[科普中国]-冷藏陈列柜

食品冷藏陈列柜作为食品冷链中的末端设备，对保证食品品质和安全起到了重要作用。食品冷藏陈列柜的种类和型式多种多样，其中敞开式食品冷藏陈列柜不仅可以为食品提供合适的冷藏温度，而且可以展示食品、美化购物环境、刺激消费，经多年的发展，现已成为超市中必不可少的设备。据不全完统计，超市食品冷藏陈列柜的能耗大约占到超市总能耗的50%左右，因此食品冷藏陈列柜的性能好坏，除对食品品质有重要影响之外，对超市的节能也有着重要的影响。

简介随着社会经济的飞速发展和人们生活水平的不断提高，方便、安全、卫生、营养的冷冻冷藏食品受到越来越多人的青睐，使其生产和销售得到迅速发展。为了保证冷冻冷藏食品以良好的品质供应消费者，必须建立起一条从生产、储藏、运输、销售到消费者等各个环节的完整的食品冷链过程。影响食品冷藏陈列柜的食品品质和能耗的因素众多，如外界环境温湿度、光照、风幕结构、制冷系统、背风板结构、搁架性能、柜体的隔热性能等。这些因素对系统的能耗、柜内食品温度的分布均匀性、融霜期间的食品温度的回升等有着重要的影响。近些年，国内外学者对食品冷藏陈列柜的风幕性能、温湿度影响、结霜融霜特性、结构优化、制冷系统、相变蓄冷材料的应用等方面开展了大量的研究工作，对于促进食品冷藏陈列柜的发展，提高食品品质和节能降耗有着非常重要的意义。1

冷藏陈列柜风幕性能对于敞开式食品冷藏陈列柜，风幕主要是将柜内外空气隔开，对隔绝外界热量的渗透有着重要的作用，同时风幕性能对柜内温度和速度分布也有较大影响。研究者主要从风幕流动及换热机理和风幕优化两个方面来展开。

1、风幕流动及换热机理

风幕流动及换热机理不仅与风幕出口速度、温度、初始紊流强度有关，同时还受空间湍浮力，柜外环境因素的干扰，影响因素比较复杂。风幕从喷嘴流出后，分为初始段和主流段两个区域，前者中心流的速度不变，后者中心流的速度在减弱。由于两个区域的初始段长度和涡旋粘度都与初始紊流强度有密切关系，因此对垂直射流的求解，需要考虑这两个不同区域。另有研究者将风幕流动分为出口区、发展区和回风区3个不同的区域，其封闭能力依次递减，前2个区域主要受风幕出风口速度的影响，而第3区域主要受风幕回风口结构的影响。其中出口区的风幕流动速度高，方向性强，发展区的流动起始点和发展方向主要受出口区的影响，而回风区在回风口抽吸作用的影响下其流动方向会出现较大的扭曲。计算流体力学（CFD）是用于改进制冷设备结构和优化内部流场的有效技术，可以模拟出流动区域内精细的温度场、流场等。一些学者通过CFD技术模拟了冷库内部气流组织速度和温度分布，为优化风机设置和冷库内货物的摆放提供了理论参考。赵鑫鑫等通过数值模拟研究了冷藏车厢体导轨对厢内温度分布的影响，为单蒸发器多温区冷藏车性能优化提供了理论指导。

近些年来，CFD技术在冷藏陈列柜中已得到广泛应用。余克志等采用双流体模型对立式陈列柜风幕进行了数值模拟，相比K－ε紊流模型，该模型的计算结果与试验值更加吻合。

2、风幕优化

影响食品冷藏陈列柜性能的主要参数包括蜂窝结构、风幕高度、风幕厚度、出风口速度等。而由于出风口的速度分布、出风口的紊流强度、风幕厚度都与出风口的结构密切相关，所以陈列柜出风口的结构又是影响风幕性能的主要因素。在实际应用中，风幕出风口常采用蜂窝结构来减弱过大的紊流强度，要想使紊流强度有适宜的衰减，其蜂窝结构的长度与孔径之比应大于10。

