流体机械

压缩机型号	制冷量/kW	压缩机功耗/kW	COP
FR6DL	0.46	0.32	1.44
NL6.1MLX	0.50	0.28	1.80

压缩机型号	制冷量/kW	压缩机功耗/kW	COP
FR6DL	0.46	0.32	1.44
NL6.1MLX	0.50	0.28	1.80

毛细管长度/mm	蒸发压力/MPa	蒸发温度/℃	蒸发器出口温度/℃
1 250	0.26	-15.7	-8.7
1 000	0.22	-17.9	-8.3
750	0.28	-13.5	-12.7
550	0.29	-11.3	-10.5

毛细管长度/mm	蒸发压力/MPa	蒸发温度/℃	蒸发器出口温度/℃
1 250	0.26	-15.7	-8.7
1 000	0.22	-17.9	-8.3
750	0.28	-13.5	-12.7
550	0.29	-11.3	-10.5

参数	LPCB-N06	抽屉式模块化制冷系统
24 h实测耗电量/(kW·h)	13.318	15.801
24 h耗电量限定值/(kW·h)	18.036	18.036
能效等级	3	4

参数	LPCB-N06	抽屉式模块化制冷系统
24 h实测耗电量/(kW·h)	13.318	15.801
24 h耗电量限定值/(kW·h)	18.036	18.036
能效等级	3	4

参数	获得方式	测试精度
温度/℃	T型热电偶	±0.4%
数据采集仪	±0.05%
电能/(kW⋅h)	0.5级电能表	±0.5%

参数	获得方式	测试精度
温度/℃	T型热电偶	±0.4%
数据采集仪	±0.05%
电能/(kW⋅h)	0.5级电能表	±0.5%

卧式冷藏陈列柜抽屉式模块化制冷系统研究

农凯飞 ¹ , 沈炜琪 ² , 雷明镜 ¹ , 孙钟皓 ² , 张华 ¹

流体机械 | 设计计算 2025,53(4): 38-44

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流体机械 |设计计算 2025 , 53 (4) : 38 -44

卧式冷藏陈列柜抽屉式模块化制冷系统研究

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农凯飞¹, 沈炜琪², 雷明镜¹, 孙钟皓², 张华¹

作者信息

¹上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093

²上海海立中野冷机有限公司，上海 201206

通讯作者:

张华（1966），男，教授，研究方向为制冷低温过程与系统、环保制冷剂、制冷空调装置的热工测量与控制、太阳能利用等，通信地址：200093上海市杨浦区军工路516号上海理工大学能源与动力工程学院，E-mail：zhanghua3000@163.com。

作者简介:

农凯飞（1999），男，硕士研究生，主要从事制冷系统的设计与优化研究，E-mail：nongkaifei@163.com。

Study on drawer‑type modular refrigeration systems for refrigerated display cabinets

Kaifei NONG¹, Weiqi SHEN², Mingjing LEI¹, Zhonghao SUN², Hua ZHANG¹

Affiliations

¹College of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China

²Shanghai Highly Nakano Refrigerators Co.，Ltd.，Shanghai 201206，China

出版时间: 2025-04-30 doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.04.006

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摘要

收起

为解决冷藏陈列柜出现故障时维修困难、耗时长，从而导致内部商品变质的问题，提出一种应用于冷藏陈列柜的新型抽屉式模块化制冷系统。对抽屉式模块化制冷系统冷藏陈列柜的压缩冷凝机组、蒸发器、毛细管等制冷系统部件进行了集成设计；搭建抽屉式模块化制冷系统冷藏陈列柜实验平台，在25 ℃与相对湿度60%环境下，研究其对应的拆卸组装特性、食品储藏性能及24 h耗电量。结果表明，提出的模块化制冷系统的拆卸与安装只需要2.3 min，更换冷藏陈列柜双制冷模块最快能够在5 min内完成拆卸与安装；抽屉式模块化制冷系统冷藏陈列柜贮藏的试验包温度能维持在3.8~7.1 ℃之间，符合冷藏陈列柜食品冷藏的要求，且模块化制冷系统能够维持冷藏陈列柜柜内食品温度的均匀性。研究可为模块化制冷系统冷藏陈列柜的广泛应用提供研究基础。

