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商用冷柜绝热技术的研究进展目前,国内外学者对商用冷柜的研究主要集中在制冷系统性能提升、新型制冷剂替代、柜内温度均匀性改善及绝热性能提高等方面。笔者将分析商用冷柜热负荷的组成,从保温材料、玻璃门、门封、风幕和融霜5个方面总结提高绝热性能方法,并分析绝热技术发展趋势。 1 保温材料优化 聚氨酯材料是目前商用冷柜最常见的保温材料,其导热系数一般为0.017~0.025 W/(m·K)。从导热系数角度提高保温材料绝热性能的方法有:研发新型聚氨酯配方、改进生产技术及新型保温材料替代聚氨酯。 采用陶氏PASCAL真空发泡保温技术制备的聚氨酯,在10 ℃环境下导热系数可达0.018 3 W/(m·K),与普通发泡相比,导热系数降低7.6%。 真空绝热板(vacuum insulating panel,VIP)结构如图2(a)所示,其导热系数大约为0.002~0.004 W/(m·K),节能潜力较大。热负荷与VIP板敷设位置有关,仅在冰箱后壁安装VIP板,能耗可以降低11%。如图2(b)所示,在整体尺寸为2 100 mm×850 mm×780 mm(长×宽×高)的冷柜聚氨酯外附加20 mm厚VIP板,可使冷柜箱体热负荷降低49%,但VIP板造价高。 图1 保温材料结构 另外,保温材料厚度越大,热阻越大,保温效果越好,但成本与体积随之增加。若调整各壁面厚度分布:热流密度大者,增加厚度;反之,减小厚度,不仅能够保证箱体容积,也可适当减小冷量损失。F.X.Trias等提出一种基于拉格朗日算子的优化算法,确定冰箱保温材料最优厚度分布。和鹏等通过试验方法,依据各壁面热流密度调整各壁面保温材料厚度,在25 ℃环境下,冰箱箱体热负荷减小6.67%。 1.1 玻璃门性能优化 封闭式商用冷柜的玻璃门常采用中空玻璃,但玻璃的传热系数大,抗辐射能力弱,保温性差,但玻璃门表面易凝露,使消费者视线受阻。提高玻璃门防凝露特性可从以下2个方面入手:提升玻璃门外表面温度;减小玻璃门传热系数。 防凝露电加热器可提高玻璃表面温度,直至高于环境湿空气露点,有效防止凝露产生。电加热防凝露是目前最常用的防凝露方法之一,但其电能消耗较大,不利于节能。 减小玻璃门导热系数的方法有:惰性气体或真空替代空气;三层玻璃替代双层玻璃。减小对流换热系数要控制商用冷柜的高度,避免空气处于紊流状态。在玻璃表面镀膜,玻璃单侧表面黑度从0.84降低到0.05时,玻璃门热负荷可减小43.4%。惰性气体与玻璃表面镀膜的绝热性能不同,某6 mm空气夹层双层玻璃门的传热系数为1.63 W/(m2·K);氩气替代空气可使玻璃门热负荷减小约24.5%。 1.2 门封性能优化 近年来,门封绝热性与密封性的优化研究越来越受到关注。门封按照吸合面作用力的类型不同,可分为2类:立式冷柜门封(见图3(a)),依靠磁条磁力吸合;卧式冷柜门封(见图3(b)),依靠门体重力吸合。 图2 门封优化结构 门封绝热与密封性能的提高常从结构优化和材料优化入手。早期门封为平直结构,为了增大热阻和减小吸合面及安装面上的间隙尺寸,通常增加设计飞边、波纹管、多气囊、吸合面高气囊、加强筋、辅助气囊等结构,绝热与密封效果变好,但是结构复杂性增加,且会增加材料、模具与工艺成本。常见门封胶条材料为PVC(聚氯乙烯),但是普通PVC材料质地硬、易老化,长时间使用后密封效果变差,出现闪缝,漏冷严重。因此,一般在PVC材料配方中添加改性剂以提高回弹性、耐热性。近年来,TPE(热塑性弹性体)因具有质地柔软、高回弹性、耐磨等特点受到关注,但是工艺成本高制约其进一步推广,市场份额不足10%。 1.3 风幕性能优化 风幕形成了一个屏障,可阻止空气渗透以减少热量传递。研究风幕性能的方法主要有模拟仿真和测试。湿空气渗透是形成风幕热负荷的主要因素,在此重点阐述风幕减少渗透的技术方向。 影响风幕性能的因素有结构参数、层数、射流出口速度等。