自动售冷饮机箱室结构优化设计

2020-4-21 13:21| 发布者: 南召修电视| 查看: 99| 评论: 0

摘要: 自动售冷饮机的节能降耗和温度是否达标与其箱室内的温度均匀性密切相关。如果自动售冷饮机内温度均匀性不达标，则需要增加制冷量和风扇风量，这样将导致自动售冷饮机的能耗上升；同时，自动售冷饮机的温度均匀性也 ...

自动售冷饮机的节能降耗和温度是否达标与其箱室内的温度均匀性密切相关。如果自动售冷饮机内温度均匀性不达标，则需要增加制冷量和风扇风量，这样将导致自动售冷饮机的能耗上升；同时，自动售冷饮机的温度均匀性也决定了其箱室中的饮料温度是否能够达标。因此，自动售冷饮机室内温度均匀性对自动售冷饮机的节能降耗和温度达标非常重要，然而由于自动售冷饮机箱室内温度均匀性受箱体结构、风扇和制冷系统等多个因素耦合影响，对自动售冷饮机的温度均匀性研究往往比较复杂。

为了能够对自动售冷饮机室内温度均匀性分布进行研究，本文建立了一种自动售冷饮机温度均匀性分布模型，通过该模型分析并优化了某款典型自动售冷饮机的室内温度分布，可为优化设计自动售冷饮机结构提供参考。

1、自动售冷饮机箱室内温度分布模型

1.1 自动售冷饮机箱室内温度分布的研究思路

自动售冷饮机箱室内的结构如图 1 所示，箱室内风扇提供的空气经过蒸发器冷却后，经过风道分配到自动售冷饮机的各层并对各层饮料实现降温，然后经底层回风，如此循环往复，实现自动售冷饮机内温度范围的控制。

由自动售冷饮机温度控制的原理可以看出，经过自动售冷饮机各层的风量对箱室内温度均匀性的影响最为重要。风量较大的层，饮料降温速度较快，平均温度较低；风量较小的层，饮料降温速度较慢，平均温度较高。因此，温度均匀性的研究首先需要对自动售冷饮机各层风量分配进行分析；然后再将风量代入CFD模型中模拟自动售冷饮机每层货架的温度分布；最后对自动售冷饮机的温度分布进行分析并优化。

1.2 自动售冷饮机风量分配的理论分析

自动售冷饮机的风道结构图简化图及风道沿程压力损失图如图 2 所示。以第 N 层货架为例，压力损失分为 5 个部分：hN1为右侧进风风道压力损失；hN2 为右侧进风孔压力损失；hN3为第N层货架压力损失；hN4 为左侧出风孔压力损失；hN5为左侧回风风道压力损失。

1.3 自动售冷饮机每层货架温度分布的CFD模拟

通过自动售冷饮机风道压力损失模型可以求得每层货架的风量。在得到每层货架的风量之后，即可采用 CFD 方法对每一层货架进行模拟，从而得出每一层货架上的温度分布。利用Fluent 软件对每一层货架的温度进行计算，采用 SIMPLE 方法，并运用 k-ε 模型对湍流进行求解。k-ε 模型的各常数取值如表 1 所示。其中 Cu、C1ε、C2ε 是与湍流强度有关的经验参数，为无量纲常数项；TKE Pr 是表征湍动能的普朗特数，为无量纲常数项；TDR Pr 是表征湍流耗散比的普朗特数，为无量纲常数项。货架进出口以及墙体的边界条件设置如表 2 所示。完成流动模型和边界条件设置后，使用 Fluent 软件进行迭代计算收敛后，即可得到货架上的温度分布。

2、自动售冷饮机模拟结果的分析

自动售冷饮机温度均匀性模型可以用来模拟自动售冷饮机每一层货架上瓶子的温度分布。通过货架上瓶子的温度分布不但可以判断自动售冷饮机箱室内温度是否达标，还可以为自动售冷饮机箱体结构及送风方式的优化提供方向。

本文以图 1 所示的典型的自动售冷饮机为例，利用温度均匀性模型来分析和优化该款自动售冷饮机。图1所示的自动售冷饮机共有7层货架，其中第1 层（底层）为回风层，其余 6 层为进风层。将该款自动售冷饮机的参数代入上述的风道沿程压力损失方程组，求解该方程组可得自动售冷饮机各层的风量和压力损失如表 3 所示。

针对自动售冷饮机建立 CFD 模型，并将表 3 中每一层货架的风量分别代入 CFD 模型中，使用 Fluent 软件进行迭代计算，迭代收敛后，得到自动售冷饮机的温度场如图 3 所示。将自动售卖机每一层货架划分为 9 个区域，如图 4 所示。则根据CFD 模型计算可以得出每一层货架各个区域的温度，如表 4 所示。

通过表 4 中的数据可以得出，该款自动售冷饮机未达到(0~4.4) oC 的温度标准。因此，需要对该款自动售冷饮机进行优化，使温度均匀性其达到温度标准。对图 3 所示的自动售冷饮机的温度场分布进行分析可以看出，箱室内的高温区域主要集中在最左侧的区域 7~区域 9，这是因为：冷风的风速不够，只有少量的冷风流经区域7~区域 9，大部分的风则经过箱室的前部回到了风扇。因此，对该款自动售冷饮机优化的方向应为提高每层货架冷风的入口风速。

将自动售卖机每一层货架划分为 9 个区域，如图 4 所示。则根据 CFD 模型计算可以得出每一层货架各个区域的温度，如表 4 所示。

3、自动售冷饮机结构的优化

3.1 自动售冷饮机的优化方案

根据以上对自动售冷饮机的仿真结果的分析，可以得出 3 种优化的方案。

第 1 种为提高风扇转速或者采用风量更大的风扇，提高每层货架冷风的入口风速；

第 2 种优化方案为减小每层货架进风口的尺寸，在相同的风扇风量下可以提高入口风速；

第 3 种优化方案为将 6 层进风 1 层回风的送风方式改为 5 层进风 2 层回风，这样可以极大的降低风道的压力损失，在风扇转速不变的条件下可以增大风扇的风量，从而提高入口风速。

在以上 3 种优化方案中，第 1 种方案会导致自动售冷饮机的能耗和噪音上升，而第2种和第 3 种方案较为简单且不会增加能耗和噪音，因此本文采用第2和第3种优化方案来改进该款自动售冷饮机的箱体结构和送风方式。

3.2 优化方案的模拟效果

采用温度均匀性模型对优化后的自动售冷饮机箱体进行仿真，可以得出优化后的自动售冷饮机的温度场如图 5 所示，每一层货架各个区域的温度如表 5 所示。

通过图 5 中的温度分布和表 5 中的各区域温度数据可以看出，优化后的自动售冷饮机温度分布比优化前更加均匀，温度范围也达到了(0~4.4)℃的温度标准。

3.3 优化效果的实验验证

根据某饮料公司 C 级工况标准，在室温为 32.2℃、相对湿度为 65%的恒温恒湿实验室中对优化前后的自动售冷饮机进行降温实验。自动售冷饮机初始箱室内温度为室温，开机 24 h 后可以得出自动售冷饮机的降温曲线和温度分布。

优化前后自动售冷饮机的降温曲线对比如下图 6。其中横坐标为时间，纵坐标为温度。曲线代表货架上每个区域的温度随时间变化的情况。从图 6 中可以看出优化后自动售冷饮机箱室内温度分布更加均匀，各个区域的降温曲线较优化前相比更加密集稳定。图7给出了自动售冷饮机预测值与实验值的比较。从图7中可以看出自动售冷饮机的预测值与90%的实验值误差在±20%之内。