关键词

冷藏陈列柜 / 模块化 / 制冷系统

Abstract

收起

To address the challenges of difficult and time‑consuming repairs when a refrigerated display cabinet malfunctions，which can lead to spoilage of the products inside，a new modular drawer‑type refrigeration system for refrigerated display cabinets is proposed.This system integrates the components of the refrigeration system，including the compressor‑condenser unit，evaporator，and capillary tube. A modular drawer‑type refrigeration system refrigerated display cabinet was constructed，and its disassembly and assembly characteristics，food storage performance，and 24 hour power consumption were analyzed under environmental conditions of 25 °C and 60% relative humidity.The research results indicate that the disassembly and assembly of the proposed modular refrigeration system take only 2.3 minutes，and the replacement of the refrigerated display cabinet's dual refrigeration modules can be completed within 5 minutes. Additionally，the temperature of the test package stored in the modular drawer‑type refrigeration system refrigerated display cabinet can be maintained between 3.8 °C and 7.1 °C，which meets the requirements for food storage in refrigerated display cabinets. The modular refrigeration system also ensures uniform temperature distribution inside the refrigerated display cabinet.These findings provide a research foundation for the widespread application of easily replaceable，reliable，and high‑performance modular refrigeration systems in refrigerated display cabinets.

Key words

refrigerated display cabinet / modular / refrigeration system

引用本文

农凯飞, 沈炜琪, 雷明镜, 孙钟皓, 张华. 卧式冷藏陈列柜抽屉式模块化制冷系统研究. 流体机械, 2025 , 53 (4) : 38 -44 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.04.006

Kaifei NONG, Weiqi SHEN, Mingjing LEI, Zhonghao SUN, Hua ZHANG. Study on drawer‑type modular refrigeration systems for refrigerated display cabinets[J]. Fluid Machinery, 2025 , 53 (4) : 38 -44 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.04.006

正文

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0　引言

收起

在低温条件下，完成食品的生产、供应、运输、销售的综合系统，称为冷链系统^［1-3］。目前，食品冷链体系已成为保障全球食品供应链中的一环重要组成部分，在超市和食品店的环境中，冷藏陈列柜是给食品销售提供低温环境的重要工具，承担着连接商家和消费者的重要角色，同时也是食品冷链的重要环节^［4］。

近年来，国内外众多学者对冷藏陈列柜的设计和改良开展了大量的研究工作。文献［5］研究表明，卧式冷藏陈列柜风幕设置为-5°倾角和0.8 m/s风速时，送回风温度差值较小，柜内温度分布相对均匀。加装翼式导流结构与泄露位置加装挡板的应用能够显著提升蒸发温度，降低风幕的热卷吸系数，同时改善柜内商品间的温差^［6-9］。而四层风幕的设计使冷藏陈列柜的整体能效提高了20%，展现了卓越的节能效果^［10］。采用正六边形蜂窝风幕替代导流板，可以提高冷藏陈列柜性能^［11-12］。除风幕优化外，学者们还对冷藏陈列柜柜体进行了多方面的改造，以提高柜内温度均匀性，并保证食品质量与安全。LIN等^［13］通过CFD流体仿真研究发现，当冷藏陈列柜内外风幕通道的通风孔隙率降低时，流动阻力增大，冷空气主要通过后板孔流动，导致食物包装顶层温度较高。还有学者发现^［14-15］，对冷藏陈列柜的玻璃门进行改造，不仅能提升柜内整体温度，还有助于抑制食源性病原体的生长。

目前，尽管关于冷藏陈列柜的设计优化和性能提升已有大量研究，但故障维修方面的研究相对较少。冷藏陈列柜发生故障时，往往需要消耗更多的电能去执行预期设定的功能，同时，储存在其中的商品大部分会发生质变，会给用户带来重大的经济损失^［16-17］。目前，冷藏陈列柜采用的维修策略是自然运行并定期维护保养的方式^［18］。但在出现故障时，这种维修策略往往是滞后的，会造成大量的资源浪费^［19］。因此，对冷藏陈列柜进行维护及故障修理的研究，对于用户及能源管理来说有着重要的意义。

PAPAIOANNOU等^［20］提出利用长短期记忆模型（LSTM）分类识别制冷压缩机不同的运行阶段，促进冷藏陈列柜能源管理与故障维护。汪琦^［21］通过建立灰色预测模型，实现产品全生命周期的智能维护。冷藏陈列柜的故障预测与诊断，有助于对出现的故障进行预警及减少诊断时间，但解决故障的最终环节仍然是故障维修。孙钟皓^［22］提出陈列柜结构部件的模块化设计将会成为一种趋势，冷藏陈列柜制造商和客户日益重视维修保养服务的便捷性和高效性，以及现场安装、更换和系统故障排除的迅速和灵活性。

