冷藏陳列櫃

隨著社會經濟的飛速發展和人們生活水平的不斷提高，方便、安全、衛生、營養的冷凍冷藏食品受到越來越多人的青睞，使其生產和銷售得到迅速發展。為了保證冷凍冷藏食品以良好的品質供應消費者，必須建立起一條從生產、儲藏、運輸、銷售到消費者等各個環節的完整的食品冷鏈過程。影響食品冷藏陳列櫃的食品品質和能耗的因素眾多，如外界環境溫濕度、光照、風幕結構、製冷系統、背風板結構、擱架性能、櫃體的隔熱性能等。這些因素對系統的能耗、櫃內食品溫度的分佈均勻性、融霜期間的食品溫度的回升等有著重要的影響。近些年，國內外學者對食品冷藏陳列櫃的風幕性能、溫濕度影響、結霜融霜特性、結構優化、製冷系統、相變蓄冷材料的應用等方面開展了大量的研究工作，對於促進食品冷藏陳列櫃的發展，提高食品品質和節能降耗有著非常重要的意義。

對於敞開式食品冷藏陳列櫃，風幕主要是將櫃內外空氣隔開，對隔絕外界熱量的滲透有著重要的作用，同時風幕性能對櫃內溫度和速度分佈也有較大影響。研究者主要從風幕流動及換熱機理和風幕優化兩個方面來展開。

1、風幕流動及換熱機理

風幕流動及換熱機理不僅與風幕出口速度、溫度、初始紊流強度有關，同時還受空間湍浮力，櫃外環境因素的干擾，影響因素比較複雜。風幕從噴嘴流出后，分為初始段和主流段兩個區域，前者中心流的速度不變，後者中心流的速度在減弱。由於兩個區域的初始段長度和渦旋粘度都與初始紊流強度有密切關係，因此對垂直射流的求解，需要考慮這兩個不同區域。另有研究者將風幕流動分為出口區、發展區和迴風區3個不同的區域，其封閉能力依次遞減，前2個區域主要受風幕出風口速度的影響，而第3區域主要受風幕迴風口結構的影響。其中出口區的風幕流動速度高，方向性強，發展區的流動起始點和發展方向主要受出口區的影響，而迴風區在迴風口抽吸作用的影響下其流動方向會出現較大的扭曲。計算流體力學（CFD）是用於改進位冷設備結構和優化內部流場的有效技術，可以模擬出流動區域內精細的溫度場、流場等。一些學者通過CFD技術模擬了冷庫內部氣流組織速度和溫度分佈，為優化風機設置和冷庫內貨物的擺放提供了理論參考。趙鑫鑫等通過數值模擬研究了冷藏車廂體導軌對廂內溫度分佈的影響，為單蒸發器多溫區冷藏車性能優化提供了理論指導。

近些年來，CFD技術在冷藏陳列櫃中已得到廣泛應用。余克志等採用雙流體模型對立式陳列櫃風幕進行了數值模擬，相比K－ε紊流模型，該模型的計算結果與試驗值更加吻合。

2、風幕優化

影響食品冷藏陳列櫃性能的主要參數包括蜂窩結構、風幕高度、風幕厚度、出風口速度等。而由於出風口的速度分佈、出風口的紊流強度、風幕厚度都與出風口的結構密切相關，所以陳列櫃出風口的結構又是影響風幕性能的主要因素。在實際應用中，風幕出風口常採用蜂窩結構來減弱過大的紊流強度，要想使紊流強度有適宜的衰減，其蜂窩結構的長度與孔徑之比應大於10。