柜体顶部送风形成的风幕流态与送风速度、高度及风幕厚度等因素有关，当风幕高度为300mm时，风速至少达到0.6m/s，高度为800mm时，风速需达到2m/s，这样才能形成宽高比为1/5的稳定风幕。增大风幕厚度，可以提高风幕封闭敞口的能力，但风幕厚度过大会造成冷量损失，增加冷藏陈列柜能耗，因此，风幕出风口的厚度通常控制在50~80mm。也有学者利用粒子图像测速仪和红外成像技术对风幕流动特性进行了数值模拟和试验研究，提出了优化风幕的一些有效措施。Cao等利用改进的双流体模型和冷损双流体模型对风幕及其周围空气传热和流动进行了数值模拟，对风幕进行了合理优化，提高了陈列柜性能。

现研究者主要集中在对机理的研究和对冷藏陈列柜风幕性能数值的研究，然而对数值模拟对于风幕流动及换热机理和优化过程的认识还具有一定的局限性，文献中所开发的射流模型、层流模型、雷诺应力模型、双流体模型等只适用于各自特定的条件。特别地，数值计算时习惯采用二维稳态模型，不能对更加接近实际环境的复杂情况进行研究，因此在以后的研究中需要进一步改进研究方法与试验方案。

2、环境温湿度对冷藏陈列柜的性能影响

室内环境温湿度的变化，既影响柜内的温湿度特性，又影响柜体制冷系统运行的功率消耗。。在冷藏陈列柜的所有热负荷中，渗透热负荷所占比例最大，它主要是通过风幕出口射流与柜外环境空气间的热湿交换引起，环境空气的温度和相对湿度不仅对冷藏陈列柜热负荷影响较大，而且会影响柜内的食品包温度。对于卧式敞开式冷藏陈列柜，环境温度每升高1℃，食品包温度平均升高0.1~0.3℃，湿度每升高20%，其温度平均升高0.1~0.7℃。张文慧等研究了减湿预冷器对风幕送回风状态的影响，结果表明风幕回风温度降低5℃，内层风幕的送、回风相对湿度基本保持不变，外层风幕的送风相对湿度由69%下降到60%，外层风幕的回风焓值降低21.4%，风幕回风温度和焓值的降低可以有效减小陈列柜热负荷。傅涛等对陈列柜有无节能帘进行对比试验得出，在有节能帘条件下，陈列柜内平均相对湿度与无节能帘相比升高了5.74%，平均温度减小了0.43℃，从而节能帘可有效降低柜内相对湿度和温度的波动幅度。因此，在超市非营业时间段应拉上节能帘，减小柜外环境对柜内食品温度分布的影响。

食品冷藏陈列柜柜外环境温湿度对柜内温度分布、速度分布和陈列柜热负荷都有很大的影响。当环境温度和相对湿度降低时，陈列柜的耗电量会有所减小，但是会使超市空调系统负荷增大，因此存在一个最佳温度值和相对湿度值使食品冷藏陈列柜和超市空调系统的总耗电量最小，还需要进一步深入研究。1

冷藏陈列柜柜体结构冷藏陈列柜内部结构对风幕流动和柜内温度分布都具有重要的影响。研究者主要从优化背风板和搁架两个方面分析了其对柜内温度分布和风幕流动的影响。

1、背风板结构的影响

冷藏陈列柜冷风量一部分送到风幕，一部分通过背风板送风送到柜内，冷却柜内食品，而两者的风量分配不合理，会增加冷藏陈列柜的能耗。背风板的出风不合理会加大内外侧食品包温差，同时减弱风幕抵御外界热渗透的能力。合理调整背风板的通孔率可改善柜层与层之间温度分布的不均匀性，背风板通孔率通常控制在1%~2%。背风板出风量的70%~80%进入风幕回风口，在下层搁架处，风幕变厚但风幕强度减弱，需要背风板出风来冷却外侧食品包，同时充分抵御热渗透。虽然风幕抵御热渗透的作用明显，但背风板通孔率对柜内温度分布的影响也不容忽视。当风幕和背风板出风量保持在30%~70%的比例时，将有利于保证陈列柜风幕的稳定性以及柜体内部速度场和温度场的均匀性。Wu等分析了背风板通孔率和通孔位置对柜内内外侧食品包温度的影响，得出陈列柜各层搁架间背风板通孔位置合理的调整有利于柜内温度的均匀分布，并提出了改进模型，研究认为当背风板的通孔率在2%~3%时，其出风量在30%左右，冷藏陈列柜的系统性能更好。

