[科普中國(guó)]-冷藏陳列柜

食品冷藏陳列柜作為食品冷鏈中的末端設(shè)備，對(duì)保證食品品質(zhì)和安全起到了重要作用。食品冷藏陳列柜的種類和型式多種多樣，其中敞開式食品冷藏陳列柜不僅可以為食品提供合適的冷藏溫度，而且可以展示食品、美化購物環(huán)境、刺激消費(fèi)，經(jīng)多年的發(fā)展，現(xiàn)已成為超市中必不可少的設(shè)備。據(jù)不全完統(tǒng)計(jì)，超市食品冷藏陳列柜的能耗大約占到超市總能耗的50%左右，因此食品冷藏陳列柜的性能好壞，除對(duì)食品品質(zhì)有重要影響之外，對(duì)超市的節(jié)能也有著重要的影響。

簡(jiǎn)介隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，方便、安全、衛(wèi)生、營(yíng)養(yǎng)的冷凍冷藏食品受到越來越多人的青睞，使其生產(chǎn)和銷售得到迅速發(fā)展。為了保證冷凍冷藏食品以良好的品質(zhì)供應(yīng)消費(fèi)者，必須建立起一條從生產(chǎn)、儲(chǔ)藏、運(yùn)輸、銷售到消費(fèi)者等各個(gè)環(huán)節(jié)的完整的食品冷鏈過程。影響食品冷藏陳列柜的食品品質(zhì)和能耗的因素眾多，如外界環(huán)境溫濕度、光照、風(fēng)幕結(jié)構(gòu)、制冷系統(tǒng)、背風(fēng)板結(jié)構(gòu)、擱架性能、柜體的隔熱性能等。這些因素對(duì)系統(tǒng)的能耗、柜內(nèi)食品溫度的分布均勻性、融霜期間的食品溫度的回升等有著重要的影響。近些年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)食品冷藏陳列柜的風(fēng)幕性能、溫濕度影響、結(jié)霜融霜特性、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、制冷系統(tǒng)、相變蓄冷材料的應(yīng)用等方面開展了大量的研究工作，對(duì)于促進(jìn)食品冷藏陳列柜的發(fā)展，提高食品品質(zhì)和節(jié)能降耗有著非常重要的意義。1

冷藏陳列柜風(fēng)幕性能對(duì)于敞開式食品冷藏陳列柜，風(fēng)幕主要是將柜內(nèi)外空氣隔開，對(duì)隔絕外界熱量的滲透有著重要的作用，同時(shí)風(fēng)幕性能對(duì)柜內(nèi)溫度和速度分布也有較大影響。研究者主要從風(fēng)幕流動(dòng)及換熱機(jī)理和風(fēng)幕優(yōu)化兩個(gè)方面來展開。

1、風(fēng)幕流動(dòng)及換熱機(jī)理

風(fēng)幕流動(dòng)及換熱機(jī)理不僅與風(fēng)幕出口速度、溫度、初始紊流強(qiáng)度有關(guān)，同時(shí)還受空間湍浮力，柜外環(huán)境因素的干擾，影響因素比較復(fù)雜。風(fēng)幕從噴嘴流出后，分為初始段和主流段兩個(gè)區(qū)域，前者中心流的速度不變，后者中心流的速度在減弱。由于兩個(gè)區(qū)域的初始段長(zhǎng)度和渦旋粘度都與初始紊流強(qiáng)度有密切關(guān)系，因此對(duì)垂直射流的求解，需要考慮這兩個(gè)不同區(qū)域。另有研究者將風(fēng)幕流動(dòng)分為出口區(qū)、發(fā)展區(qū)和回風(fēng)區(qū)3個(gè)不同的區(qū)域，其封閉能力依次遞減，前2個(gè)區(qū)域主要受風(fēng)幕出風(fēng)口速度的影響，而第3區(qū)域主要受風(fēng)幕回風(fēng)口結(jié)構(gòu)的影響。其中出口區(qū)的風(fēng)幕流動(dòng)速度高，方向性強(qiáng)，發(fā)展區(qū)的流動(dòng)起始點(diǎn)和發(fā)展方向主要受出口區(qū)的影響，而回風(fēng)區(qū)在回風(fēng)口抽吸作用的影響下其流動(dòng)方向會(huì)出現(xiàn)較大的扭曲。計(jì)算流體力學(xué)（CFD）是用于改進(jìn)制冷設(shè)備結(jié)構(gòu)和優(yōu)化內(nèi)部流場(chǎng)的有效技術(shù)，可以模擬出流動(dòng)區(qū)域內(nèi)精細(xì)的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)等。一些學(xué)者通過CFD技術(shù)模擬了冷庫內(nèi)部氣流組織速度和溫度分布，為優(yōu)化風(fēng)機(jī)設(shè)置和冷庫內(nèi)貨物的擺放提供了理論參考。趙鑫鑫等通過數(shù)值模擬研究了冷藏車廂體導(dǎo)軌對(duì)廂內(nèi)溫度分布的影響，為單蒸發(fā)器多溫區(qū)冷藏車性能優(yōu)化提供了理論指導(dǎo)。