櫃體頂部送風形成的風幕流態與送風速度、高度及風幕厚度等因素有關，當風幕高度為300mm時，風速至少達到0.6m/s，高度為800mm時，風速需達到2m/s，這樣才能形成寬高比為1/5的穩定風幕。增大風幕厚度，可以提高風幕封閉敞口的能力，但風幕厚度過大會造成冷量損失，增加冷藏陳列櫃能耗，因此，風幕出風口的厚度通常控制在50~80mm。也有學者利用粒子圖像測速儀和紅外成像技術對風幕流動特性進行了數值模擬和試驗研究，提出了優化風幕的一些有效措施。Cao等利用改進的雙流體模型和冷損雙流體模型對風幕及其周圍空氣傳熱和流動進行了數值模擬，對風幕進行了合理優化，提高了陳列櫃性能。

現研究者主要集中在對機理的研究和對冷藏陳列櫃風幕性能數值的研究，然而對數值模擬對於風幕流動及換熱機理和優化過程的認識還具有一定的局限性，文獻中所開發的射流模型、層流模型、雷諾應力模型、雙流體模型等只適用於各自特定的條件。特別地，數值計算時習慣採用二維穩態模型，不能對更加接近實際環境的複雜情況進行研究，因此在以後的研究中需要進一步改進研究方法與試驗方案。

2、環境溫濕度對冷藏陳列櫃的性能影響

室內環境溫濕度的變化，既影響櫃內的溫濕度特性，又影響櫃體製冷系統運行的功率消耗。。在冷藏陳列櫃的所有熱負荷中，滲透熱負荷所佔比例最大，它主要是通過風幕出口射流與櫃外環境空氣間的熱濕交換引起，環境空氣的溫度和相對濕度不僅對冷藏陳列櫃熱負荷影響較大，而且會影響櫃內的食品包溫度。對於卧式敞開式冷藏陳列櫃，環境溫度每升高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冷器對風幕送迴風狀態的影響，結果表明風幕迴風溫度降低5℃，內層風幕的送、迴風相對濕度基本保持不變，外層風幕的送風相對濕度由69%下降到60%，外層風幕的迴風焓值降低21.4%，風幕迴風溫度和焓值的降低可以有效減小陳列櫃熱負荷。傅濤等對陳列櫃有無節能簾進行對比試驗得出，在有節能簾條件下，陳列櫃內平均相對濕度與無節能簾相比升高了5.74%，平均溫度減小了0.43℃，從而節能簾可有效降低櫃內相對濕度和溫度的波動幅度。因此，在超市非營業時間段應拉上節能簾，減小櫃外環境對櫃內食品溫度分佈的影響。

食品冷藏陳列櫃櫃外環境溫濕度對櫃內溫度分佈、速度分佈和陳列櫃熱負荷都有很大的影響。當環境溫度和相對濕度降低時，陳列櫃的耗電量會有所減小，但是會使超市空調系統負荷增大，因此存在一個最佳溫度值和相對濕度值使食品冷藏陳列櫃和超市空調系統的總耗電量最小，還需要進一步深入研究。

冷藏陳列櫃內部結構對風幕流動和櫃內溫度分佈都具有重要的影響。研究者主要從優化背風板和擱架兩個方面分析了其對櫃內溫度分佈和風幕流動的影響。

1、背風板結構的影響

冷藏陳列櫃冷風量一部分送到風幕，一部分通過背風板送風送到櫃內，冷卻櫃內食品，而兩者的風量分配不合理，會增加冷藏陳列櫃的能耗。背風板的出風不合理會加大內外側食品包溫差，同時減弱風幕抵禦外界熱滲透的能力。合理調整背風板的通孔率可改善櫃層與層之間溫度分佈的不均勻性，背風板通孔率通常控制在1%~2%。背風板出風量的70%~80%進入風幕迴風口，在下層擱架處，風幕變厚但風幕強度減弱，需要背風板出風來冷卻外側食品包，同時充分抵禦熱滲透。雖然風幕抵禦熱滲透的作用明顯，但背風板通孔率對櫃內溫度分佈的影響也不容忽視。當風幕和背風板出風量保持在30%~70%的比例時，將有利於保證陳列櫃風幕的穩定性以及櫃體內部速度場和溫度場的均勻性。Wu等分析了背風板通孔率和通孔位置對櫃內內外側食品包溫度的影響，得出陳列櫃各層擱架間背風板通孔位置合理的調整有利於櫃內溫度的均勻分佈，並提出了改進模型，研究認為當背風板的通孔率在2%~3%時，其出風量在30%左右，冷藏陳列櫃的系統性能更好。