2、搁架结构的影响

食品冷藏陈列柜内部食品的摆放形式、搁架的宽度和安装位置等会影响到柜内空气的流动以及风幕流动的稳定性。将超市里一般水平摆放食品的方式改为阶梯型，可使各层搁架前后食品温差有所下降。柜体内部搁架的尺寸和位置对于柜内温度分布、风幕流形和热负荷具有明显的影响，搁架的存在可拓展保证风幕稳定的Richardson数范围以及提高风幕流动的稳定性。为了解决普通搁架传热性能差、温度分布不均等问题，研究者提出采用中空搁架和在搁架中添加热管的方法对其进行优化。Clodic等设计了具有换热效果的中空搁架，并与冷风通道进行连接，新设计的中空搁架有效改善了柜内空气流动分布，提高了柜内温度分布均匀性，但由于该搁架结构较为复杂，搁架安装的灵活性和成本等均受到了很大的影响，

新设计陈列柜侧视图见图。

在食品冷藏陈列柜的使用中会出现风幕冷量外溢的问题，尤其当风幕出风口速度过大时，在风幕回风口处会有大量的冷量溢出柜外而造成能量的浪费，同时会引起购物者身体的不适，形成冷过道效应。一般对冷藏陈列柜柜体结构的研究主要针对背风板、搁架和风幕出风口进行，而对风幕回风口结构的研究较少，因此综合考虑背风板、搁架、风幕出风口和风幕回风口等因素对食品冷藏陈列柜性能的影响具有重要的研究意义。2

冷藏陈列柜结霜融霜问题在冷藏陈列柜制冷系统中，蒸发器表面结霜现象很常见，霜的产生一方面增加了热阻，另一方面增加了空气流动阻力，从而影响蒸发器表面换热和柜内温度分布。尤其是在低温高湿环境下，蒸发器的结霜将直接影响蒸发器乃至整个系统的安全与稳定运行。因此，国内外学者对蒸发器结霜和融霜技术进行了大量研究。

1、蒸发器结霜

蒸发器结霜会增加其表面换热热阻，降低总传热系数，引起风幕出风口的速度降低、柜内食品温度升高和陈列柜运行能耗增加等问题。因此研究蒸发器结霜机理，探索有效地抑制融霜的方法一直备受国内外学者关注。Mao等通过试验研究发现以钾酸盐为载冷剂的间接制冷系统，其换热器上的结霜较R404A制冷剂系统更加均匀、集中，使得融霜时间大大缩 短，从而降低了陈列柜的融霜冷负荷。研究者提出了在蒸发器前增加减湿预冷器的方法，试验结果表明，此方法提高了风幕的封闭能力，延长了融霜时间，对保证食品的品质和安全起到了重要作用。袁培采用4组并联蒸发器模块代替整体式蒸发器，在融霜期间模块化蒸发器依次融霜，保证了蒸发器在融霜时，仍有蒸发器在制冷，从而有效地减小融霜期间食品温度的波动。

