В холодильных витринах открытого-типа воздушная завеса в первую очередь разделяет воздух внутри и снаружи витрины, играя решающую роль в предотвращении проникновения внешнего тепла. Производительность воздушной завесы также существенно влияет на распределение температуры и скорости внутри шкафа. Исследователи в основном сосредотачиваются на двух аспектах: механизмах потока и теплопередачи воздушной завесы, а также оптимизации воздушной завесы.
1. Механизмы потока и теплопередачи воздушной завесы.
Механизмы потока и теплопередачи воздушной завесы связаны не только со скоростью выхода воздушной завесы, температурой и начальной интенсивностью турбулентности, но также зависят от пространственной плавучести и внешних факторов окружающей среды, что делает влияющие факторы весьма сложными. После выхода воздушной завесы из сопла она разделяется на две области: начальную и основную. В первом случае скорость центрального потока остается постоянной, а во втором – уменьшается. Поскольку начальная длина сечения и вихревая вязкость обеих областей тесно связаны с начальной интенсивностью турбулентности, эти две разные области необходимо учитывать при расчете вертикальных струй. Другие исследователи разделили поток воздушной завесы на три различные области: область выхода, область развития и область возврата воздуха, причем их уплотняющие способности последовательно уменьшаются. На первые две области в основном влияет скорость выхода воздуха из воздушной завесы, а на третью область в основном влияет конструкция выпускного отверстия возвратного воздуха из воздушной завесы. В зоне выхода скорость потока воздушной завесы высокая и направленная; начальная точка и направление потока в регионе развития в основном зависят от региона выхода; и направление потока в зоне рециркуляционного воздуха значительно искажается под влиянием всасывающего эффекта выпускного отверстия рециркуляционного воздуха. Вычислительная гидродинамика (CFD) — это эффективный метод улучшения конструкции холодильного оборудования и оптимизации поля внутреннего потока, позволяющий моделировать подробные поля температуры и потока внутри области потока. Некоторые ученые смоделировали скорость организации воздушного потока и распределение температуры внутри холодильного склада с использованием технологии CFD, предоставив теоретические основы для оптимизации настроек вентилятора и размещения товаров в холодильном складе. Чжао Синьсинь и др. с помощью численного моделирования изучили влияние направляющих в отсеках грузовиков-рефрижераторов на распределение температуры внутри отсека, предоставив теоретическое руководство по оптимизации производительности грузовиков-рефрижераторов с одним-испарителем и несколькими-температурными зонами.
В последние годы технология CFD широко используется в холодильных витринах. Ю Кежи и др. использовал двух-модель для численного моделирования воздушной завесы вертикальной витрины. По сравнению с моделью турбулентности K-ε результаты расчетов этой модели более согласуются с экспериментальными значениями.
2. Оптимизация воздушной завесы
Основными параметрами, влияющими на производительность холодильных витрин, являются сотовая структура, высота воздушной завесы, толщина воздушной завесы и скорость выхода воздуха. Поскольку распределение скорости, интенсивность турбулентности и толщина воздушной завесы тесно связаны со структурой воздуховыпускного отверстия, конструкция воздуховыпускного отверстия витрины является основным фактором, влияющим на производительность воздушной завесы. На практике в выпускном отверстии воздушной завесы часто используется сотовая структура для снижения чрезмерной интенсивности турбулентности. Для достижения соответствующего ослабления турбулентности отношение длины к апертуре сотовой структуры должно быть больше 10.
Схема потока воздушной завесы, образуемая верхней подачей воздуха в шкафу, зависит от таких факторов, как скорость подачи воздуха, высота и толщина воздушной завесы. При высоте завесы 300 мм скорость ветра должна достигать не менее 0,6 м/с; при высоте 800 мм скорость ветра должна достигать 2 м/с для образования устойчивой воздушной завесы с соотношением сторон 1/5. Увеличение толщины воздушной завесы может улучшить способность воздушной завесы герметизировать открытое пространство, но чрезмерная толщина воздушной завесы приведет к потерям холода и увеличению энергопотребления холодильной витрины. Поэтому толщина выходного отверстия воздушной завесы обычно регулируется в пределах от 50 до 80 мм. Некоторые ученые также использовали технологию измерения скорости изображения частиц и технологию инфракрасной визуализации для проведения численного моделирования и экспериментальных исследований характеристик потока воздушной завесы и предложили некоторые эффективные меры по оптимизации воздушной завесы. Цао и др. использовал улучшенную модель двух-жидкостей и модель двух-жидкостей с холодными потерями для численного моделирования теплопередачи и потока воздушной завесы и окружающего ее воздуха, рационально оптимизируя воздушную завесу и улучшая производительность витрины.
В настоящее время исследователи в основном сосредоточены на изучении механизмов и численных исследованиях характеристик воздушной завесы холодильных витрин. Однако численное моделирование по-прежнему имеет определенные ограничения в понимании механизмов потока и теплопередачи, а также процесса оптимизации воздушной завесы. Модель струи, модель ламинарного потока, модель напряжения Рейнольдса и модель двух-жидкостей, разработанные в литературе, применимы только к соответствующим конкретным условиям. В частности, в численных расчетах обычно используются двумерные-модели устойчивого-состояния, которые не позволяют изучать более сложные ситуации, приближенные к реальной среде. Поэтому в будущих исследованиях необходимы дальнейшие усовершенствования методов исследования и экспериментальных схем.