2、擱架結構的影響

食品冷藏陳列櫃內部食品的擺放形式、擱架的寬度和安裝位置等會影響到櫃內空氣的流動以及風幕流動的穩定性。將超市裡一般水平擺放食品的方式改為階梯型，可使各層擱架前後食品溫差有所下降。櫃體內部擱架的尺寸和位置對於櫃內溫度分佈、風幕流形和熱負荷具有明顯的影響，擱架的存在可拓展保證風幕穩定的Richardson數範圍以及提高風幕流動的穩定性。為了解決普通擱架傳熱性能差、溫度分佈不均等問題，研究者提出採用中空擱架和在擱架中添加熱管的方法對其進行優化。Clodic等設計了具有換熱效果的中空擱架，並與冷風通道進行連接，新設計的中空擱架有效改善了櫃內空氣流動分佈，提高了櫃內溫度分佈均勻性，但由於該擱架結構較為複雜，擱架安裝的靈活性和成本等均受到了很大的影響，

新設計陳列櫃側視圖見圖。

在食品冷藏陳列櫃的使用中會出現風幕冷量外溢的問題，尤其當風幕出風口速度過大時，在風幕迴風口處會有大量的冷量溢出櫃外而造成能量的浪費，同時會引起購物者身體的不適，形成冷過道效應。一般對冷藏陳列櫃櫃體結構的研究主要針對背風板、擱架和風幕出風口進行，而對風幕迴風口結構的研究較少，因此綜合考慮背風板、擱架、風幕出風口和風幕迴風口等因素對食品冷藏陳列櫃性能的影響具有重要的研究意義。

在冷藏陳列櫃製冷系統中，蒸發器表面結霜現象很常見，霜的產生一方面增加了熱阻，另一方面增加了空氣流動阻力，從而影響蒸發器表面換熱和櫃內溫度分佈。尤其是在低溫高濕環境下，蒸發器的結霜將直接影響蒸發器乃至整個系統的安全與穩定運行。因此，國內外學者對蒸發器結霜和融霜技術進行了大量研究。

1、蒸發器結霜

蒸發器結霜會增加其表面換熱熱阻，降低總傳熱係數，引起風幕出風口的速度降低、櫃內食品溫度升高和陳列櫃運行能耗增加等問題。因此研究蒸發器結霜機理，探索有效地抑制融霜的方法一直備受國內外學者關注。Mao等通過試驗研究發現以鉀酸鹽為載冷劑的間接製冷系統，其換熱器上的結霜較R404A製冷劑系統更加均勻、集中，使得融霜時間大大縮 短，從而降低了陳列櫃的融霜冷負荷。研究者提出了在蒸發器前增加減濕預冷器的方法，試驗結果表明，此方法提高了風幕的封閉能力，延長了融霜時間，對保證食品的品質和安全起到了重要作用。袁培採用4組並聯蒸發器模塊代替整體式蒸發器，在融霜期間模塊化蒸發器依次融霜，保證了蒸發器在融霜時，仍有蒸發器在製冷，從而有效地減小融霜期間食品溫度的波動。

2、蒸發器融霜技術

冷藏陳列櫃具有多種不同的融霜方式。合理的融霜方式應該是在陳列櫃融霜期間櫃內溫度回升較小、對食品品質及環境的影響較小。不同的融霜方式有其各自的優缺點。Faramarzi指出在電加熱融霜過程中只有15%的熱量用於蒸發器表面融霜，其餘熱量散入到陳列櫃內部，從而增加了陳列櫃的熱負荷。雖然國內外學者對蒸發器結霜融霜問題進行了大量研究，在降低蒸發器結霜量、延長融霜周期和融霜技術上已有了很大的進步，但是很多還是僅限於單一方面問題的研究，實際上隨著蒸發器表面霜量的增加，其表面換熱熱阻增大使風幕出風口速度降低，從而影響製冷系統的穩定運行，因此將食品冷藏陳列櫃蒸發器與風幕、製冷系統、超市環境耦合等作為一個整體進行綜合分析的研究有待展開。