近些年來，CFD技術(shù)在冷藏陳列柜中已得到廣泛應(yīng)用。余克志等采用雙流體模型對(duì)立式陳列柜風(fēng)幕進(jìn)行了數(shù)值模擬，相比K－ε紊流模型，該模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值更加吻合。

2、風(fēng)幕優(yōu)化

影響食品冷藏陳列柜性能的主要參數(shù)包括蜂窩結(jié)構(gòu)、風(fēng)幕高度、風(fēng)幕厚度、出風(fēng)口速度等。而由于出風(fēng)口的速度分布、出風(fēng)口的紊流強(qiáng)度、風(fēng)幕厚度都與出風(fēng)口的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，所以陳列柜出風(fēng)口的結(jié)構(gòu)又是影響風(fēng)幕性能的主要因素。在實(shí)際應(yīng)用中，風(fēng)幕出風(fēng)口常采用蜂窩結(jié)構(gòu)來減弱過大的紊流強(qiáng)度，要想使紊流強(qiáng)度有適宜的衰減，其蜂窩結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度與孔徑之比應(yīng)大于10。

柜體頂部送風(fēng)形成的風(fēng)幕流態(tài)與送風(fēng)速度、高度及風(fēng)幕厚度等因素有關(guān)，當(dāng)風(fēng)幕高度為300mm時(shí)，風(fēng)速至少達(dá)到0.6m/s，高度為800mm時(shí)，風(fēng)速需達(dá)到2m/s，這樣才能形成寬高比為1/5的穩(wěn)定風(fēng)幕。增大風(fēng)幕厚度，可以提高風(fēng)幕封閉敞口的能力，但風(fēng)幕厚度過大會(huì)造成冷量損失，增加冷藏陳列柜能耗，因此，風(fēng)幕出風(fēng)口的厚度通?？刂圃?0~80mm。也有學(xué)者利用粒子圖像測(cè)速儀和紅外成像技術(shù)對(duì)風(fēng)幕流動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，提出了優(yōu)化風(fēng)幕的一些有效措施。Cao等利用改進(jìn)的雙流體模型和冷損雙流體模型對(duì)風(fēng)幕及其周圍空氣傳熱和流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)風(fēng)幕進(jìn)行了合理優(yōu)化，提高了陳列柜性能。

現(xiàn)研究者主要集中在對(duì)機(jī)理的研究和對(duì)冷藏陳列柜風(fēng)幕性能數(shù)值的研究，然而對(duì)數(shù)值模擬對(duì)于風(fēng)幕流動(dòng)及換熱機(jī)理和優(yōu)化過程的認(rèn)識(shí)還具有一定的局限性，文獻(xiàn)中所開發(fā)的射流模型、層流模型、雷諾應(yīng)力模型、雙流體模型等只適用于各自特定的條件。特別地，數(shù)值計(jì)算時(shí)習(xí)慣采用二維穩(wěn)態(tài)模型，不能對(duì)更加接近實(shí)際環(huán)境的復(fù)雜情況進(jìn)行研究，因此在以后的研究中需要進(jìn)一步改進(jìn)研究方法與試驗(yàn)方案。

