劉宏宇 程春明 陳開松 張魁倉

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

近年來，我國學者對速冷和低溫技術進行大量了研究。逯兆棟[1]等以快速冰鎮(zhèn)啤酒為試驗目標，主要研究了一種風、直冷的雙制冷方式，利用鋁合金材質超導托盤，采用了冷藏單獨空間集中送風的方式，將普通冷藏室冰鎮(zhèn)啤酒需要的60～90 min縮短到了5～20 min，為冷藏速冷技術提供了技術方案。

劉永輝[2]等闡述了大容積風冷冰箱的設計難度在于冰箱風機系統(tǒng)、風口位置及內部結構，通過CFD仿真技術建立了大容積風冷冰箱的風機風道模型并展開了分析，根據(jù)分析結果運用離心風機替代方案提升了出風口風量、改善了風道流程分布，并通過試驗驗證了方案的正確性和可行性。

陳肖依[3]通過對急速冷凍技術中的降溫曲線和制冷性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)急速冷凍箱在開始降溫后，蒸發(fā)器溫度會立即接近最低蒸發(fā)溫度，過低的蒸發(fā)溫度導致進入壓縮機的制冷劑流量降低，急速冷凍效率未得到充分發(fā)揮，論文中提出了提高急速冷凍箱降溫速度的有效途徑是將蒸發(fā)溫度與箱內溫度相匹配，并詳細給出了提高蒸發(fā)壓力、提高蒸發(fā)溫度和減小蒸發(fā)器過熱度的具體辦法。

葉斌[4]對低溫冰箱箱體的設計過程展開了研究，闡述了低溫冰箱箱體與普通冰箱箱體的設計區(qū)別和低溫冰箱箱內溫度均勻性較差的問題，通過建立臥式低溫冰箱內空氣流動與換熱的物理和數(shù)學模型，采用了SIMPLE算法、整體求解法、有限容積法和有限元分析法對自然對流穩(wěn)態(tài)溫度場的分布進行計算機仿真研究，最后，在大量計算與分析的基礎上，給出了優(yōu)化箱內空氣溫度分布均勻性的措施。

1 快速冰鎮(zhèn)的有效措施

1.1 冰鎮(zhèn)影響因素

實現(xiàn)快速冰鎮(zhèn)飲料主要是依靠冰箱的速冷技術，通過查閱相關文獻資料[5-8]，結合傳熱公式Q=K*A*△T（傳熱量=傳熱系數(shù)*傳熱面積*平均溫差），得出和冰箱相關的影響速冷的因素有間室初始溫度、間室蒸發(fā)器冷量、間室風機風量、抽屜內冷風流向以及冰鎮(zhèn)輔助裝置的結構和材料特征。其中，初始溫度、蒸發(fā)器冷量、風機風量和抽屜內冷風流向由冰箱運行參數(shù)和抽屜結構決定；而冰鎮(zhèn)輔助裝置是借助外界材料提升冰鎮(zhèn)效果的一種技術措施。

1.2 影響因素簡要分析

間室初始溫度決定了飲料冰鎮(zhèn)時的初始環(huán)境溫度，間室溫度越低，飲料與間室溫度的溫差越大。例如，-18 ℃的冷凍室與一瓶25 ℃的飲料之間有43 ℃的溫差，而處于-32 ℃速凍狀態(tài)下的冷凍室與飲料之間可以達到57 ℃的溫差，在溫差數(shù)值上增加了32 %。

增加間室蒸發(fā)器冷量和增加間室風機風量的原理類似，均以提升間室單位時間內的供冷量為辦法，加快飲料降溫速度。

通過優(yōu)化抽屜內冷風流向，提升單位時間內掠過飲料表面的冷風量，盡可能進一步降低飲料周圍的流動空氣溫度。

從傳熱學的角度出發(fā)，熱傳導的換熱效率遠高于熱對流，因此通過增加金屬結構的冰鎮(zhèn)輔助裝置，將飲料放在冰鎮(zhèn)輔助裝置中，通過改變傳熱方式提升風冷冰箱內冰鎮(zhèn)飲料的速度。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗準備

為了保證試驗結果的一致性和準確性，采用330 ml聽裝飲料作為試驗對象，以將兩聽25 ℃的飲料降溫至10 ℃所花費的時間作為比對數(shù)據(jù)。

為了避免冰箱冷凍開、停機帶來的影響，在進行冰鎮(zhèn)測試時進入冰箱維修程序。若需要制冷狀態(tài)，則開啟固定轉速壓縮機，電磁閥調至冷凍室毛細管處，開啟冷凍風機和冷凝風機，其他間室風機均關閉；若需要停機狀態(tài)，則關閉壓縮機和冷凍風機。

2.2 冰箱參數(shù)

試驗1首先摸底了將飲料放入停機狀態(tài)下的-18 ℃冷凍室中的情況，完成一次冰鎮(zhèn)需要耗時28 min。

試驗2將兩聽飲料放入-18 ℃冷凍室開啟制冷狀態(tài)，測試冰鎮(zhèn)耗時23 min。對比冷凍室停機狀態(tài)下的數(shù)據(jù)縮短了21 %，主要原因在于飲料周邊空氣溫度處于制冷降溫的過程，制冷風機和蒸發(fā)器提供了持續(xù)不斷的低溫冷風。

