风口位置详见图2,冷藏间室测点位置详见图3, 风量测试仪详见图4。表1初始状态冷藏室温度分布环温状态冷藏室位置测度过程中最高温度25^初始状态测度过程中最低温度测度过程中平均温度位置1tl8.515. 727. 13位置2124.911.85.01位置3133. 521.082. 35位置4t43.130.671.915.227. 843.66平均温差最大温差间室平均温度表2冷藏室位置状态风量/风初始状态速^\\风量(m3/min)2.602.50位置1风速(m/s)0.260.25初始状态风量位置2风量风速(m/s)0. 190. 19风量(m5/min)0.800.80位置3风速(m/s)0. 190. 17风量(m6/min)1. 101.00位置4风速(m/s)0. 530. 52(m4/min)1.301.30左侧出风口右侧出风口图1图2表3原始风道仿真数据图3图4第一部分冰箱冷柜制造技术使用CFD对风道模型进行仿真，设置初始条 件，模拟分析可得风道风速、风压及风量的分布状 况。从仿真数据可以看出，模拟数据与风量测试 仪测量数据基本一致，因此可以认为CFD模型的 仿真结果有效。对CFD仿真结果及试验测试数据进行分析， 可以看出风道系统存在风量分配及风速较小的问 题。顶层出风口出风比例较小，且由于冷空气的 下沉，导致上层温度较高，底层温度较低,温度分 布极不均匀。风速较小也使得箱体内冷空气循环 迟滞，从而导致间室温度分布不合理。采用CFD模拟仿真，对风道内的流场进行数值模 拟。通过反复调整计算，对初始状态的风道进行 改善，从而获得最佳优化方案。通过减小风道出 风口的截面积，适当加大顶层出风面积，优化各出 风口的位置，并结合CFD仿真模型进行数据分析， 获得最优状态。优化后的仿真模拟数据详见表4。优化后的温度分布以及风量风速见表5、表6。通过对实验结果进行分析，优化前冰箱冷藏 室自上而下温度分布极不均匀，温差较大，且风速 较低。由于冷空气下沉和热空气上浮，要保证上 层空间的冷却效果,需提高上层出风口的风量。 适当减小出风口面积会使出风口风速提高，有利于 冷空气的循环换热。上述试验表明，风道优化后, 温度由上至下逐层递减,温差较小且分布均勻（优 化前、后的间室的平均温差由5. 22^降至0.63^)。3风道优化为解决冷藏间室内温度不均匀的现象，我们$.97131177-•.NS21191B6-•.••3773M6?-•.•MS71263?-I.C2397929表5环温优化后冷藏室温度分布位置1位置2位置3t36.534. 684.6位置4t49.862.644.770.633.694.95平均温差最大温差间室平均温度状态冷藏室位置测度过程中最高温度tl6.34.685.4表6a5.425X,优化前测度过程中最低温度测度过程中平均温度4.765.01优化后测试数据位置2位置3风速(m/s)1.451.45风量(m5/min)0. 500.40风速(m/s)0.720.58风量(m6/min)0. 800.70位置4风速(m/s)1. 161.01冷藏室位置状态风量/风速左侧出风口优化后右侧出风口风量位置1风速(m/s)0. 770.74风量(rn3/min)3.703.60(m4/ min)1.001.002432015年中国家用电器技术大会•论文集通过对风道出风口位置及结构的优化，顶层出风 量由以前的45%提高到62%，更有利于上层空间 的冷却。同时，出口风速也大幅度提升，这使得冷 藏室的气流循环扰动更加全面，温度分布也更加 均匀。后，间室中的温度分布较均匀，能做到精智控温的 效果，故存放在底层的青菜较优化前的状态好, “冻伤”现象也得以解决。从试验结果可以看出，优化方案大大提高了 果蔬的保鲜效果，但“风干”问题并未得到有效解 决。为解觉这一难题，我们在冷藏室增设了由我 司开发的Nano - mist雾化增湿系统。Nano - mist 系统可以不断地释放高活性的纳米级带电水粒 子，为果蔬加湿，解决“风干”问题。与此同时，该 系统还会释放纳米铕金粒子，钼金粒子对微生物 表面呼吸酶具有吸附作用，以达到抑菌灭菌效 果。在箱体内加人Nano - mist系统，其他实验条 件不变，重复上述实验，具体实验结果详见表8。4保鲜效果对比试验为验证优化的合理性，我们将新鲜果蔬分别 放人优化前后的冰箱冷藏室中进行储藏,一段时 间后取出分析。通过试验结果可以得出，冷藏风 道优化前，间室中上下层温度分布不均匀，间室温 度极差较大，存放在箱体顶层的青菜失水现象较 为严重，而存放在箱体底层的青菜由于底层温度 较低，容易出现被“冻伤”的现象;冷藏风道优化表7果蔬保鲜能力对比244第一部分冰箱冷柜制造技术表8 Nano - mist系统保鲜效果状态小青菜72H苹果120H豇豆储存时间Nano - mist上述试验结果与之前的状态进行对比，明显可 以看出果蔬“风干”问题得以解决，果蔬更加新鲜。 此技术的应用真正实现了“精智保鲜”的功效。易“风干”难题和除菌难题，从而实现冰箱的精智 保鲜效果。(3)验证CFD模拟在风道气流分析的可靠性 和优异性，为以后的风道设计改型提供参考，并且 可以将CFD仿真延伸到箱体内的温度与气流循环 5结论(1) 通过对冷藏风道的结构进行优化，冰箱最 分析工作中。大温差由5. 22尤降至0. 68尤，温度均匀性大大提 高。顶层出风比例由45%提高到62% ,冷量分配 更加均匀。证明优化后冰箱间室中各层的温度分 布较均匀，冰箱整机性能得到显著提高。(2) 杀菌能力显著提高，克服了传统风冷冰箱中果蔬参考文献：[1 ]乔洪涛，卢智力，丁国良,张春路.CFD在冰箱结构 优化的应用现状[J].《低温工程》2003年04期.[2]陈成,刘志峰.基于Fluent的风冷冰箱风道优化 [J].合肥工业大学.通过增加Nano - mist技术系统，冰箱保湿 245