2、環(huán)境溫濕度對(duì)冷藏陳列柜的性能影響

室內(nèi)環(huán)境溫濕度的變化，既影響柜內(nèi)的溫濕度特性，又影響柜體制冷系統(tǒng)運(yùn)行的功率消耗。。在冷藏陳列柜的所有熱負(fù)荷中，滲透熱負(fù)荷所占比例最大，它主要是通過風(fēng)幕出口射流與柜外環(huán)境空氣間的熱濕交換引起，環(huán)境空氣的溫度和相對(duì)濕度不僅對(duì)冷藏陳列柜熱負(fù)荷影響較大，而且會(huì)影響柜內(nèi)的食品包溫度。對(duì)于臥式敞開式冷藏陳列柜，環(huán)境溫度每升高1℃，食品包溫度平均升高0.1~0.3℃，濕度每升高20%，其溫度平均升高0.1~0.7℃。張文慧等研究了減濕預(yù)冷器對(duì)風(fēng)幕送回風(fēng)狀態(tài)的影響，結(jié)果表明風(fēng)幕回風(fēng)溫度降低5℃，內(nèi)層風(fēng)幕的送、回風(fēng)相對(duì)濕度基本保持不變，外層風(fēng)幕的送風(fēng)相對(duì)濕度由69%下降到60%，外層風(fēng)幕的回風(fēng)焓值降低21.4%，風(fēng)幕回風(fēng)溫度和焓值的降低可以有效減小陳列柜熱負(fù)荷。傅濤等對(duì)陳列柜有無節(jié)能簾進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)得出，在有節(jié)能簾條件下，陳列柜內(nèi)平均相對(duì)濕度與無節(jié)能簾相比升高了5.74%，平均溫度減小了0.43℃，從而節(jié)能簾可有效降低柜內(nèi)相對(duì)濕度和溫度的波動(dòng)幅度。因此，在超市非營(yíng)業(yè)時(shí)間段應(yīng)拉上節(jié)能簾，減小柜外環(huán)境對(duì)柜內(nèi)食品溫度分布的影響。

食品冷藏陳列柜柜外環(huán)境溫濕度對(duì)柜內(nèi)溫度分布、速度分布和陳列柜熱負(fù)荷都有很大的影響。當(dāng)環(huán)境溫度和相對(duì)濕度降低時(shí)，陳列柜的耗電量會(huì)有所減小，但是會(huì)使超市空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷增大，因此存在一個(gè)最佳溫度值和相對(duì)濕度值使食品冷藏陳列柜和超市空調(diào)系統(tǒng)的總耗電量最小，還需要進(jìn)一步深入研究。1

冷藏陳列柜柜體結(jié)構(gòu)冷藏陳列柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)幕流動(dòng)和柜內(nèi)溫度分布都具有重要的影響。研究者主要從優(yōu)化背風(fēng)板和擱架兩個(gè)方面分析了其對(duì)柜內(nèi)溫度分布和風(fēng)幕流動(dòng)的影響。

