随着食品冷链技术应用越来越广泛,陈列柜作为冷链终端设备越来越受到关注。陈列柜制冷系统的节能优化和柜温稳定性的研究也成为重要的课题。本文在传统立式敞开式陈列柜制冷系统研究的基础上,一方面引用新型的陈列柜制冷系统,利用图论数学方法对制冷系统进行优化设计,提升系统的性能和能效比。另一方面,将半波函数及波形特征值分析应用到陈列柜内食品温度的数值模拟当中,分析不同工况对柜内各食品温度波动的影响,为陈列柜系统优化和食品贮藏品质的提升提供参考依据。通过仿真模拟和试验测试,取得了以下研究成果:1.基于图论方法,对新型组合式超市制冷系统的热力循环进行了图论矩阵描述并建立了数学模型,针对三种不同的制冷系统构建方案以及使用三种不同制冷剂的分别对压缩机组的性能以及各部件的制冷量进行了模拟计算,通过对计算结果的分析得出:在+50oC冷凝温度时,相同系统方案使用R22制冷剂时压缩机组的综合能效比最高,使用R407C次之且压缩机组输入功率最小,使用R404A制冷剂时能效比最低。三种方案中,方案A制冷量基本符合要求,且压缩机组的能效比较高,方案B的冷藏、冷冻陈列柜制冷量偏小,无法达到设计要求,方案C的冷藏、冷冻制冷量则偏大且压缩机组的能效比最低。因此针对给定的冷负荷要求,方案A最符合超市制冷系统的设计要求,另外冷藏压缩机采用同排量双机并联,曲轴箱的油平衡更好、回气分配更均匀,避免了不同排气量压缩机并联时易发生小排气量压缩机缺油的弊端。通过结合图论方法的数值模拟计算和分析,有效地优选出最佳的系统配置方案,大大缩短制冷系统优化设计的时间,减少了不变要的设计成本。2.建立了陈列柜内温度场响应的数学模型和对应的食品温度波动响应的数学模型,将送风响应和周期融霜响应脉冲函数作为初始条件,对陈列柜内的温度场和贮藏的液态食品的波动特性进行了数值模拟计算。模拟计算结果表明:在融霜周期下柜内食品温度的波动幅度要远大于制冷周期下食品温度的波动幅度,对食品的品质影响更为严重,并随着融霜加热时间的增加,各液体食品中心位置的波动时间相应增加,温升峰高也随之增加。柜内液态食品温度的波动由表面到内部前20mm的变化趋势最大,增幅或衰减最快;从内部20mm点到中心(30mm)点的10mm内各特征值变化趋势平缓,幅度变化较小,甚至基本不变。融霜加热时间越短、开停比R越小、食品的含水量越大,其食品内部的温度波动时间越短、波动峰高越小;选择适当的融霜模式、开停比并根据不同食品的含水量来进一步优化陈列柜的运行工况对提高食品的品质是十分有研究价值的。3.提出了联合供冷风陈列柜系统,该系统可实现“制冷系统集中供风”、“引入天然冷源式供风”以及双模供风三种工作模式,可减少陈列柜内柜温波动以及系统能耗,提高系统的能效比。搭建了联合供风式陈列柜系统的试验台,系统可在三种供风工作模式中进行切换,并通过阀门控制和风机变频对两台柜体的送风风速进行有效调节,同时也与传统陈列柜系统进行了对比试验。对比分析了联合供风式陈列柜采用制冷系统模式与传统陈列柜的融霜周期,考察了送风速度对联合供风式陈列柜柜内温度以及内风幕速度的影响,研究比较了两种工作模式的联合供风式陈列柜与传统成列柜的送风速度和柜内温度分布,对引入天然冷源联合供风式陈列柜的功耗进行了测试,并于传统陈列柜进行了对比。在基于双流体改进模型的陈列柜风幕模型的基础上,本文将集中式送风式陈列柜系统进行了整体模拟,分别计算了送风管和柜体的速度场和温度场分布。并将数值模拟结果和与实测温度结果的进行了验证。联合供风式陈列柜系统采用了大片距蒸发器和大功率融霜电加热,其结霜量和融霜时间显著减少,融霜间隔可以从传统陈列柜的6 h延长到9 h,24 h工作周期内柜内最大温升从4.0oC减少到2.4oC。联合供风式陈列柜系统采用制冷系统供风模式和引入天然冷源模式下,柜内的送风速度分布和温度分布与传统陈列柜相近,均可以正常工作。在寒冷季节,引入天然冷源供风的联合供风式陈列柜相对于传统陈列柜可节约大约43%的能耗,节能效果显著。通过数值模拟可发现两种工作模式下的联合供风式陈列柜内的速度、温度场分布与传统陈列柜有相似之处,在回风口附近柜外空气的卷吸现象明显,柜外环境温度有分层现象。通过对仿真模拟的温度值和试验数据的分析得出,两种供风模式的模拟结果的平均偏差和最大偏差的最大值分别是-0.8oC和0.7oC,计算偏差较小,模拟结果与实测值相符。4.结合仿真模拟方法,对陈列柜制冷系统提出整体的优化策略,一方面研究讨论节省系统的整体能耗,提高能效比的策略,另一方面研究讨论减少柜内贮藏食品温度波动的策略。具体策略如下:对于多元组合式制冷系统,可以对热力循环进行了图论矩阵描述并建立了数学模型,针对不同的制冷系统构建方案进行了模拟计算,输出系统的功耗、能效比以及制冷量等计算结果,通过对计算结果的分析,可以优选出最匹配的系统构建方案。对于联合供风式陈列柜系统和水冷变频单机系统,可以利用图论的最短路径算法,优化管路的路径,减少管路阻力和漏热,达到节约系统能耗,提升能效比的目的,并能节省材料,降低安装成本。通过分析了“制冷系统供风”和“引入天然冷源供风”两种供风模式的优劣,在此基础上确认了双模联合供风方式的必要性,并归纳了联合供风式陈列柜的送风策略,解决受天然冷源区域限制的问题,扩展了联合供风式陈列柜系统在全国的应用范围。通过对仿真模拟结果的分析可知,陈列柜制冷系统的融霜条件和开停比是减少陈列柜内食品温度的波动的重要因素,也是优化策略的最佳对象。优化融霜条件,譬如采用联合供风式陈列柜或者热气(热液)融霜;减小开停比,譬如采用PID温控器、电子膨胀阀和变频压缩机,将会显著减少柜内食品温度的波动,延长食品的储藏时间,提高食品的贮藏品质。最后,作者对本文研究的欠缺点进行了归纳总结,并展望了本课题今后的研究方向和需要深入的内容。