斯特林冰箱的温度场模拟与实验研究

　　摘要：与传统的蒸汽压缩式制冷机相比，斯特林冰箱具有制冷温度区间广、启动电流低、制冷量易调、效率高，且无制冷剂污染的特点。由于斯特林冰箱在环保节能方面具有明显的优势，因而作为冰箱、冷柜，其对于小容量冰箱的冷源具有相当大的优越性。对斯特林冰箱进行了箱体设计，并在制冷温度为193K时对冰箱箱体进行了布点，测量冰箱温度场变化，并运用Fluent软件对冰箱的温度场进行了模拟，将模拟结果与实验结果进行了比较，得出两者差值，并对其原因进行了分析。研究发现，箱体内部存在一定的温度梯度，制冷冷端面积较小，不利于冷量的传递。

　　关键词：斯特林冰箱;箱体设计;数值模拟;实验研究;温度场

　　《能源研究与信息》(季刊)1985年创刊，以及时报导政府在能源领域的新政策、新规划以及当前国内外常规能源、新能源、节能技术与环境保护等有关方面的研究、开发、应用的最新动态和研究成果为宗旨。

　　在冰箱温度场的研究方面，吴小华等针对冰箱冷藏室和冷冻室的排布问题，通过研究发现冷冻室与下冷藏室更加有助于食品的储藏以及降低冰箱的能耗;丁国良等针对不同型式冰箱的内部结构进行了分析比较，研究了冰箱内部搁板与蒸发器、门之间的间距，以及内部隔板的导热系数对冰箱内部温度分布与流场的影响，提出了优化冰箱内温度场的方法。韩国LG公司的Kim等采用斯特林制冷循环对60L的冰箱制冷，使冰箱内温度保持在273K，结果显示该系统相对于蒸汽节流制冷系统节能25%。牛津大学的Green等对使用了热虹吸系统对冷头和热端传热的自由活塞斯特林制冷机系统进行研究，结果显示该系统比传统的制冷设备节能17%。以往对于冰箱温度场的研究主要针对制冷技术领域，对常用的保存食物的冰箱进行分析。随着技术的发展和研究的不断深化，人们要求制冷温度越来越低。本文针对市场需求，对低温领域的冰箱温度场进行分析，并对斯特林冰箱温度场进行研究。

　　1实验研究

　　1.1实验装置简介

　　斯特林冰箱与传统冰箱有极大的不同。斯特林冰箱采用整体式自由活塞斯特林制冷机作为冷源，其原理是氦气膨胀制冷，因而无节流系统和蒸发器。斯特林制冷机冷头至冰箱的冷量传递效率对斯特林冰箱系统的整体效率具有极大的影响。为了有效提高冰箱系统的制冷效率，有必要对冷量传递技术进行详细的分析。直接式冷量传递方式是将斯特林制冷机的冷头直接伸入冰箱内部，其优点在于结构简单，是一种简单、基本的冷量传递方式。直冷型斯特林冰箱示意图如图1所示。

　　本实验采用直冷式斯特林冰箱。斯特林冰箱箱体由底座、外壳及保温材料组成，其底座主要由保温材料组成。斯特林冰箱箱体采用拼接成型技术，由聚氨酯均匀发泡和真空绝热板构成，箱体内外由不锈钢板包裹而成。小型斯特林制冷箱体安装在箱体人口处。将冷头伸入箱体内部，并将冷头用保温材料封死，以提高其保温效果。在斯特林制冷机外侧增加散热风扇，从而提高制冷效果。小型斯特林冰箱实物图如图2所示。

　　本实验台系统原理图如图3所示。该实验台由斯特林制冷机、实验箱体、数据采集仪、散热风扇等部件构成。

　　1.2实验过程

　　图4为热电偶测量布点图。分别在箱体外侧和内侧取5个点，编号分别为110～114和105～109。各点分别接入热电偶，实验环境温度为外界温度293K。

　　具体实验过程为：①用铝箔纸胶带将已编号的热电偶敷在各测量布点上，并连接至数据采集模块相应的通道;②将数据采集模块插入安捷伦数据采集仪中，打开采集仪并设置好各通道参数;③按照图3连接各实验设备;④连接仪器并配置各通道参数;⑤连接制冷机电源，开启制冷机，同时开始数据采集与记录。

