斯特林冰箱的溫度場模擬與實驗研究

王彬 祁影霞 李慧

摘要：與傳統(tǒng)的蒸汽壓縮式制冷機相比，斯特林冰箱具有制冷溫度區(qū)間廣、啟動電流低、制冷量易調(diào)、效率高，且無制冷劑污染的特點。由于斯特林冰箱在環(huán)保節(jié)能方面具有明顯的優(yōu)勢，因而作為冰箱、冷柜，其對于小容量冰箱的冷源具有相當(dāng)大的優(yōu)越性。對斯特林冰箱進行了箱體設(shè)計，并在制冷溫度為193K時對冰箱箱體進行了布點，測量冰箱溫度場變化，并運用Fluent軟件對冰箱的溫度場進行了模擬，將模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進行了比較，得出兩者差值，并對其原因進行了分析。研究發(fā)現(xiàn)，箱體內(nèi)部存在一定的溫度梯度，制冷冷端面積較小，不利于冷量的傳遞。

關(guān)鍵詞：斯特林冰箱;箱體設(shè)計;數(shù)值模擬;實驗研究;溫度場

中圖分類號：TB657.4文獻標(biāo)志碼：A

在冰箱溫度場的研究方面，吳小華等針對冰箱冷藏室和冷凍室的排布問題，通過研究發(fā)現(xiàn)冷凍室與下冷藏室更加有助于食品的儲藏以及降低冰箱的能耗;丁國良等針對不同型式冰箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行了分析比較，研究了冰箱內(nèi)部擱板與蒸發(fā)器、門之間的間距，以及內(nèi)部隔板的導(dǎo)熱系數(shù)對冰箱內(nèi)部溫度分布與流場的影響，提出了優(yōu)化冰箱內(nèi)溫度場的方法。韓國LG公司的Kim等采用斯特林制冷循環(huán)對60L的冰箱制冷，使冰箱內(nèi)溫度保持在273K，結(jié)果顯示該系統(tǒng)相對于蒸汽節(jié)流制冷系統(tǒng)節(jié)能25%。牛津大學(xué)的Green等對使用了熱虹吸系統(tǒng)對冷頭和熱端傳熱的自由活塞斯特林制冷機系統(tǒng)進行研究，結(jié)果顯示該系統(tǒng)比傳統(tǒng)的制冷設(shè)備節(jié)能17%。以往對于冰箱溫度場的研究主要針對制冷技術(shù)領(lǐng)域，對常用的保存食物的冰箱進行分析。隨著技術(shù)的發(fā)展和研究的不斷深化，人們要求制冷溫度越來越低。本文針對市場需求，對低溫領(lǐng)域的冰箱溫度場進行分析，并對斯特林冰箱溫度場進行研究。

1實驗研究

1.1實驗裝置簡介

斯特林冰箱與傳統(tǒng)冰箱有極大的不同。斯特林冰箱采用整體式自由活塞斯特林制冷機作為冷源，其原理是氦氣膨脹制冷，因而無節(jié)流系統(tǒng)和蒸發(fā)器。斯特林制冷機冷頭至冰箱的冷量傳遞效率對斯特林冰箱系統(tǒng)的整體效率具有極大的影響。為了有效提高冰箱系統(tǒng)的制冷效率，有必要對冷量傳遞技術(shù)進行詳細(xì)的分析。直接式冷量傳遞方式是將斯特林制冷機的冷頭直接伸入冰箱內(nèi)部，其優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單，是一種簡單、基本的冷量傳遞方式。直冷型斯特林冰箱示意圖如圖1所示。

本實驗采用直冷式斯特林冰箱。斯特林冰箱箱體由底座、外殼及保溫材料組成，其底座主要由保溫材料組成。斯特林冰箱箱體采用拼接成型技術(shù)，由聚氨酯均勻發(fā)泡和真空絕熱板構(gòu)成，箱體內(nèi)外由不銹鋼板包裹而成。小型斯特林制冷箱體安裝在箱體人口處。將冷頭伸入箱體內(nèi)部，并將冷頭用保溫材料封死，以提高其保溫效果。在斯特林制冷機外側(cè)增加散熱風(fēng)扇，從而提高制冷效果。小型斯特林冰箱實物圖如圖2所示。

本實驗臺系統(tǒng)原理圖如圖3所示。該實驗臺由斯特林制冷機、實驗箱體、數(shù)據(jù)采集儀、散熱風(fēng)扇等部件構(gòu)成。

1.2實驗過程

圖4為熱電偶測量布點圖。分別在箱體外側(cè)和內(nèi)側(cè)取5個點，編號分別為110～114和105～109。各點分別接入熱電偶，實驗環(huán)境溫度為外界溫度293K。

具體實驗過程為：①用鋁箔紙膠帶將已編號的熱電偶敷在各測量布點上，并連接至數(shù)據(jù)采集模塊相應(yīng)的通道;②將數(shù)據(jù)采集模塊插入安捷倫數(shù)據(jù)采集儀中，打開采集儀并設(shè)置好各通道參數(shù);③按照圖3連接各實驗設(shè)備;④連接儀器并配置各通道參數(shù);⑤連接制冷機電源，開啟制冷機，同時開始數(shù)據(jù)采集與記錄。

