中小型商用制冷设备的绝热性能技术&智能化管理

        中小型商用制冷设备的技术发展趋势主要包括3个方面：一是减少用冷需求，增强设备绝热性能；二是制冷系统的优化，如循环流路的改进、系统部件的性能优化及新型制冷剂的应用等；三是智能化管理系统的应用。

      今天我们来看一看中小型商用制冷设备的隔热技术发展趋势。

1、设备绝热性能提升技术

1.1  箱体保温技术

中小型商用制冷设备热负荷分为2部分：降温过程的动态热负荷和恒温过程的稳态热负荷，主要为箱体漏热，其与保温材料及加工有关。箱体本身的保温性能提升是减小热负荷的重中之重，也是减小箱体内部温度波动的关键。

通过平壁的传热系数计算公式为

式（1）中： k  为总传热系数（W/(m ² ·K)）； α  _in 和 α  _out 分别为内、外表面对流换热系数（W/(m ² ·K)）； δ  为厚度（m）； λ  是材料导热系数（W/(m·K)）。

由此可见，增加保温层厚度和寻求导热系数更低的保温材料是提高箱体保温技术的两大途径。保温层越厚，漏热量越少，但是材料成本高，且影响箱体内部有效容积，因此保温层厚度的增加受限制。国内中小型商用制冷设备保温材料主要采用硬质聚氨酯发泡，因其含氟化物，会破坏臭氧层，近年来出现了一些聚氨酯发泡剂的替代产品，如烷烃（环戊烷）、HFC类（R245fa和R365mfc）以及LBA（反式-1-氯-3，3，3-三氟丙烯）等。其中，VIPs（vacuum insulation panels，真空绝热板）由于保温效果好备受关注。

VIPs是真空保温材料中的一种，由填充芯材与真空保护表层复合而成，它可以有效避免空气对流引起的热传递，导热系数为0.002~0.004 W/（m·K），为传统保温材料导热系数的1/10。冷柜采用VIPs隔热，可以节能10%~30%，并且有效容积可以增加20%~30%。虽然VIPs保温效果好，但其成本较高，在应用过程中多与传统的保温材料结合使用（图1）。

图1  聚酯氨发泡层嵌入VIPs

保温层厚度在箱体不同位置的分布很重要。例如可采用拉格朗日多项式建立不同约束条件下的漏热最小目标函数；建立COP与不同位置厚度分布的关系式求解最优箱体厚度，在串并联与并联双系统冰箱中采用最优箱体厚度算法可以分别节能5.7%和6.1%。箱体结构的改进，即减少箱体各部分之间的连接，可减小“冷桥”的发生，也是增强箱体保温的重要手段之一。

此外，对于采用透明玻璃门的箱体，由于玻璃门的传热系数较高，不仅造成箱体热负荷高，而且在玻璃门表面容易出现结露现象，影响展示效果。目前，常采用的玻璃门材料有中空玻璃、双中空玻璃及Low-E中空玻璃，适用于仅有冷藏功能的箱体,对于要实现冷冻功能的箱体，一般采用真空玻璃。

1.2  密封加强技术

门封是一种用在冰箱门体和箱体之间的可拆卸冰箱 密封配件，

其功能为阻止箱体内外空气的交换。门封部位引起的热负荷占设备总热负荷的15%左右：

一是以传导、对流和辐射形式引起的传热热负荷；

二是通过磁条安装面和卡槽安装面的间隙进行空气交换引起的传质热负荷。

门封的 密封和绝热效果的好坏直接影响冰箱的使用性能和能耗大小。其中，因吸合力不同，冰箱与冷柜的门封结构略有不同。冰箱、陈列柜等立式门体制冷装置的门封由两部分组成，一部分是胶条，大多为软质聚氯乙烯（SPVC），另一部分是与箱体相互吸引的磁条，门封处于拉伸状态，装配结构如图2（a）所示。

卧式冷柜等制冷设备的门封密封作用力由门体本身的重力提供，门封处于压缩状态，装配结构如图2（b）所示，冷柜门封多为热塑性弹性体材料（TPE）。

图2 门封与冰箱安装截面

  门封材料  

材料是决定门封性质的关键因素，也是门封生产厂 家的核心技术。国外暂无公开文献，国内公开发表的论文单位均为企业。门封胶条用料粒配方主要由胶料、填料、增塑剂、热稳定剂、颜料和其他助剂组成，磁条主要原料是磁粉，配方的优化也是围绕上述几个成分的变化对力学性能、迁移性性能影响展开的。此外，还要满足欧盟法规REACH和RoHS的规定，对人体和环境无害。本文仅展示3篇代表性文献，如下表所示。

