基于家用冰箱速冻技术的数值模拟及实验研究

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每年都有大量的食品因为得不到有效的保存而被浪费,造成的直接经济损失非常重大。冷冻是食品保存的主要方法。食品的冻结速率越快越有利于食品的保存。近年来,世界各国的学者对于速冻技术的研发投入了大量的精力,但目前新型的一些速冻技术比如高压冷冻技术、超声冷冻技术等的研究依然还处于实验室阶段,无法进行产业上的应用。家用冰箱上采用的速冻技术是传统的鼓风式冷冻方式,食品冻结速率较慢。本文以家用冰箱为研究对象,利用金属导热性能良好的特点,对家用冰箱上的速冻技术进行改进。本文以在冷冻过程中加入带翅片的铝板作为优化措施,设计出一系列的铝板辅助冷冻实验,并在家用冰箱冷冻室内开展速冻技术改进的实验研究工作。建立冰箱冷冻室的三维模型,进行网格划分,利用CFD软件对实验过程中冰箱冷冻室内的流场分布进行模拟计算。通过后处理模拟结果得到不同冷冻方式对于冰箱冷冻室内流场分布的影响并选出最佳冷冻方案。研究结果表明:(1)在M包底部加入带翅片的铝板显著地加速了整个冻结过程:与对照组相比,该方法在冷却阶段可缩短26%的时间,最大结晶区阶段可缩短29%的时间,冷冻阶段可缩短20%的时间,平均表面传热系数分别提高了 42%,47%和31%。在M包底部垫加铝板,造成了 M包左右两侧冷空气的抬升,有助于M包表面的对流换热,并且导致M包上方的温度梯度比较均匀,明显提高了M包的冷冻速率。(2)在M包上部添加铝板对于整个冻结过程冷冻速率的提高并不明显:这种方法只能缩短冷却阶段6%的时间,最大结晶区阶段8%的时间和冷冻阶段4%的时间,平均表面传热系数仅分别提高了 7%,10%和6%。在M包的上部垫加铝板,阻碍了 M包的上表面与冷空气的对流换热,但是铝板的面积和良好的导热性能弥补了 M包对流换热上的不足。(3)在M包上部和底部都垫加带翅片的铝板是所有垫加铝板的实验中对于提升M包的冻结速率最为显著的实验组:对于冷却阶段、最大结晶区阶段和冷冻阶段的时间分别缩短了 34%、31%和20%,平均表面传热系数则分别提高了 57%、50%和26%。这种方法虽然对M包冷冻效果的加速最为明显,但是阻碍了 M包周围冷空气的上下流动,造成冰箱冷冻室内温度分布的不均匀。(4)稳态数值模拟结果表明,当冰箱冷冻的对象热量较高时,上、下铝板冷冻的换热效果最好;当冰箱冷冻的对象热量较低时,底部垫加铝板换热效果与上、铝板相差不大。考虑到一般家用冰箱冷冻室内冷冻的食品热量不高,以及耗材等因素,因此选取底部垫加铝板是最优冷冻方案。
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