制冷設(shè)備：自動售冷飲機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

　　自動售冷飲機室內(nèi)溫度均勻性對自動售冷飲機的節(jié)能降耗和溫度達(dá)標(biāo)非常重要，然而由于自動售冷飲機箱室內(nèi)溫度均勻性受箱體結(jié)構(gòu)、風(fēng)扇和制冷系統(tǒng)等多個因素耦合影響，對自動售冷飲機的溫度均勻性研究往往比較復(fù)雜。

　　因此，本文我們將建立了一種自動售冷飲機溫度均勻性分布模型，以此分析并優(yōu)化了某款典型自動售冷飲機的室內(nèi)溫度分布，提供參考。

　　1、自動售冷飲機箱室內(nèi)溫度分布模型

　　1.1 自動售冷飲機箱室內(nèi)溫度分布的研究思路  

　　自動售冷飲機箱室內(nèi)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

　　由自動售冷飲機溫度控制的原理可以看出，經(jīng)過自動售冷飲機各層的風(fēng)量對箱室內(nèi)溫度均勻性的影響最為重要。風(fēng)量較大的層，飲料降溫速度較快，平均溫度較低；風(fēng)量較小的層，飲料降溫速度較慢，平均溫度較高。因此，溫度均勻性的研究首先需要對自動售冷飲機各層風(fēng)量分配進(jìn)行分析；然后再將風(fēng)量代入 CFD 模型中模擬自動售冷飲機每層貨架的溫度分布；最后對自動售冷飲機的溫度分布進(jìn)行分析并優(yōu)化。

　　1.2 自動售冷飲機風(fēng)量分配的理論分析  

　　自動售冷飲機的風(fēng)道結(jié)構(gòu)圖簡化圖及風(fēng)道沿程壓力損失圖如圖 2 所示。

　　以第 N 層貨架為例，壓 力損失分為 5 個部分：hN1 為右側(cè)進(jìn)風(fēng)風(fēng)道壓力損失；hN2 為右側(cè)進(jìn)風(fēng)孔壓力損失；hN3為第 N 層貨架 壓力損失；hN4為左側(cè)出風(fēng)孔壓力損失；hN5 為左側(cè)回風(fēng)風(fēng)道壓力損失。

　　1.3 自動售冷飲機每層貨架溫度分布的CFD模擬  

　　通過自動售冷飲機風(fēng)道壓力損失模型可以求得每層貨架的風(fēng)量。在得到每層貨架的風(fēng)量之后即可采用 CFD 方法對每一層貨架進(jìn)行模擬，從而得出每一層貨架上的溫度分布。利用 Fluent軟件對每一層貨架的溫度進(jìn)行計算，采用 SIMPLE 方法，并運用 k-ε 模型對湍流進(jìn) 行求解。k-ε 模型的各常數(shù)取值如表 1 所示。

　　其中 Cu、C1ε、C2ε 是與湍流強度有關(guān)的經(jīng)驗參數(shù)，為無 量綱常數(shù)項；TKE Pr 是表征湍動能的普朗特數(shù)，為無量綱常數(shù)項；TDR Pr 是表征湍流耗散比的普朗特數(shù)，為無量綱常數(shù)項。貨架進(jìn)出口以及墻體的邊界 條件設(shè)置如表 2 所示。完成流動模型和邊界條件設(shè)置后，使用 Fluent 軟件進(jìn)行迭代計算收斂后，即可得到貨架上的溫度分布。

　　2、自動售冷飲機模擬結(jié)果的分析

　　自動售冷飲機溫度均勻性模型可以用來模擬 自動售冷飲機每一層貨架上瓶子的溫度分布。通過 貨架上瓶子的溫度分布不但可以判斷自動售冷飲 機箱室內(nèi)溫度是否達(dá)標(biāo)，還可以為自動售冷飲機箱體結(jié)構(gòu)及送風(fēng)方式的優(yōu)化提供方向。

　　本文以圖 1 所示的典型的自動售冷飲機為例，利用溫度均勻性模型來分析和優(yōu)化該款自動售冷 飲機。圖 1 所示的自動售冷飲機共有7 層貨架，其中第 1 層（底層）為回風(fēng)層，其余 6 層為進(jìn)風(fēng)層。將該款自動售冷飲機的參數(shù)代入上述的風(fēng)道沿程 壓力損失方程組，求解該方程組可得自動售冷飲機 各層的風(fēng)量和壓力損失如表 3 所示。