面對能源日益枯竭的時代背景，節能和可持續發展已成為當今時代的主題。據統計，超市食品冷藏陳列櫃的能耗大約佔到超市總能耗的50%左右。因此，尋找降低冷藏陳列櫃能耗的有效方法，對其製冷系統耗電的影響因素進行研究顯得尤為重要。目前研究者主要從採用多級並聯技術、自然冷源等方面對其進行研究。

1、多機並聯技術

目前，為了降低大型超市製冷系統的能耗、提高其運行效率，學者們提出將傳統的單機製冷系統組合起來，合併成並聯壓縮機組。張華俊等對機組選配問題，提出了多級並聯的觀點，認為並聯機組最佳組合是根據陳列櫃的冷凍能力與冷凍負荷的匹配情況，選擇合適數量、不同功率的壓縮機，可以減小超市的能耗。

朱興旺等闡述了多機並聯壓縮的節能機理，用4台並聯壓縮機組拖12台陳列櫃與單機拖3台陳列櫃進行了理論分析和試驗比較，結果表明採用並聯機組方式使年耗冷量降低15%~20%，能量調節梯度可小於25%，達到了預期目的。

2、自然冷源

對於食品冷藏陳列櫃高能耗的問題，研究者提出利用寒冷冬季的低溫環境空氣作為冷源向其供冷，通過試驗測試的方法得出，可節約大約44%的能耗。環境送風陳列櫃雖然可以節約大量的電能，但它的應用受限於環境溫度，在此基礎上余克志等提出了新的送風模式—聯合送風，這種送風方式將來自環境的空氣先經過蒸發器進行冷卻，冷卻到陳列櫃所需的風幕出風口溫度后再送入陳列櫃內。這種新的聯合送風方式明顯提高了陳列櫃的能量效率，同時克服了環境送風方式存在的弊端。

3、其它節能措施

耦合節能是綜合考慮多種因素相互影響的結果，如陳列櫃自身結構類型、人員流動干擾、燈光強度等因素對超市陳列櫃能耗性能的影響。呂彥力等僅從超市陳列櫃及空調系統能耗受環境溫濕度的影響進行了試驗研究得出，當冷藏陳列櫃在環境溫度23℃，相對濕度55%的條件下工作時，冷藏陳列櫃及空調製冷系統整體能耗較小。

曹志坤等運用CFD模擬對風幕出口風速和導流板的位置進行優化后與原有結構對比，可分別使陳列櫃節能4.62%和6.29%，總的單位展示面積的每日耗電量減小7.1%。抑制霜層的增長和減小蒸發器迴風口空氣性相對濕度可延長結霜周期，延長結霜周期減小融霜次數，可實現節能。

申江等對中國超市冷凍冷藏陳列櫃的節能問題進行了探討，在國內外學者研究的技術上給出了合理的節能建議，在製冷系統方面，提出提高蒸發溫度、對送風進行濕處理、採用蒸髮式冷凝器等可以減小陳列櫃的能耗；在設計方面，夜簾的使用、融霜系統的改進及變頻技術的應用都會產生較好的節能效果。在食品冷藏陳列櫃的節能優化中，採用通過電腦控制的並聯機組能夠精確控制多台壓縮機的開停，檢測製冷系統運行中出現的故障，同時實現節能的目的，但一般並聯機組在滿負荷情況下運行時效率較低，初投資較大。為了減小超市製冷系統的耗電量，利用寒冷冬季的低溫環境空氣作為自然冷源是今後食品冷藏陳列櫃的發展方向，目前國內外學者對其進行的研究較少。