試驗3將兩聽飲料放入-24 ℃冷凍室內并開啟制冷，測試冰鎮(zhèn)耗時18 min。因飲料周邊溫度的進一步降低，換熱溫差進一步加大。

綜合前3項試驗，在不改變冰箱箱體結構的前提下，可以通過調整冰箱運行參數(shù)將冰鎮(zhèn)時長從28 min縮短到18 min，減少了35 %的時間。

2.3 抽屜內冷風流向的影響

為了進一步降低飲料周邊溫度，試驗中改動了抽屜的結構，采用了前端中下部開孔和側邊中下部開孔兩種方案，使更多的制冷冷風經(jīng)過飲料表面，從抽屜孔洞中流出。

在試驗2的試驗條件基礎上，對兩種抽屜開孔方案進行了冰鎮(zhèn)試驗，測試冰鎮(zhèn)耗時均在23 min左右，并沒有明顯縮短冰鎮(zhèn)時間。推測原抽屜冷風量已經(jīng)充足，進一步增加掠過飲料表面的冷風量已經(jīng)無太大影響。通過建立CFD仿真模型，發(fā)現(xiàn)抽屜開孔并沒有很大程度上降低抽屜內部的溫度。如圖1～3所示，空氣流場發(fā)生了變化，但是抽屜中飲料放置處的溫度最多只降低了1 ℃，對冰鎮(zhèn)時間沒有明顯的縮短。

2.4 冰鎮(zhèn)輔助裝置

從聽裝飲料自身特點出發(fā)，考慮利用其圓柱形的形狀特征進一步縮短冰鎮(zhèn)時間。

使用冰鎮(zhèn)輔助裝置的目的在于增加聽裝飲料與低溫介質的接觸面積，金屬換熱本身比空氣換熱強，但是金屬換熱后自身溫度會逐漸上升，為了維持住金屬件的低溫，本試驗中使用了蓄冷材料，利用蓄冷材料長時間的冷量儲藏，在冰鎮(zhèn)所需的短時間內對飲料進行冷量集中釋放，以達到加速冰鎮(zhèn)的目的。

通過測量聽裝飲料的外形尺寸，設計了平板形狀和圓凹槽形狀的冰鎮(zhèn)輔助裝置，如圖4所示，通過改變圓凹槽接觸面弧度的大小，設計了60 °、120 °和180 °接觸度的冰鎮(zhèn)輔助裝置結構，在金屬面下方為蓄冷材料，封裝后實物如圖5。

圖1 原抽屜溫度分布圖

圖2 抽屜前端中下部開孔溫度分布圖

圖3 抽屜側邊中下部開孔溫度分布圖

圖4 冰鎮(zhèn)輔助裝置剖面結構示意圖

圖5 實物圖

在使用冰鎮(zhèn)功能前，將冰鎮(zhèn)輔助裝置提前放置于冷凍室內蓄冷，試驗時將冰箱狀態(tài)調節(jié)到試驗3的狀態(tài)，即間室溫度設定為-24 ℃，開啟制冷狀態(tài)。測試結果如表1。

表1 試驗4～7測試數(shù)據(jù)

圖6 試驗結果對比圖

通過表1明顯可以看出，金屬件對聽裝飲料的冰鎮(zhèn)有30 %以上的時間影響，隨著凹槽接觸度的增大，冰鎮(zhèn)時間進一步縮短。因此對聽裝飲料而言，冰箱中低溫空氣的換熱能力小于低溫金屬件直接接觸的換熱能力，在冰箱中若要實現(xiàn)快速冰鎮(zhèn)，有必要從熱傳導的角度出發(fā)，將低溫冷源與被冰鎮(zhèn)飲料直接接觸，并且盡可能增大單位接觸面積。

從理論推算上看，若能實現(xiàn)聽裝飲料與低溫金屬件全接觸，可以實現(xiàn)2 min以內完成冰鎮(zhèn)，通過將聽裝飲料放入持續(xù)制冷的-24 ℃低溫酒精槽中，這一推算得到了原理試驗驗證。

總結以上所有試驗數(shù)據(jù)，如圖6，通過對冰箱運行參數(shù)的調整，將冰鎮(zhèn)時長從28 min縮短到5 min，總共縮短了82 %的時間。

3 結論

通過以上試驗和分析，總結出以下幾點：

1）將冰箱間室保持在低溫狀態(tài)是最簡單有效的方法，可以通過保持制冷狀態(tài)、設定更低的制冷溫度實現(xiàn)。

2）間室抽屜中的冷風流向對冰鎮(zhèn)時間的影響不大，主要原因是風溫沒有得到明顯降低。

3）從熱傳導的角度出發(fā)，針對聽裝飲料的結構特征，制作與其直接接觸的冰鎮(zhèn)輔助裝置可以減少30 %以上的冰鎮(zhèn)時間，單位接觸面積越大冰鎮(zhèn)時間越短，并且效果越發(fā)明顯。