1、背風(fēng)板結(jié)構(gòu)的影響

冷藏陳列柜冷風(fēng)量一部分送到風(fēng)幕，一部分通過背風(fēng)板送風(fēng)送到柜內(nèi)，冷卻柜內(nèi)食品，而兩者的風(fēng)量分配不合理，會(huì)增加冷藏陳列柜的能耗。背風(fēng)板的出風(fēng)不合理會(huì)加大內(nèi)外側(cè)食品包溫差，同時(shí)減弱風(fēng)幕抵御外界熱滲透的能力。合理調(diào)整背風(fēng)板的通孔率可改善柜層與層之間溫度分布的不均勻性，背風(fēng)板通孔率通?？刂圃?%~2%。背風(fēng)板出風(fēng)量的70%~80%進(jìn)入風(fēng)幕回風(fēng)口，在下層擱架處，風(fēng)幕變厚但風(fēng)幕強(qiáng)度減弱，需要背風(fēng)板出風(fēng)來冷卻外側(cè)食品包，同時(shí)充分抵御熱滲透。雖然風(fēng)幕抵御熱滲透的作用明顯，但背風(fēng)板通孔率對(duì)柜內(nèi)溫度分布的影響也不容忽視。當(dāng)風(fēng)幕和背風(fēng)板出風(fēng)量保持在30%~70%的比例時(shí)，將有利于保證陳列柜風(fēng)幕的穩(wěn)定性以及柜體內(nèi)部速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的均勻性。Wu等分析了背風(fēng)板通孔率和通孔位置對(duì)柜內(nèi)內(nèi)外側(cè)食品包溫度的影響，得出陳列柜各層擱架間背風(fēng)板通孔位置合理的調(diào)整有利于柜內(nèi)溫度的均勻分布，并提出了改進(jìn)模型，研究認(rèn)為當(dāng)背風(fēng)板的通孔率在2%~3%時(shí)，其出風(fēng)量在30%左右，冷藏陳列柜的系統(tǒng)性能更好。

2、擱架結(jié)構(gòu)的影響

食品冷藏陳列柜內(nèi)部食品的擺放形式、擱架的寬度和安裝位置等會(huì)影響到柜內(nèi)空氣的流動(dòng)以及風(fēng)幕流動(dòng)的穩(wěn)定性。將超市里一般水平擺放食品的方式改為階梯型，可使各層擱架前后食品溫差有所下降。柜體內(nèi)部擱架的尺寸和位置對(duì)于柜內(nèi)溫度分布、風(fēng)幕流形和熱負(fù)荷具有明顯的影響，擱架的存在可拓展保證風(fēng)幕穩(wěn)定的Richardson數(shù)范圍以及提高風(fēng)幕流動(dòng)的穩(wěn)定性。為了解決普通擱架傳熱性能差、溫度分布不均等問題，研究者提出采用中空擱架和在擱架中添加熱管的方法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。Clodic等設(shè)計(jì)了具有換熱效果的中空擱架，并與冷風(fēng)通道進(jìn)行連接，新設(shè)計(jì)的中空擱架有效改善了柜內(nèi)空氣流動(dòng)分布，提高了柜內(nèi)溫度分布均勻性，但由于該擱架結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，擱架安裝的靈活性和成本等均受到了很大的影響，

新設(shè)計(jì)陳列柜側(cè)視圖見圖。

在食品冷藏陳列柜的使用中會(huì)出現(xiàn)風(fēng)幕冷量外溢的問題，尤其當(dāng)風(fēng)幕出風(fēng)口速度過大時(shí)，在風(fēng)幕回風(fēng)口處會(huì)有大量的冷量溢出柜外而造成能量的浪費(fèi)，同時(shí)會(huì)引起購物者身體的不適，形成冷過道效應(yīng)。一般對(duì)冷藏陳列柜柜體結(jié)構(gòu)的研究主要針對(duì)背風(fēng)板、擱架和風(fēng)幕出風(fēng)口進(jìn)行，而對(duì)風(fēng)幕回風(fēng)口結(jié)構(gòu)的研究較少，因此綜合考慮背風(fēng)板、擱架、風(fēng)幕出風(fēng)口和風(fēng)幕回風(fēng)口等因素對(duì)食品冷藏陳列柜性能的影響具有重要的研究意義。2

冷藏陳列柜結(jié)霜融霜問題在冷藏陳列柜制冷系統(tǒng)中，蒸發(fā)器表面結(jié)霜現(xiàn)象很常見，霜的產(chǎn)生一方面增加了熱阻，另一方面增加了空氣流動(dòng)阻力，從而影響蒸發(fā)器表面換熱和柜內(nèi)溫度分布。尤其是在低溫高濕環(huán)境下，蒸發(fā)器的結(jié)霜將直接影響蒸發(fā)器乃至整個(gè)系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定運(yùn)行。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)蒸發(fā)器結(jié)霜和融霜技術(shù)進(jìn)行了大量研究。