1.3實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

圖5為實驗箱體外壁編號為110的測點溫度變化。從圖中可以看出，在14h內(nèi)箱體外壁溫度變化較小，并在10h后趨于穩(wěn)定。通過實驗發(fā)現(xiàn)，箱體外壁溫度略低于環(huán)境溫度，這說明箱體保溫性能較好。

圖6為實驗箱體內(nèi)部溫度變化。由于編號為105～109測點的溫度變化曲線近似，此處對于箱體內(nèi)壁溫度僅給出了編號為105的測點溫度變化趨勢。箱體內(nèi)部溫度隨時間增加逐漸降低，中間略有幾次回升，并且溫度測點距離冷頭越近，溫度越低，箱體內(nèi)溫度差在20℃左右，溫度梯度較大，可能與小型低溫制冷機的安放位置有關(guān)。

2斯特林冰箱的模擬分析

2.1實驗箱體環(huán)境設(shè)定及參數(shù)設(shè)置

圖7為箱體模型示意圖。該保溫箱體內(nèi)膽尺寸為300mm×200mm×300mm，材料為1mm厚度不銹鋼;外殼尺寸為400mm×300mm×400mm，材料為2mm厚度不銹鋼，保溫層厚度為60mm，內(nèi)側(cè)為真空絕熱板，外側(cè)為聚氨酯發(fā)泡保溫材料。環(huán)境溫度為293K，控制箱內(nèi)溫度為243K，滿足箱體傳熱負(fù)荷<20W的要求。

由于物理模型的復(fù)雜性，在實際模擬過程中假定箱體內(nèi)空氣流動形式為穩(wěn)定層流和非邊界流動;箱體內(nèi)流體為牛頓流，空氣不可壓縮，所有固體的密度、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、黏度均為定。表1為斯特林冰箱各種材料模擬參數(shù)。

2.2模擬結(jié)果及分析

采用三維繪圖軟件建立斯特林冰箱箱體模型，利用ANSYS Fluent14.5前處理軟件ICEMCFD 14.5對箱體進行網(wǎng)格劃分，并對網(wǎng)格進行質(zhì)量檢查，建立合適的網(wǎng)格。圖8為箱體模型網(wǎng)格建立示意圖。網(wǎng)格劃分完成后，設(shè)定相應(yīng)材料的物性參數(shù)，設(shè)定相應(yīng)的邊界條件為：①流動邊界條件：所有固體邊界面上流體滿足無滑移邊界條件;②熱邊界條件：通過實驗測溫系統(tǒng)測量箱體各個外表面的溫度;箱體內(nèi)開孔處冷源溫度設(shè)定為一定值，即冷頭溫度。通過迭代法對所設(shè)定模型進行求解計算，最終得到箱體模型的溫度場分布。圖9為箱體內(nèi)腔溫度場分布情況。

3實驗與模擬結(jié)果的對比分析

在斯特林冰箱溫度場的實驗研究中，對各測點溫度進行了測量，并且對箱體內(nèi)空氣溫度場進行了有限元分析，得到各測點溫度的模擬計算結(jié)果。表2為各測點實驗結(jié)果與模擬結(jié)果的比較。

通過比較分析發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果比實驗結(jié)果偏低。這是受實驗環(huán)境以及模型材料加工工藝所限制。對箱體而言，箱體加工工藝存在技術(shù)問題;盡管箱體凈容積不大，但由于小型制冷機的冷頭散熱面積偏小，導(dǎo)致制冷機產(chǎn)生的冷量不能很好地傳遞出去;仿真模型的建立過于理想化，未考慮實際流場各物理參數(shù)的微小變化等。

從圖9中可見，箱體內(nèi)部溫度場分布不均勻。這是由于斯特林制冷機冷頭長時間運行后，冷頭表面結(jié)霜，熱阻增大，使冷量在箱體內(nèi)不能有效地傳遞。因此，在今后的研究中，應(yīng)著重研究斯特林冰箱冷頭的傳遞方式，并且對箱體進行真空處理，避免結(jié)霜。

4結(jié)論

本文根據(jù)斯特林冰箱的實際特點和物理模型模擬的相關(guān)要求，建立斯特林冰箱箱體模型并利用ANSYS Fluent軟件進行模擬分析計算，最終得到箱體內(nèi)腔的溫度場分布。采用直冷式斯特林冰箱為實驗主體，通過熱電偶布點采集數(shù)據(jù)構(gòu)建斯特林冰箱箱體溫度場測量實驗臺，獲得溫度場變化曲線。對測點的實驗結(jié)果和模擬結(jié)果進行比較、分析。在水平方向上，遠離冷頭的方向溫度逐漸升高;在垂直軸線上，空氣溫度變化不大，溫度分布較為均勻。溫度分布不均勻?qū)σ恍囟纫筝^高的物品儲存不利。為了減少溫差，可以將斯特林制冷機的冷頭放置于箱體的中間部分，采用熱管傳輸冷量，需保證箱體的保溫效果，采用氣凝膠解決真空絕熱板與聚氨酯板的黏結(jié)問題。