斯特林冰箱的溫度場模擬與實驗研究

　　摘要：與傳統的蒸汽壓縮式制冷機相比，斯特林冰箱具有制冷溫度區間廣、啟動電流低、制冷量易調、效率高，且無制冷劑污染的特點。由于斯特林冰箱在環保節能方面具有明顯的優勢，因而作為冰箱、冷柜，其對于小容量冰箱的冷源具有相當大的優越性。對斯特林冰箱進行了箱體設計，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，將模擬結果與實驗結果進行了比較，得出兩者差值，并對其原因進行了分析。研究發現，箱體內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。

　　關鍵詞：斯特林冰箱;箱體設計;數值模擬;實驗研究;溫度場

　　《能源研究與信息》(季刊)1985年創刊，以及時報導政府在能源領域的新政策、新規劃以及當前國內外常規能源、新能源、節能技術與環境保護等有關方面的研究、開發、應用的最新動態和研究成果為宗旨。

　　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，通過研究發現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部結構進行了分析比較，研究了冰箱內部擱板與蒸發器、門之間的間距，以及內部隔板的導熱系數對冰箱內部溫度分布與流場的影響，提出了優化冰箱內溫度場的方法。韓國LG公司的Kim等采用斯特林制冷循環對60L的冰箱制冷，使冰箱內溫度保持在273K，結果顯示該系統相對于蒸汽節流制冷系統節能25%。牛津大學的Green等對使用了熱虹吸系統對冷頭和熱端傳熱的自由活塞斯特林制冷機系統進行研究，結果顯示該系統比傳統的制冷設備節能17%。以往對于冰箱溫度場的研究主要針對制冷技術領域，對常用的保存食物的冰箱進行分析。隨著技術的發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，因而無節流系統和蒸發器。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的整體效率具有極大的影響。為了有效提高冰箱系統的制冷效率，有必要對冷量傳遞技術進行詳細的分析。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部，其優點在于結構簡單，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，由聚氨酯均勻發泡和真空絕熱板構成，箱體內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增加散熱風扇，從而提高制冷效果。小型斯特林冰箱實物圖如圖2所示。

　　本實驗臺系統原理圖如圖3所示。該實驗臺由斯特林制冷機、實驗箱體、數據采集儀、散熱風扇等部件構成。

　　1.2實驗過程

　　圖4為熱電偶測量布點圖。分別在箱體外側和內側取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，并連接至數據采集模塊相應的通道;②將數據采集模塊插入安捷倫數據采集儀中，打開采集儀并設置好各通道參數;③按照圖3連接各實驗設備;④連接儀器并配置各通道參數;⑤連接制冷機電源，開啟制冷機，同時開始數據采集與記錄。

　　1.3實驗結果及數據分析

　　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內箱體外壁溫度變化較小，并在10h后趨于穩定。通過實驗發現，箱體外壁溫度略低于環境溫度，這說明箱體保溫性能較好。

　　圖6為實驗箱體內部溫度變化。由于編號為105～109測點的溫度變化曲線近似，此處對于箱體內壁溫度僅給出了編號為105的測點溫度變化趨勢。箱體內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。

　　2斯特林冰箱的模擬分析

　　2.1實驗箱體環境設定及參數設置

　　圖7為箱體模型示意圖。該保溫箱體內膽尺寸為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，內側為真空絕熱板，外側為聚氨酯發泡保溫材料。環境溫度為293K，控制箱內溫度為243K，滿足箱體傳熱負荷<20W的要求。

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

　　2.2模擬結果及分析

　　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對箱體進行網格劃分，并對網格進行質量檢查，建立合適的網格。圖8為箱體模型網格建立示意圖。網格劃分完成后，設定相應材料的物性參數，設定相應的邊界條件為：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：通過實驗測溫系統測量箱體各個外表面的溫度;箱體內開孔處冷源溫度設定為一定值，即冷頭溫度。通過迭代法對所設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為箱體內腔溫度場分布情況。

　　3實驗與模擬結果的對比分析

　　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果。表2為各測點實驗結果與模擬結果的比較。

　　通過比較分析發現，模擬結果比實驗結果偏低。這是受實驗環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，導致制冷機產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的微小變化等。

　　從圖9中可見，箱體內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，冷頭表面結霜，熱阻增大，使冷量在箱體內不能有效地傳遞。因此，在今后的研究中，應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，避免結霜。

　　4結論

　　本文根據斯特林冰箱的實際特點和物理模型模擬的相關要求，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據構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。對測點的實驗結果和模擬結果進行比較、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。溫度分布不均勻對一些溫度要求較高的物品儲存不利。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問題。