本研究旨在解决商用冷藏陈列柜在机组故障时所带来的维修困难和时间成本问题，对冷藏陈列柜的制冷系统进行抽屉式模块化设计。这种设计不仅能够满足冷藏陈列柜的冷负荷需求，确保食品在规定温度范围内的安全存储，还具备快速安装与拆卸的优势，大大缩短维修时间，降低设备停机期间的运营损失。同时，通过试验研究，验证模块化制冷系统对冷藏陈列柜性能的影响，明确其在实际使用中的可行性与优势。该研究可为商超和零售业提供具备实际应用价值的技术参考，提升行业对高效、可靠冷藏设备的需求响应能力。

1　抽屉式模块化制冷系统原理

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本研究提出一种新型抽屉式模块制冷系统，具体针对LPCB-N06冷藏陈列柜进行试验研究。其外形尺寸为1 900 mm×1 175 mm×840 mm，展示面积1.37 m²，内容积101 L。LPCB-N06冷藏陈列柜蒸发器布置在冷柜柜体背部，压缩冷凝机组布置于冷藏陈列柜底部，当冷柜发生故障时，维修过程缓慢，部件损坏时不易更换维修。

综合考虑冷藏陈列柜发泡层的强度、重量及模块化集成机组快速组装与更换的特性等因素，设计2套相同但独立的抽屉式制冷系统模块，替换LPCB-N06冷藏陈列柜的制冷系统。通过机械式升降台的机制，实现抽屉式制冷系统模块与冷藏陈列柜柜体的便捷安装与拆卸，见图1。

2　抽屉式模块化制冷系统设计

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制冷系统需要在冷藏陈列柜运行时，满足柜内维持食品温度的冷负荷需求，其中，制冷系统所需负担的冷负荷为柜内空气与空气幕的对流换热及对流传质换热、围护结构、环境辐射热量与柜内电器产生的热量。冷藏陈列柜的设计参数：环境温度

T w

=25 ℃，湿度60%，柜内平均温度

T n

=0 ℃。基于冷负荷需求，依照模块化理念，进行抽屉式模块化制冷系统设计。

2.1　制冷系统模块设备计算

2.1.1　压缩机选型

压缩冷凝机组设计工况：冷凝温度

T C

=40 ℃，蒸发温度

T E

=-10 ℃。设定过热温度5 ℃，过冷温度2 ℃。选取两款小排量压缩机FR6DL和NL6.1MLX，在设计工况下进行压缩机性能模拟计算，其热力循环如图2所示，计算结果如表1所示。

两款压缩机均能满足陈列柜所需的冷负荷，但在相同设计工况下，NL6.1MLX压缩机的制冷量高，压缩机功耗低，COP值更高。模块化制冷系统样机的搭建选用NL6.1MLX压缩机。

2.1.2　换热器的设计计算

换热器的设计首先要考虑传热计算，以确定其所需的传热面积S，从而确定冷凝器的外形尺寸。传热面积的计算公式^［23］：

S = Q / (K ∆ t m)

（1）

式中，

Q

为换热器的传热负荷，W；

K

为换热器的传热系数，W/（m²⋅℃）；

∆ t m

为换热器的对数传热温差，℃。

LPCB-N06冷藏陈列柜的蒸发器外形尺寸为1 800 mm×288 mm×97.5 mm，因为其外形尺寸过大与布置在冷藏陈列柜背部的特点，不利于模块化设计，所以通过式（1），重新设计模块化制冷系统的蒸发器。新设计的蒸发器外形尺寸为600 mm×267 mm×131 mm，其布置在冷藏陈列柜风道的底部，拆卸时能随压缩冷凝机组退出冷柜，实现制冷机组的模块化灵活设计。

在模块化制冷系统的高压部分，模块化设计导致机组内各设备在运行时向机组内部散热，并阻碍设备与外界环境的传热。这种情况会导致模块化机组内部温度升高，形成热堆积现象，从而影响机组设备的运行效率^［24-26］。为了减少模块化机组内热堆积的影响，使用原LPCB-N06冷藏陈列柜的冷凝换热器与风机，冷凝器的结构尺寸为310 mm×245 mm×64 mm。