提高风幕绝热性能的方法有:优化射流速度分布,增加风幕层数,回风口外侧设垂直挡板,增设导流板,货架中设置风道。调整射流速度分布和增加风幕层数,可减小卷吸率或增强风幕的绝热强度,阻碍环境空气与风幕间的传热传质,达到减小热负荷的效果。除了从风幕自身参数考虑,回风口外侧设垂直挡板、增设导流板、货架中设置风道3种方法均是对冷柜结构的改造。通过结构的改造影响风幕的流向,减小环境空气的掺混,减少传热传质量。增设导流板,冷柜制冷量可减少34.2%。在每层货架中设置风道,冷柜能耗减小约40%。 1.4 融霜策略优化 湿空气的渗透量不仅影响商用冷柜热负荷,也造成风冷式冷柜蒸发器结霜。霜层阻碍蒸发器换热,影响系统性能,故融霜技术十分重要。融霜总能耗分为2部分,融霜加热器耗电量和融霜后恢复柜内设定温度耗电量。商用冷柜融霜方法可分为停机融霜、热气旁通融霜和电加热融霜3类。融霜控制策略有定时融霜、控温融霜和模糊控制3种。此外,按需融霜控制是一种根据实际需要调节融霜时间和融霜间隔的控制策略,可以达到节能的目的。Cai J.等提出将融霜能耗与食品质量损失作为优化目标,不断寻找最佳融霜时间间隔的方法,结果表示,不同环境条件对应一个最优融霜时间间隔,在柜外环境干球温度/相对湿度为25 ℃/50%下最佳融霜时间间隔为6 h,若按融霜时间间隔为9 h计,则每日能耗增加126.4%。 1.5 两种典型冷柜绝热性能提高方法及其节能效果 封闭式中空玻璃门冷柜和敞开式风幕冷柜绝热性能提高方法及节能效果分别如图4和图5所示,其中,节能效果主要以各部件热负荷减小率、整机热负荷减小率和优化后热负荷占比3个指标评价。 对于封闭式中空玻璃门冷柜,减小箱体热负荷的方法有:真空发泡保温技术,VIP材料,厚度优化分布等(见图4),其中采用VIP材料整机热负荷减小率最大,但高成本制约了其推广使用。减小玻璃门热负荷的方法有:中空玻璃间层采用氩气或真空,玻璃表面镀膜,电加热防凝露,控制冷柜高度,三层玻璃取代双层玻璃。其中,惰性气体替代空气、玻璃表面镀膜2种方法整机热负荷减小率较大,节能效果较为显著。使用惰性气体,工艺上容易获得,且成本较低,但其防凝露效果不如电加热法和表面镀膜法,玻璃表面镀低辐射膜能耗低、效果好,但其成本较高。一般采用结构改进或材料配方优化方式可有效改善门封优化性能,虽然该部位的优化对整机热负荷的影响较小,但其优化成本较低,可在冷柜、冰箱企业内推广。若综合优化箱体、玻璃门和门封绝热性能,整机热负荷减小4.58%~20.50%。 图3 封闭式中空玻璃门冷柜绝热性能提高方法 对于敞开式风幕冷柜,减小风幕热负荷的方法有:调节射流速度使风速由内向外线性递减,单层风幕改为双层风幕,回风口外侧设置垂直挡板,隔板前加风幕导流板,货架中设置风道(见图5)。可将以上方法归纳为2个方面:一方面是风幕参数,例如射流速度分布、风幕层数;另一方面是柜体结构,利用柜体结构调整风幕流向。射流速度分布可通过改变出风口截面尺寸或增加整流板实现,柜体结构的改进也相对容易。 图4 敞开式风幕冷柜绝热性能提高方法 展望 商用冷柜的需求不断增长,随着国内外对商用冷柜的能效要求越来越高,提高绝热性能是永恒的话题: 1)未来保温材料的发展,一方面是新型复合发泡技术的研发,汲取现有材料和技术优势,开发兼具节能、环保和经济的多元混配材料。另一方面,VIP板具有生产成本高、稳定性差及寿命待认证等缺陷,因此VIP板的性能研究、低成本化是未来热点。 2)研究人员多采用数值模拟方法对风幕性能进行分析,但现有仿真模型具有局限性,不能同时保证冷柜各部位的仿真效果最优,且采用二维稳态模型与实际复杂工况存在一定差距。因此,采用试验与仿真相结合的方法更为精确,可提高风幕性能改进效率。 3)对于常规发泡门冷柜,TPE门封的推广使用是大势所趋,目前全行业正在为TPE门封胶条生产工艺稳定性和低成本化而努力。 上一篇小科普:冰柜和冷柜的区别?下一篇商用冷柜热负荷分析 |