孟祥麒，祁影霞，王子龍，陳海濤，符鳴，張華

（1-上海理工大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上?！?00093；2-青島海爾特種電器有限公司，山東　青島　266101）

斯特林超低溫冰箱箱體設(shè)計(jì)及箱體內(nèi)溫度場分析

孟祥麒*1，祁影霞1，王子龍1，陳海濤2，符鳴1，張華1

（1-上海理工大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海200093；2-青島海爾特種電器有限公司，山東青島266101）

本文介紹了一種新型超低溫冰箱箱體設(shè)計(jì)和其內(nèi)部溫度場分析，通過實(shí)驗(yàn)所測數(shù)據(jù)與用FLUENT軟件模擬結(jié)果對(duì)比分析，對(duì)漏熱量進(jìn)行分析，并提出減少漏熱損失的措施。還建立了箱體內(nèi)空氣流動(dòng)與換熱的物理和數(shù)學(xué)模型，并采用SIMPLE算法、整體求解法和有限容積法對(duì)低溫箱箱內(nèi)穩(wěn)態(tài)溫度場的分布進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究。

超低溫冰箱；斯特林制冷機(jī)；穩(wěn)態(tài)溫度場

0　引言

在人類對(duì)低溫醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的不斷探索過程中，超低溫貯存顯得日益重要，超低溫冰箱應(yīng)運(yùn)而生。隨著全球資源消耗過快，節(jié)能減排已成趨勢(shì)，這就對(duì)貯存空間的漏熱提出了更高的要求，箱體的絕熱性能將成為決定整個(gè)冰箱能耗的重要部分［1］。

隨著“十二五”規(guī)劃中明確提出要積極應(yīng)對(duì)全球氣候變化，并把大幅降低能源消耗強(qiáng)度和二氧化碳排放強(qiáng)度作為約束性指標(biāo)，制冷劑替代也成為行業(yè)關(guān)注的問題。根據(jù)《蒙特利爾議定書》（簡稱《議定書》）相關(guān)內(nèi)容的規(guī)定，到2013年我國HCFC物質(zhì)的使用量要凍結(jié)在2009年～2010年的平均水平，到2015年用量要減少10%，2030年前停止絕大部分HCFC的使用，而斯特林制冷機(jī)采用少量氦氣作為制冷工質(zhì)，整個(gè)循環(huán)無相變。由于斯特林制冷機(jī)具有高效率、無制冷劑污染、制冷溫區(qū)廣、啟動(dòng)電流低、制冷量易調(diào)等特點(diǎn)，在環(huán)保節(jié)能方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而作為冰箱、冷柜，特別是對(duì)于小容量的冰箱以及低溫冰箱的冷源具有相當(dāng)大的優(yōu)越性。由于斯特林制冷機(jī)使用氣體膨脹制冷，因而不像蒸汽節(jié)流制冷那樣受制冷劑蒸發(fā)溫度的限制，可以在相對(duì)更低的溫度下制冷，這對(duì)于需要在更低溫度下冷凍的食品也具有極大的優(yōu)勢(shì)。因此，斯特林制冷機(jī)應(yīng)用于航天、低溫醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

由于低溫冰箱內(nèi)部與外界環(huán)境的溫差很大，而我們知道有溫差的地方必然存在熱的傳遞，那么為了減少冰箱在運(yùn)行過程中的熱損失，對(duì)低溫冰箱箱體的設(shè)計(jì)過程的研究是十分必要的。

基于以上思路，本文闡述并分析了斯特林超低溫冰箱箱體設(shè)計(jì)的具體過程，以模擬［2］和實(shí)驗(yàn)為主要研究手段，創(chuàng)新性地采用真空絕熱板、聚氨酯發(fā)泡、氣凝膠三層絕熱材料復(fù)合絕熱，通過設(shè)計(jì)一臺(tái)容積為110 L，斯特林制冷機(jī)［3-5］可提供（0～30）W冷量，箱內(nèi)最低溫度可達(dá)183 K時(shí)，箱體漏熱量不超過30 W的斯特林超低溫冰箱，并通過模擬和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)箱體絕熱性能滿足要求，進(jìn)而為超低溫冰箱的箱體設(shè)計(jì)提供一種新的設(shè)計(jì)思路。