2.1.3　毛细管设计计算

在LPCB-N06冷藏陈列柜中，热力膨胀阀作为节流机构使用。然而，针对结构紧凑的模块化系统而言，热力膨胀阀与毛细管相比体积较大。因此，模块化制冷系统中，冷藏陈列柜采用毛细管作为节流机构。目前，针对毛细管的设计尚未有理论的计算公式，但仍可通过经验公式进行估算。本研究先通过经验公式对内径1 mm的毛细管进行估算，再通过试验确定毛细管的具体长度。毛细管长度估算公式^［27］：

q m a = 5.44 D 2.71 ∆ p / L 0.571

（2）

式中，

q m a

为制冷剂流量，g/s；

D

为毛细管直径，mm；

∆ p

为毛细管进、出口压力差，MPa；

L

为毛细管长度，m。

计算结果表明，毛细管内径为1 mm时，长度为1.25 m。通过试验确认毛细管的选型，毛细管选型试验结果见表2。

可以看出，长度550 mm的毛细管的蒸发温度最小，符合初步设计的蒸发温度；蒸发压力为0.29 MPa，蒸发温度为-11.3 ℃，蒸发器的出口温度为-10.5 ℃，说明蒸发器换热充分。因此，使用内径1 mm、长度550 mm的毛细管作为抽屉式模块化制冷系统冷藏陈列柜的节流装置。

2.2　模块化制冷系统搭建

2.2.1　模块化制冷系统结构设计

为了突出模块化制冷系统灵活、方便的特点，通过研究冷藏陈列柜系统的构成形式，用分解组合的方式建立模块体系^［28］，重新对模块化机组空间结构进行设计。

压缩冷凝机组布置在模块化制冷系统底部；冷凝器为前后出风，放置在压缩机前方，降低系统持续运作时压缩机壳体的温度。蒸发器放置在系统顶部，通过发泡板隔开制冷机组的高温与低温部分，从而提高系统的热效率。抽屉式模块化制冷系统如图3所示。

2.2.2　模块化制冷系统辅助结构设计

为辅助制冷系统模块与冷藏陈列柜柜体的安装，在模块化制冷系统模块上设计辅助安装的机械结构，如图4所示。

在系统模块上及冷藏陈列柜底部设置限位装置，模块化制冷系统与冷藏陈列柜柜体在安装时能够迅速完成固定。在限位装置上使用了滑动滚珠来减小系统模块与冷柜产生的摩擦，并在系统模块底部安装滑轮，以便于在拆卸与安装时系统模块的移动。系统模块的独立性与辅助机械结构的结合，使抽屉式模块化制冷系统冷藏陈列柜能够实现快速拆装和维护，适用于各种不同的使用场景。

3　模块化制冷系统冷藏陈列柜性能测试

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3.1　试验装置

为研究抽屉式模块化制冷系统冷藏陈列柜的实际运行性能，搭建系统测试实验台，在恒温环境实验室进行试验。实验台主要由研发的2台抽屉式制冷系统模块与冷藏陈列柜柜体组成。在恒温环境实验室中，采用电子膨胀阀控制空调机组蒸发器的过热度，采用变频风机调节送风的风速，以满足不同试验的温度、湿度需求，同时采用顶风道，顶部静压式出风、侧回风方案。其功能是在垂直气流条件下，保持室内温度和湿度的均匀性与稳定性。

恒温环境实验室可调节温度范围：16~40 ℃，温度波动范围不大于±0.5 ℃；相对湿度可调节范围：（40%~80%）±3%。根据GB/T 21001.2—2015《制冷陈列柜第2部分：分类、要求和试验条件》，实验室内设置为第3类气候类型，温度为（25±0.5） ℃，相对湿度60%±3%。

3.2　测点布置

性能试验中，抽屉式模块化制冷系统共布置12个T型热电偶和4个压力传感器，采集系统在正常运行中的数据，其测试点布置如图5所示。

根据GB/T 21001.2—2015要求，对试验包物性参数、尺寸和位置进行布置，如图6所示（图中，标点表示测试试验包放置位置）。冷藏陈列柜内共放置2层试验包，试验包质量1 000 g，尺寸为200 mm×100 mm×50 mm；测试试验包质量500 g，尺寸为100 mm×100 mm×50 mm。

