制冷設備：自動售冷飲機結構優化設計

　　自動售冷飲機室內溫度均勻性對自動售冷飲機的節能降耗和溫度達標非常重要，然而由于自動售冷飲機箱室內溫度均勻性受箱體結構、風扇和制冷系統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，以此分析并優化了某款典型自動售冷飲機的室內溫度分布，提供參考。

　　1、自動售冷飲機箱室內溫度分布模型

　　1.1 自動售冷飲機箱室內溫度分布的研究思路  

　　自動售冷飲機箱室內的結構如圖1 所示。

　　由自動售冷飲機溫度控制的原理可以看出，經過自動售冷飲機各層的風量對箱室內溫度均勻性的影響最為重要。風量較大的層，飲料降溫速度較快，平均溫度較低；風量較小的層，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量分配進行分析；然后再將風量代入 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行分析并優化。

　　1.2 自動售冷飲機風量分配的理論分析  

　　自動售冷飲機的風道結構圖簡化圖及風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 為右側進風風道壓力損失；hN2 為右側進風孔壓力損失；hN3為第 N 層貨架 壓力損失；hN4為左側出風孔壓力損失；hN5 為左側回風風道壓力損失。

　　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道壓力損失模型可以求得每層貨架的風量。在得到每層貨架的風量之后即可采用 CFD 方法對每一層貨架進行模擬，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行計算，采用 SIMPLE 方法，并運用 k-ε 模型對湍流進 行求解。k-ε 模型的各常數取值如表 1 所示。

　　其中 Cu、C1ε、C2ε 是與湍流強度有關的經驗參數，為無 量綱常數項；TKE Pr 是表征湍動能的普朗特數，為無量綱常數項；TDR Pr 是表征湍流耗散比的普朗特數，為無量綱常數項。貨架進出口以及墻體的邊界 條件設置如表 2 所示。完成流動模型和邊界條件設置后，使用 Fluent 軟件進行迭代計算收斂后，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 機箱室內溫度是否達標，還可以為自動售冷飲機箱體結構及送風方式的優化提供方向。

　　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）為回風層，其余 6 層為進風層。將該款自動售冷飲機的參數代入上述的風道沿程 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 中每一層貨架的風量分別代入 CFD 模型中，使用 Fluent 軟件進行迭代計算，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個區域，如圖4 所示。

　　則根據CFD模型計算可以得出每一層 貨架各個區域的溫度，如表4 所示。

　　通過表 4 中的數據可以得出，該款自動售冷飲 機未達到(0~4.4) oC 的溫度標準。因此，需要對該款 自動售冷飲機進行優化，使溫度均勻性其達到溫度標準。對圖 3 所示的自動售冷飲機的溫度場分布進 行分析可以看出，箱室內的高溫區域主要集中在最左側的區域 7~區域 9，這是因為：冷風的風速不夠，只有少量的冷風流經區域 7~區域 9，大部分的風則經過箱室的前部回到了風扇。因此，對該款自動售冷飲機優化的方向應為提高每層貨架冷風的入口風速。

　　3、自動售冷飲機結構的優化

　　3.1 自動售冷飲機的優化方案  

　　根據以上對自動售冷飲機的仿真結果的分析， 可以得出 3 種優化的方案。

　　第 1 種為提高風扇轉速 或者采用風量更大的風扇，提高每層貨架冷風的入口風速；

　　第 2 種優化方案為減小每層貨架進風口的尺寸，在相同的風扇風量下可以提高入口風速；

　　第 3 種優化方案為將 6 層進風 1 層回風的送風方式改為 5 層進風2 層回風，這樣可以極大的降低風道的壓力損失，在風扇轉速不變的條件下可以增大風扇的風量，從而提高入口風速。

　　在以上3種優化方案中，第1種方案會導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 種優化方案來改進該款自動售冷飲機的箱體結構和送風方式。

　　3.2 優化方案的模擬效果  

　　采用溫度均勻性模型對優化后的自動售冷飲機箱體進行仿真，可以得出優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 中的各區域溫度 數據可以看出，優化后的自動售冷飲機溫度分布比優化前更加均勻，溫度范圍也達到了(0~4.4) ℃的溫度標準。

　　3.3 優化效果的實驗驗證  

　　根據某飲料公司 C 級工況標準，在室溫為 32.2℃、相對濕度為 65%的恒溫恒濕實驗室中對優 化前后的自動售冷飲機進行降溫實驗。自動售冷飲機初始箱室內溫度為室溫，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。

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

　　圖 7 給出了自動售冷飲機預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測值與90%的實驗值誤差在±20%之內。