1　箱體設(shè)計(jì)

通常情況下，箱體部分隔熱層材料的選取、內(nèi)膽材料的選取、箱門的設(shè)計(jì)以及門封裝置的設(shè)計(jì)等都會(huì)對(duì)低溫冰箱的性能和熱負(fù)荷產(chǎn)生極大的影響。

箱門部分包括有外箱門組件和內(nèi)箱門組件，箱體部分又包括有內(nèi)箱體部件、外箱體部件和絕熱層。電控以及制冷系統(tǒng)部分包括有電路控制板、控制開關(guān)，一臺(tái)整體式斯特林制冷機(jī)［6-7］和恒溫水箱等等，而本文所研究的主要是冷藏箱箱體以及箱門部分的設(shè)計(jì)過程［8-9］。

箱體初步設(shè)計(jì)所使用的絕熱材料為真空絕熱板（VIP）、聚氨酯發(fā)泡和氣凝膠復(fù)合絕熱，內(nèi)膽采用銅板，外殼采用不銹鋼板，而進(jìn)入箱體內(nèi)的冷指與箱體內(nèi)膽通過氣凝膠連接。

把低溫冰箱的隔熱材料選定后，我們就應(yīng)該確定其厚度了。在普通冰箱的設(shè)計(jì)中，通常是以箱體外表面不結(jié)露為確定其厚度的基本條件，即保證箱體外表面溫度在露點(diǎn)溫度以上。低溫冰箱絕熱層設(shè)計(jì)中，其厚度設(shè)計(jì)原則仍然以此為依據(jù)。在計(jì)算時(shí)：設(shè)冷流體的溫度（即箱內(nèi)空氣溫度）為t1，外界空氣溫度為tw，露點(diǎn)溫度為td，外表面和空氣之間的傳熱系數(shù)為α，外表面溫度為t2，隔熱材料的平均導(dǎo)熱系數(shù)為λ。根據(jù)熱平衡條件得：

式中，L為絕熱層厚度，為保證箱體表面不結(jié)露，則最小L值應(yīng)滿足t2=td，

代入上式得：

L即為所求之最小厚度。在實(shí)際生產(chǎn)中，保冷層實(shí)際厚度應(yīng)大于此值，以確保其保冷效果和安全。

箱體具體結(jié)構(gòu)尺寸如下圖所示。內(nèi)膽尺寸：寬320 mm×高362 mm×深246 mm，材料為2 mm厚的紫銅；外殼尺寸：寬480 mm×高522 mm×深439 mm，材料為0.8 mm厚的不銹鋼。外殼深為246+80+113= 439 mm；80 mm為后面絕熱層整體厚度，其中從內(nèi)向外依次為氣凝膠10 mm，聚氨酯發(fā)泡45 mm，VIP板25 mm；113 mm為外門、內(nèi)門的總厚度。

箱體門的厚度為下圖113 mm處，門內(nèi)材料為聚氨酯發(fā)泡，其中外門厚度為77 mm，內(nèi)門厚度為36 mm。

2　溫度場模擬

2.1邊界條件

冷源溫度t1=-100 ℃，環(huán)境溫度to=20 ℃。箱體外殼為0.8 mm厚不銹鋼，外殼與空氣的對(duì)流換熱系數(shù)為5 W/m2·K；箱體內(nèi)壁為1.2 mm厚紫銅，內(nèi)壁與空氣對(duì)流換熱系數(shù)為1.2 W/m2·K；VIP板厚度25 mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.004 W/m·K；聚氨酯發(fā)泡厚度45 mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.024 W/m·K；氣凝膠厚度10 mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.018 W/m·K；外門為77 mm厚聚氨酯發(fā)泡，內(nèi)門為36 mm厚聚氨酯發(fā)泡，導(dǎo)熱系數(shù)為0.024 W/m·K；外門內(nèi)壁與內(nèi)門內(nèi)外壁材料均為2 mm厚工程塑料，導(dǎo)熱系數(shù)為0.046 W/m·K。