4　试验结果与分析

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4.1　模块化制冷系统快速组装性能分析

为研究制冷系统模块能够快速组装与更换特性，模拟现场作业场景，对抽屉式模块化制冷系统冷藏陈列柜的制冷系统模块进行安装与拆卸试验。结果表明，制冷系统模块化冷藏陈列柜的单个制冷系统模块，拆卸与安装过程仅耗时2.3 min。这说明在出现故障时，更换整个制冷系统最快能够在5 min内完成拆卸与安装。与传统冷藏陈列柜以天数为单位的维修时间相比，本研究设计的制冷系统模块化冷藏陈列柜大幅度减轻了检修人员的工作量，提高了工作效率。特别是辅助安装的机械结构和限位装置的设计，使系统模块与柜体在安装时能够自动对位并固定，能够显著简化安装流程。

4.2　食品冷藏性能分析

图7示出抽屉式模块化制冷系统冷藏陈列柜与LPCB-N06冷藏陈列柜在一个试验周期内，试验包温度随时间的变化。从图7（a）可以看出，在抽屉式模块化制冷系统冷藏陈列柜稳定运行后，试验包的温度变化范围为3.8~7.1 ℃。该温度区间完全处于1~10 ℃的标准范围内，充分证明此冷藏陈列柜能够满足食品包温度维持要求。

由图7还可以看出，抽屉式模块化制冷系统冷藏陈列柜的上层与下层试验包的最大温差仅为0.7 ℃。而LPCB-N06冷藏陈列柜上层与下层试验包的最大温差也有0.5 ℃。可以认为，抽屉式模块化制冷系统对冷藏陈列柜贮藏食品温度的均匀性影响甚微。

4.3　耗电量分析

对所测得电能数据进行处理计算，获得两制冷系统冷藏陈列柜的能耗运行参数，如表3所示。在同等展示面积下，抽屉式模块化制冷系统冷藏陈列柜与LPCB-N06冷藏陈列柜相比，24 h耗电量仅增加2.483 kW⋅h。

根据GB 26920.2—2015《商用制冷器具能效限定值和能效等级第2部分：自携冷凝机组商用冷柜》，4级能效等级代表中等偏下能效水平，会增加运营成本，但其快速维修和更换的优势可以极大地减少设备故障对商业运营的影响。从经济循环角度，及时地维修和保养还能延长制冷设备的寿命，进一步优化成本效益。因此，在综合考虑运行成本和维护便利性后，抽屉式模块化制冷系统在特定应用场景下展现出显著的优势。

4.4　试验误差分析

食品冷藏性能试验及耗电量试验在一个环境温度和湿度相对稳定的封闭空间内进行，试验进行期间产生的误差主要在于试验测量工具与数据采集仪器通道设置的公差。这类误差通常被称为固定误差，并非随机产生，而是由测量仪器自身的制造精度所决定。由Mofat法分析导出温度数据的测量误差，温度测量误差计算式如下^［29］：

B = (B c a l) 2 + (B a c q) 2

式中，

B

为测量的总误差；

B c a l

为测量仪器的误差；

B a c q

为数据采集的误差。

试验仪器与精度如表4所示。T型热电偶测量误差为±0.4%，数据采集仪设置公差为±0.05%，最终计算得到温度测量误差为±0.403%。抽屉式模块化制冷系统冷藏陈列柜食品试验包的温度变化范围为3.78~7.12 ℃，满足食品温度H1标准（1~10 ℃），证明所设计模块化制冷系统冷藏陈列柜食品储藏温度在合理可靠的范围内。

5　结论

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（1）抽屉式模块化制冷系统冷藏陈列柜具有模块化集成机组快速组装与更换的优势。一个制冷系统模块的拆卸与安装只需要2.3 min，更换整个制冷系统最快能够5 min内完成拆卸与安装。

（2）抽屉式模块化制冷系统冷藏陈列柜柜内试验包温度能维持在3.8~7.1 ℃，符合食品冷藏的要求；且上下2层试验包的最大温差仅为0.7 ℃。

（3）抽屉式模块化制冷系统冷藏陈列柜采用2套制冷系统，以满足冷藏陈列柜的冷负荷需求。在24 h测试时间内，抽屉式模块化制冷系统冷藏陈列柜与LPCB-N06冷藏陈列柜相比，耗电量差别较小，差值为2.483 kW⋅h。

参考文献

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文献

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排序方式：

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2025年第53卷第4期

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doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.04.006

接收时间：2024-10-24
首发时间：2026-10-20
出版时间：2025-04-30

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收稿日期：2024-10-24
修回日期：2025-02-05

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¹上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093

²上海海立中野冷机有限公司，上海 201206

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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