2、蒸发器融霜技术

冷藏陈列柜具有多种不同的融霜方式。合理的融霜方式应该是在陈列柜融霜期间柜内温度回升较小、对食品品质及环境的影响较小。不同的融霜方式有其各自的优缺点。Faramarzi指出在电加热融霜过程中只有15%的热量用于蒸发器表面融霜，其余热量散入到陈列柜内部，从而增加了陈列柜的热负荷。 虽然国内外学者对蒸发器结霜融霜问题进行了大量研究，在降低蒸发器结霜量、延长融霜周期和融霜技术上已有了很大的进步，但是很多还是仅限于单一方面问题的研究，实际上随着蒸发器表面霜量的增加，其表面换热热阻增大使风幕出风口速度降低，从而影响制冷系统的稳定运行，因此将食品冷藏陈列柜蒸发器与风幕、制冷系统、超市环境耦合等作为一个整体进行综合分析的研究有待展开。2

冷藏陈列柜节能优化面对能源日益枯竭的时代背景，节能和可持续发展已成为当今时代的主题。据统计，超市食品冷藏陈列柜的能耗大约占到超市总能耗的50%左右。因此，寻找降低冷藏陈列柜能耗的有效方法，对其制冷系统耗电的影响因素进行研究显得尤为重要。目前研究者主要从采用多级并联技术、自然冷源等方面对其进行研究。

1、多机并联技术

目前，为了降低大型超市制冷系统的能耗、提高其运行效率，学者们提出将传统的单机制冷系统组合起来，合并成并联压缩机组。张华俊等对机组选配问题，提出了多级并联的观点，认为并联机组最佳组合是根据陈列柜的冷冻能力与冷冻负荷的匹配情况，选择合适数量、不同功率的压缩机，可以减小超市的能耗。

朱兴旺等阐述了多机并联压缩的节能机理，用4台并联压缩机组拖12台陈列柜与单机拖3台陈列柜进行了理论分析和试验比较，结果表明采用并联机组方式使年耗冷量降低15%~20%，能量调节梯度可小于25%，达到了预期目的。

2、自然冷源

对于食品冷藏陈列柜高能耗的问题，研究者提出利用寒冷冬季的低温环境空气作为冷源向其供冷，通过试验测试的方法得出，可节约大约44%的能耗。环境送风陈列柜虽然可以节约大量的电能，但它的应用受限于环境温度，在此基础上余克志等提出了新的送风模式—联合送风，这种送风方式将来自环境的空气先经过蒸发器进行冷却，冷却到陈列柜所需的风幕出风口温度后再送入陈列柜内。这种新的联合送风方式明显提高了陈列柜的能量效率，同时克服了环境送风方式存在的弊端。

3、其它节能措施

耦合节能是综合考虑多种因素相互影响的结果，如陈列柜自身结构类型、人员流动干扰、灯光强度等因素对超市陈列柜能耗性能的影响。吕彦力等仅从超市陈列柜及空调系统能耗受环境温湿度的影响进行了试验研究得出，当冷藏陈列柜在环境温度23℃，相对湿度55%的条件下工作时，冷藏陈列柜及空调制冷系统整体能耗较小。

曹志坤等运用CFD模拟对风幕出口风速和导流板的位置进行优化后与原有结构对比，可分别使陈列柜节能4.62%和6.29%，总的单位展示面积的每日耗电量减小7.1%。抑制霜层的增长和减小蒸发器回风口空气性相对湿度可延长结霜周期，延长结霜周期减小融霜次数，可实现节能。

申江等对中国超市冷冻冷藏陈列柜的节能问题进行了探讨，在国内外学者研究的技术上给出了合理的节能建议，在制冷系统方面，提出提高蒸发温度、对送风进行湿处理、采用蒸发式冷凝器等可以减小陈列柜的能耗；在设计方面，夜帘的使用、融霜系统的改进及变频技术的应用都会产生较好的节能效果。在食品冷藏陈列柜的节能优化中，采用通过电脑控制的并联机组能够精确控制多台压缩机的开停，检测制冷系统运行中出现的故障，同时实现节能的目的，但一般并联机组在满负荷情况下运行时效率较低，初投资较大。为了减小超市制冷系统的耗电量，利用寒冷冬季的低温环境空气作为自然冷源是今后食品冷藏陈列柜的发展方向，目前国内外学者对其进行的研究较少。2

本词条内容贡献者为:

李勇 - 副教授 - 西南大学