一直以来，PVC（聚氯乙烯）都是门封条采用的主要材料，经过十几年的技术完善，基于PVC的密封技术更是趋于成熟，被企业广泛应用。但是PVC材料质地硬、含有卤素，限制了其使用范围。针对此问题，除了采用NBR（丁晴橡胶）改性PVC提高材料的低温弹性，触感柔软、不含有卤素且不会随着时间变硬的TPE（热塑性弹性体）成为业界呼声最高的材料。

如图3所示，门封基础结构为平直型。为适应不同箱体与门体的配合间隙，门封的结构不断改变，主要为改变气囊结构、增加辅助气囊和飞边、减小胶条厚度。几十年来，门封从单一的平直结构逐渐衍生到复杂的各向异性结构，其密封效果越来越好，但是对生产模具的要求越来越高。因作用力不同，立式设备与卧式设备的门封结构略有不同。陈列柜、饮料柜、酒柜等立式门体制冷装置的门封由2部分组成：一部分是门封主体，大多为软质聚氯乙烯（SPVC）；另一部分是与箱体钢板相互吸引的磁条。卧式冷柜等制冷设备的门封密封作用力由门体本身的重力提供，多为热塑性弹性体材料（TPE）。

图3  门封截面

1.3  敞开式柜体风幕技术 

为方便消费者直接接触、购买商品，超市、商店中通常设有储存食品的敞开式陈列柜及饮料柜，采用风幕技术减少敞口处与外界环境之间的热、湿交换。该类冷柜与封闭式冷柜相比，能耗较高，有研究表明柜内50%~70%的冷量通过风幕而损失，即该类冷柜的制冷效果与能耗水平受风幕特性的影响较大。研究人员通常采用CFD与试验研究相结合的方式为风幕的优化设计提供依据，利用CFD模拟计算流场、温度场，数字粒子图像测速仪测试流场，热成像仪测试温度场。

风幕的流动与换热受射流速度、射流温度、射流初始紊流度、风幕宽度等的影响。常见风幕优化措施有：立式敞开式陈列柜采用双层（或三层）风幕设计可提高风幕的隔热效率；采用高效蜂窝式出风口，使风幕气流平稳且均匀，减弱环境空气与柜内冷气之间的换热，同时可减少风机风量；保证最小当量直径；卧式陈列柜易受环境辐射热的影响，使风幕气流略带波动可减少陈列商品表面的辐射热。

2 、智能化管理系统

冷链物流过程环节多、时间长、路程远，随着工业物联网、人工智能、大数据等新兴技术的兴起，“智慧冷链”势在必行。中小型商用制冷设备作为冷链物流的末端环节，其智能化水平直接影响客户体验度。中小型商用制冷设备的智能控制除现场控制器外，通常采用云服务器后台管理数据和发送命令，现场控制器与云服务器间采用无线网络，无线网络的稳定性是保证数据传输及时性的关键。

智能化管理系统在中小型商用制冷设备中有如下应用：

1）就冰箱而言，越来越多地配备了内置摄像模块，通过内置摄像头，可对食材进行识别，记录最佳赏味期限，数据将被人工智能学习，再经由显示屏主动预警提醒，可以帮助用户轻松管理食材。如厨房冰箱可自动生成营养菜谱，打造自己的健康菜品库。

2）智能商用冷柜以终端体验作为产品先导，结合互联网发展，实现商用冷柜的无人化管理和智能化操作，极大方便了终端用户的管理和使用。如把电子芯片安装在商用冷柜上，可以实现与互联网管理数据库的连接，还可以自动进行数据检测分析、数据定时上传与实时查询。

3）智慧零售依靠的是大量智能化技术，可以通过RFID（射频识别）、图像识别等技术实现店铺的自动盘点、智能补货、过期商品回收、智能仓储管理、自动出库、智慧物流、自动分拣、智能供应链管理等，运营商可以实现更加精确的销售及库存管理，具有实时监控功能，运营负责人能够随时通过后台或手机移动端查看运营、运维相关数据。对于消费者，在小区里的蔬菜生鲜售货机就可购买水果蔬菜、冷冻肉类和速冻食品。

4）智能酒柜是一种安装了相应开放式操作系统的普通酒柜，通常配备的智能硬件设备有摄像头、WIFI（无线网）、RFID阅读器、二维码扫描器，可自动进行酒柜模式调换，使葡萄酒始终保持在最佳存储状态，用户通过远程监控可以随时随地了解酒柜中葡萄酒的数量、湿度温度信息，可查看每瓶葡萄酒的详细信息。

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