　　1.3实验结果及数据分析

　　图5为实验箱体外壁编号为110的测点温度变化。从图中可以看出，在14h内箱体外壁温度变化较小，并在10h后趋于稳定。通过实验发现，箱体外壁温度略低于环境温度，这说明箱体保温性能较好。

　　图6为实验箱体内部温度变化。由于编号为105～109测点的温度变化曲线近似，此处对于箱体内壁温度仅给出了编号为105的测点温度变化趋势。箱体内部温度随时间增加逐渐降低，中间略有几次回升，并且温度测点距离冷头越近，温度越低，箱体内温度差在20℃左右，温度梯度较大，可能与小型低温制冷机的安放位置有关。

　　2斯特林冰箱的模拟分析

　　2.1实验箱体环境设定及参数设置

　　图7为箱体模型示意图。该保温箱体内胆尺寸为300mm×200mm×300mm，材料为1mm厚度不锈钢;外壳尺寸为400mm×300mm×400mm，材料为2mm厚度不锈钢，保温层厚度为60mm，内侧为真空绝热板，外侧为聚氨酯发泡保温材料。环境温度为293K，控制箱内温度为243K，满足箱体传热负荷<20W的要求。

　　由于物理模型的复杂性，在实际模拟过程中假定箱体内空气流动形式为稳定层流和非边界流动;箱体内流体为牛顿流，空气不可压缩，所有固体的密度、比热、导热系数、黏度均为定。表1为斯特林冰箱各种材料模拟参数。

　　2.2模拟结果及分析

　　采用三维绘图软件建立斯特林冰箱箱体模型，利用ANSYS Fluent14.5前处理软件ICEMCFD 14.5对箱体进行网格划分，并对网格进行质量检查，建立合适的网格。图8为箱体模型网格建立示意图。网格划分完成后，设定相应材料的物性参数，设定相应的边界条件为：①流动边界条件：所有固体边界面上流体满足无滑移边界条件;②热边界条件：通过实验测温系统测量箱体各个外表面的温度;箱体内开孔处冷源温度设定为一定值，即冷头温度。通过迭代法对所设定模型进行求解计算，最终得到箱体模型的温度场分布。图9为箱体内腔温度场分布情况。

　　3实验与模拟结果的对比分析

　　在斯特林冰箱温度场的实验研究中，对各测点温度进行了测量，并且对箱体内空气温度场进行了有限元分析，得到各测点温度的模拟计算结果。表2为各测点实验结果与模拟结果的比较。

　　通过比较分析发现，模拟结果比实验结果偏低。这是受实验环境以及模型材料加工工艺所限制。对箱体而言，箱体加工工艺存在技术问题;尽管箱体净容积不大，但由于小型制冷机的冷头散热面积偏小，导致制冷机产生的冷量不能很好地传递出去;仿真模型的建立过于理想化，未考虑实际流场各物理参数的微小变化等。

　　从图9中可见，箱体内部温度场分布不均匀。这是由于斯特林制冷机冷头长时间运行后，冷头表面结霜，热阻增大，使冷量在箱体内不能有效地传递。因此，在今后的研究中，应着重研究斯特林冰箱冷头的传递方式，并且对箱体进行真空处理，避免结霜。

　　4结论

　　本文根据斯特林冰箱的實际特点和物理模型模拟的相关要求，建立斯特林冰箱箱体模型并利用ANSYS Fluent软件进行模拟分析计算，最终得到箱体内腔的温度场分布。采用直冷式斯特林冰箱为实验主体，通过热电偶布点采集数据构建斯特林冰箱箱体温度场测量实验台，获得温度场变化曲线。对测点的实验结果和模拟结果进行比较、分析。在水平方向上，远离冷头的方向温度逐渐升高;在垂直轴线上，空气温度变化不大，温度分布较为均匀。温度分布不均匀对一些温度要求较高的物品储存不利。为了减少温差，可以将斯特林制冷机的冷头放置于箱体的中间部分，采用热管传输冷量，需保证箱体的保温效果，采用气凝胶解决真空绝热板与聚氨酯板的黏结问题。