為簡化實(shí)際問題，對(duì)柜內(nèi)空氣的流動(dòng)與換熱作了以下假設(shè)：

1）柜內(nèi)空氣為牛頓流體；

2）柜內(nèi)空氣流動(dòng)形式為穩(wěn)態(tài)、層流；

3）柜內(nèi)空氣在固體表面滿足無滑移邊界條件；

4）滿足Boussinesq假設(shè)。

2.2模擬結(jié)果

模擬氣凝膠、聚氨酯發(fā)泡層、VIP板、門橫向剖面溫度變化梯度，如圖1所示；模擬氣凝膠、聚氨酯發(fā)泡層、VIP板、門縱向剖面溫度變化梯度，如圖2所示；三維視圖下，模擬氣凝膠、VIP板、發(fā)泡層、門剖面溫度變化梯度，如圖3所示。

圖1　箱體橫剖面溫度場

圖2　箱體縱剖面溫度場

圖3　箱體三維剖面溫度場

綜上所述，從圖1、圖2和圖3中可分析出各交界面的平均溫度。

門外溫度為17.53 ℃，內(nèi)膽空氣為-99.92 ℃。

外表面為18.21 ℃，VIP板與聚氨酯發(fā)泡交界面溫度為-48.27 ℃，聚氨酯發(fā)泡與氣凝膠交界面的溫度為-85.4 ℃。

3　箱體傳熱量計(jì)算

此絕熱方案為四層絕熱，利用FLUENT軟件中Fluxes計(jì)算所得傳熱量：

其中：門的漏熱量Q1為6.3 W；除門以外的五個(gè)面漏熱量Q2為7.91 W；總計(jì)Q為14.21 W；由于VIP板之間、VIP板與內(nèi)膽和聚氨酯材料之間、門封以及冷頭與絕熱材料之間的接觸存在熱橋及漏熱問題，故需乘以修正系數(shù)，暫取1.3，則最終箱體傳熱量Q'=1.3×14.21=18.473 W。

4　箱體漏熱實(shí)驗(yàn)

對(duì)所設(shè)計(jì)的箱體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采用冷源法測量箱體的漏熱［10］。冷源法就是在箱內(nèi)設(shè)置一個(gè)冷源，使箱內(nèi)處于低溫，而箱外則為高溫，模擬冷箱漏熱的實(shí)際情況。因此，冷源法實(shí)驗(yàn)最能真實(shí)反映冷箱的漏熱情況。選用大冷量整體式自由活塞式斯特林制冷機(jī)，該斯特林制冷機(jī)在輸入功率為280 W時(shí)，可使冷指溫度達(dá)到-100.01 ℃，提供28 W的冷量，并配有恒溫水箱對(duì)制冷機(jī)進(jìn)行散熱，通過安捷倫采集儀，用T型熱電偶對(duì)箱內(nèi)各測點(diǎn)進(jìn)行布置，通過安捷倫采集儀，然后接入安捷倫數(shù)據(jù)采集儀34972A的通道內(nèi)，如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)在恒溫實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，初始時(shí)刻為2013年12月21日15∶59∶15，各點(diǎn)的溫度值如曲線圖5所示。

當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到2013年12月23日13∶49∶15時(shí)，制冷機(jī)冷頭溫度達(dá)到設(shè)計(jì)溫度，此時(shí)各點(diǎn)溫度如圖6所示。

圖4　箱體測溫實(shí)驗(yàn)臺(tái)