1、蒸發(fā)器結(jié)霜

蒸發(fā)器結(jié)霜會(huì)增加其表面換熱熱阻，降低總傳熱系數(shù)，引起風(fēng)幕出風(fēng)口的速度降低、柜內(nèi)食品溫度升高和陳列柜運(yùn)行能耗增加等問題。因此研究蒸發(fā)器結(jié)霜機(jī)理，探索有效地抑制融霜的方法一直備受國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。Mao等通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)以鉀酸鹽為載冷劑的間接制冷系統(tǒng)，其換熱器上的結(jié)霜較R404A制冷劑系統(tǒng)更加均勻、集中，使得融霜時(shí)間大大縮 短，從而降低了陳列柜的融霜冷負(fù)荷。研究者提出了在蒸發(fā)器前增加減濕預(yù)冷器的方法，試驗(yàn)結(jié)果表明，此方法提高了風(fēng)幕的封閉能力，延長(zhǎng)了融霜時(shí)間，對(duì)保證食品的品質(zhì)和安全起到了重要作用。袁培采用4組并聯(lián)蒸發(fā)器模塊代替整體式蒸發(fā)器，在融霜期間模塊化蒸發(fā)器依次融霜，保證了蒸發(fā)器在融霜時(shí)，仍有蒸發(fā)器在制冷，從而有效地減小融霜期間食品溫度的波動(dòng)。

2、蒸發(fā)器融霜技術(shù)

冷藏陳列柜具有多種不同的融霜方式。合理的融霜方式應(yīng)該是在陳列柜融霜期間柜內(nèi)溫度回升較小、對(duì)食品品質(zhì)及環(huán)境的影響較小。不同的融霜方式有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。Faramarzi指出在電加熱融霜過程中只有15%的熱量用于蒸發(fā)器表面融霜，其余熱量散入到陳列柜內(nèi)部，從而增加了陳列柜的熱負(fù)荷。 雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)蒸發(fā)器結(jié)霜融霜問題進(jìn)行了大量研究，在降低蒸發(fā)器結(jié)霜量、延長(zhǎng)融霜周期和融霜技術(shù)上已有了很大的進(jìn)步，但是很多還是僅限于單一方面問題的研究，實(shí)際上隨著蒸發(fā)器表面霜量的增加，其表面換熱熱阻增大使風(fēng)幕出風(fēng)口速度降低，從而影響制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，因此將食品冷藏陳列柜蒸發(fā)器與風(fēng)幕、制冷系統(tǒng)、超市環(huán)境耦合等作為一個(gè)整體進(jìn)行綜合分析的研究有待展開。2

冷藏陳列柜節(jié)能優(yōu)化面對(duì)能源日益枯竭的時(shí)代背景，節(jié)能和可持續(xù)發(fā)展已成為當(dāng)今時(shí)代的主題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，超市食品冷藏陳列柜的能耗大約占到超市總能耗的50%左右。因此，尋找降低冷藏陳列柜能耗的有效方法，對(duì)其制冷系統(tǒng)耗電的影響因素進(jìn)行研究顯得尤為重要。目前研究者主要從采用多級(jí)并聯(lián)技術(shù)、自然冷源等方面對(duì)其進(jìn)行研究。

1、多機(jī)并聯(lián)技術(shù)

目前，為了降低大型超市制冷系統(tǒng)的能耗、提高其運(yùn)行效率，學(xué)者們提出將傳統(tǒng)的單機(jī)制冷系統(tǒng)組合起來，合并成并聯(lián)壓縮機(jī)組。張華俊等對(duì)機(jī)組選配問題，提出了多級(jí)并聯(lián)的觀點(diǎn)，認(rèn)為并聯(lián)機(jī)組最佳組合是根據(jù)陳列柜的冷凍能力與冷凍負(fù)荷的匹配情況，選擇合適數(shù)量、不同功率的壓縮機(jī)，可以減小超市的能耗。