　　針對自動售冷飲機建立 CFD 模型，并將表 3 中每一層貨架的風(fēng)量分別代入 CFD 模型中，使用 Fluent 軟件進(jìn)行迭代計算，迭代收斂后，得到自動售冷飲機的溫度場如圖3所示。將自動售賣機每一層貨架劃分為9個區(qū)域，如圖4 所示。

　　則根據(jù)CFD模型計算可以得出每一層 貨架各個區(qū)域的溫度，如表4 所示。

　　通過表 4 中的數(shù)據(jù)可以得出，該款自動售冷飲 機未達(dá)到(0~4.4) oC 的溫度標(biāo)準(zhǔn)。因此，需要對該款 自動售冷飲機進(jìn)行優(yōu)化，使溫度均勻性其達(dá)到溫度標(biāo)準(zhǔn)。對圖 3 所示的自動售冷飲機的溫度場分布進(jìn) 行分析可以看出，箱室內(nèi)的高溫區(qū)域主要集中在最左側(cè)的區(qū)域 7~區(qū)域 9，這是因為：冷風(fēng)的風(fēng)速不夠，只有少量的冷風(fēng)流經(jīng)區(qū)域 7~區(qū)域 9，大部分的風(fēng)則經(jīng)過箱室的前部回到了風(fēng)扇。因此，對該款自動售冷飲機優(yōu)化的方向應(yīng)為提高每層貨架冷風(fēng)的入口風(fēng)速。

　　3、自動售冷飲機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

　　3.1 自動售冷飲機的優(yōu)化方案  

　　根據(jù)以上對自動售冷飲機的仿真結(jié)果的分析， 可以得出 3 種優(yōu)化的方案。

　　第 1 種為提高風(fēng)扇轉(zhuǎn)速 或者采用風(fēng)量更大的風(fēng)扇，提高每層貨架冷風(fēng)的入口風(fēng)速；

　　第 2 種優(yōu)化方案為減小每層貨架進(jìn)風(fēng)口的尺寸，在相同的風(fēng)扇風(fēng)量下可以提高入口風(fēng)速；

　　第 3 種優(yōu)化方案為將 6 層進(jìn)風(fēng) 1 層回風(fēng)的送風(fēng)方式改為 5 層進(jìn)風(fēng)2 層回風(fēng)，這樣可以極大的降低風(fēng)道的壓力損失，在風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不變的條件下可以增大風(fēng)扇的風(fēng)量，從而提高入口風(fēng)速。

　　在以上3種優(yōu)化方案中，第1種方案會導(dǎo)致自動售冷飲機的能耗和噪音上升，而第 2 種和第 3 種方案較為簡單且不會增加能耗和噪音，因此本文采用第 2 和第 3 種優(yōu)化方案來改進(jìn)該款自動售冷飲機的箱體結(jié)構(gòu)和送風(fēng)方式。

　　3.2 優(yōu)化方案的模擬效果  

　　采用溫度均勻性模型對優(yōu)化后的自動售冷飲機箱體進(jìn)行仿真，可以得出優(yōu)化后的自動售冷飲機的溫度場如圖 5 所示，每一層貨架各個區(qū)域的溫度如表 5 所示。

　　通過圖 5 中的溫度分布和表 5 中的各區(qū)域溫度 數(shù)據(jù)可以看出，優(yōu)化后的自動售冷飲機溫度分布比優(yōu)化前更加均勻，溫度范圍也達(dá)到了(0~4.4) ℃的溫度標(biāo)準(zhǔn)。

　　3.3 優(yōu)化效果的實驗驗證  

　　根據(jù)某飲料公司 C 級工況標(biāo)準(zhǔn)，在室溫為 32.2℃、相對濕度為 65%的恒溫恒濕實驗室中對優(yōu) 化前后的自動售冷飲機進(jìn)行降溫實驗。自動售冷飲機初始箱室內(nèi)溫度為室溫，開機 24 h 后可以得出自 動售冷飲機的降溫曲線和溫度分布。優(yōu)化前后自動售冷飲機的降溫曲線對比如下圖 6。

　　其中橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為溫度。曲線代表貨架上每個區(qū)域的溫度隨時間變化的情況。從圖 6中可以看出優(yōu)化后自動售冷飲機箱室內(nèi)溫度分布更加均勻，各個區(qū)域的降溫曲線較優(yōu)化前相比更加密集穩(wěn)定。

　　圖 7 給出了自動售冷飲機預(yù)測值與實驗值的比較。從圖 7 中可以看出自動售冷飲機的預(yù)測值與90%的實驗值誤差在±20%之內(nèi)。