圖5　初始時(shí)刻各點(diǎn)溫度

圖6　達(dá)到設(shè)計(jì)溫度時(shí)各點(diǎn)溫度

4.1箱體的熱力計(jì)算

箱體熱力計(jì)算是根據(jù)箱體結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出熱負(fù)荷。它的總熱負(fù)荷包括箱體的漏熱量、開門損失熱量、儲(chǔ)物熱量和其他熱量。而這里我們主要考慮箱體的漏熱量。邊界條件為：箱體外殼為0.8 mm厚不銹鋼，外殼與空氣的對(duì)流換熱系數(shù)為5 W/m2·K；箱體內(nèi)壁為1.2 mm厚紫銅，內(nèi)壁與空氣對(duì)流換熱系數(shù)為1.2 W/m2·K；VIP板厚度25 mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.004 W/m·K；聚氨酯發(fā)泡厚度45 mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.024 W/m·K；氣凝膠厚度10 mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.018 W/m·K；外門為77 mm厚聚氨酯發(fā)泡，內(nèi)門為36 mm厚聚氨酯發(fā)泡，導(dǎo)熱系數(shù)為0.024 W/m·K；外門內(nèi)壁與內(nèi)門內(nèi)外壁材料均為2 mm厚工程塑料，導(dǎo)熱系數(shù)為0.046 W/m·K。

箱體的漏熱量主要由三部分組成，以下式表示：

式中：

Q1——箱體絕熱層的漏熱量，W；

Q2——箱門的漏熱量，W；

Q3——箱門門封條的漏熱量，W。

4.1.1箱體絕熱層漏熱量Q1的計(jì)算

箱體的傳熱是多層平壁（包括外殼、絕熱層和內(nèi)膽）的傳熱過程，故：

式中：

F—傳熱面積，m2；

k—總換熱系數(shù)，W/m2·K；

Δt—箱體內(nèi)外的溫度差，K；

α1—箱體外表面與空氣的對(duì)流換熱系數(shù)，W/m2·K；

α2—箱體內(nèi)表面與箱內(nèi)空氣的對(duì)流換熱系數(shù)，W/m2·K；

δ—箱體材料厚度，m；

λ—箱體材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K。

其中k稱為多層平壁換熱的總換熱系數(shù)。這里有一個(gè)對(duì)于計(jì)算的簡化，雖然箱體的傳熱是一個(gè)多層平壁傳熱過程，但是由于箱體的內(nèi)膽和外殼都是金屬材料，分別為紫銅和不銹鋼，其換熱系數(shù)大，熱阻很小，而起主要作用的是絕熱層。因此可以按傳熱公式求解：

在計(jì)算中通常取F為箱體的中層面積來計(jì)算，所以：

環(huán)境溫度t=20 ℃，則：Δt=20-（-93.86）=113.86 K，可以得出：

4.1.2箱門的漏熱量Q2的計(jì)算

把內(nèi)外門作為整體計(jì)算，即按照多層保溫結(jié)構(gòu)的計(jì)算公式來計(jì)算：

4.1.3 箱門門封條的漏熱量Q3計(jì)算

由于Q3值很難用計(jì)算方法計(jì)算，根據(jù)實(shí)測值推出，一般可以取Q3為Q1與Q2的總和的15%。則：

4.1.4箱體總熱負(fù)荷計(jì)算

箱體總熱負(fù)荷為：

制冷機(jī)冷頭溫度為-107.21 ℃時(shí)，箱內(nèi)溫度可達(dá)到-93.86 ℃，與模擬所得結(jié)果相差6.06 ℃，在誤差允許的范圍內(nèi)，同時(shí)經(jīng)過計(jì)算，此箱體設(shè)計(jì)符合國家標(biāo)準(zhǔn)，漏熱量很小，僅為19.34 W，與FLUENT模擬結(jié)果相差0.867 W，由于實(shí)驗(yàn)條件與模擬的邊界條件存在一定誤差，同時(shí)，制冷機(jī)系統(tǒng)的一部分熱量通過箱體外壁散發(fā)，因此漏熱量的偏差屬于正常范疇。