朱興旺等闡述了多機(jī)并聯(lián)壓縮的節(jié)能機(jī)理，用4臺(tái)并聯(lián)壓縮機(jī)組拖12臺(tái)陳列柜與單機(jī)拖3臺(tái)陳列柜進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)比較，結(jié)果表明采用并聯(lián)機(jī)組方式使年耗冷量降低15%~20%，能量調(diào)節(jié)梯度可小于25%，達(dá)到了預(yù)期目的。

2、自然冷源

對(duì)于食品冷藏陳列柜高能耗的問題，研究者提出利用寒冷冬季的低溫環(huán)境空氣作為冷源向其供冷，通過試驗(yàn)測(cè)試的方法得出，可節(jié)約大約44%的能耗。環(huán)境送風(fēng)陳列柜雖然可以節(jié)約大量的電能，但它的應(yīng)用受限于環(huán)境溫度，在此基礎(chǔ)上余克志等提出了新的送風(fēng)模式—聯(lián)合送風(fēng)，這種送風(fēng)方式將來自環(huán)境的空氣先經(jīng)過蒸發(fā)器進(jìn)行冷卻，冷卻到陳列柜所需的風(fēng)幕出風(fēng)口溫度后再送入陳列柜內(nèi)。這種新的聯(lián)合送風(fēng)方式明顯提高了陳列柜的能量效率，同時(shí)克服了環(huán)境送風(fēng)方式存在的弊端。

3、其它節(jié)能措施

耦合節(jié)能是綜合考慮多種因素相互影響的結(jié)果，如陳列柜自身結(jié)構(gòu)類型、人員流動(dòng)干擾、燈光強(qiáng)度等因素對(duì)超市陳列柜能耗性能的影響。呂彥力等僅從超市陳列柜及空調(diào)系統(tǒng)能耗受環(huán)境溫濕度的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究得出，當(dāng)冷藏陳列柜在環(huán)境溫度23℃，相對(duì)濕度55%的條件下工作時(shí)，冷藏陳列柜及空調(diào)制冷系統(tǒng)整體能耗較小。

曹志坤等運(yùn)用CFD模擬對(duì)風(fēng)幕出口風(fēng)速和導(dǎo)流板的位置進(jìn)行優(yōu)化后與原有結(jié)構(gòu)對(duì)比，可分別使陳列柜節(jié)能4.62%和6.29%，總的單位展示面積的每日耗電量減小7.1%。抑制霜層的增長(zhǎng)和減小蒸發(fā)器回風(fēng)口空氣性相對(duì)濕度可延長(zhǎng)結(jié)霜周期，延長(zhǎng)結(jié)霜周期減小融霜次數(shù)，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

申江等對(duì)中國(guó)超市冷凍冷藏陳列柜的節(jié)能問題進(jìn)行了探討，在國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的技術(shù)上給出了合理的節(jié)能建議，在制冷系統(tǒng)方面，提出提高蒸發(fā)溫度、對(duì)送風(fēng)進(jìn)行濕處理、采用蒸發(fā)式冷凝器等可以減小陳列柜的能耗；在設(shè)計(jì)方面，夜簾的使用、融霜系統(tǒng)的改進(jìn)及變頻技術(shù)的應(yīng)用都會(huì)產(chǎn)生較好的節(jié)能效果。在食品冷藏陳列柜的節(jié)能優(yōu)化中，采用通過電腦控制的并聯(lián)機(jī)組能夠精確控制多臺(tái)壓縮機(jī)的開停，檢測(cè)制冷系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的故障，同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的，但一般并聯(lián)機(jī)組在滿負(fù)荷情況下運(yùn)行時(shí)效率較低，初投資較大。為了減小超市制冷系統(tǒng)的耗電量，利用寒冷冬季的低溫環(huán)境空氣作為自然冷源是今后食品冷藏陳列柜的發(fā)展方向，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行的研究較少。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李勇 - 副教授 - 西南大學(xué)