5　技術(shù)難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

5.1VIP板本身包裹材料的導(dǎo)熱問題

VIP板由高阻隔材料包裹密封，以實(shí)現(xiàn)真空密封。但這層高阻隔材料也形成了一個(gè)閉合導(dǎo)熱回路，特別是在VIP板側(cè)面，存在一縱向?qū)?，形成多個(gè)熱橋，使漏熱量增加。

解決方案：考慮制作整體式VIP板，以消除包裹材料的熱橋問題。

5.2冷頭與箱體結(jié)合處的密封及傳熱問題

在箱體設(shè)計(jì)、加工過程中均需給制冷機(jī)冷頭留有一定的空間，以便冷頭與箱體的接觸。但是在結(jié)合處，存在著漏熱以及密封焊接問題。

解決方案：尋找一種低導(dǎo)熱系數(shù)的材料作為冷頭與箱體之間的接觸材料，其連接性要好，同時(shí)還能滿足強(qiáng)度的要求。

5.3箱體門封漏熱問題

箱門與箱體之間接觸存在密封及漏熱問題［11］。

解決方案：選擇導(dǎo)熱系數(shù)小、密封性好的門封條，同時(shí)還需考慮箱門的制作方案及工藝。

6　結(jié)論

本文詳細(xì)提出了一種新型超低溫冰箱的設(shè)計(jì)思路，這種新型低溫冰箱箱體絕熱層采用氣凝膠、聚氨酯發(fā)泡、真空絕熱板（VIP）三層復(fù)合絕熱，大大減少了箱體的制冷量損失，從而減少了能耗，通過FLUENT模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，漏熱量符合設(shè)計(jì)要求；與此同時(shí)，所采用的斯特林制冷機(jī)［12］選用氦氣作為制冷工質(zhì)，屬于綠色制冷劑，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于其溫度控制的穩(wěn)定與精確性，無論環(huán)境溫度如何變化，它都能夠有效穩(wěn)定地達(dá)到設(shè)定的溫度；冰箱內(nèi)溫度的波動(dòng)范圍很小，偏差在1 ℃之內(nèi)，最大程度地保障了樣本的安全性。此外，大大降低冰箱的故障幾率，降低能耗，為我國超低溫冰箱的發(fā)展提出了新的思路［13］。

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Design of Containing Box of Stirling Cycle Ultra-low Temperature Refrigerator and Analysis of Temperature Field in the Box

MENG Xiang-qi*1，QI Ying-xia1，WANG Zi-long1，CHEN Hai-tao2，F(xiàn)U Ming1，ZHANG Hua1
（1-Institute of Refrigeration and Cryogenics，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2-Qingdao Haier Special Electrical Appliance Co.Ltd，Qingdao，Shandong 266101，China）

The design of containing box of a stirling cycle ultra-low temperature refrigerator and its internal temperature field analysis are elaborated.Comparing the laboratory test data with the simulation results by using FLUENT software，the heat leakage is analyzed and the measures of reducing the heat loss are put forward.The physical and mathematical model of the air flow and heat transfer inside the box have also been established.And using the method of SIMPLE，integer evaluation and FVM，the distribution of the steady temperature field in the refrigerator has been simulated.

Ultra-low temperature refrigerator；Stirling cycle refrigerator；Steady temperature field

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.03.108

*孟祥麒（1989-），男，碩士研究生。研究方向：斯特林制冷機(jī)冰箱、空調(diào)以及新型低溫制冷系統(tǒng)等。聯(lián)系地址：上海市楊浦區(qū)軍工路516號(hào)上海理工大學(xué)制冷及低溫工程研究所。聯(lián)系電話：18301936719。E-mail：flossmxq@163.com。

祁影霞，女，博士后，上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院副教授，聯(lián)系方式：qipeggy@126.com。