啤酒冰箱：开启一段个人旅途

作者：ROBIN BORNOFF

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ROBIN BORNOFF：“FloTHERM 帮助我优化迷你冰箱设计” 摘要 迷你冰箱通常用来盛放啤酒，偶尔还会有发霉的三明治，现在已经是大学宿舍和办公室休息区里随处可见的电器设备。但是，它们的制冷效果，似乎从来不像厨用的大型冰箱那样出色。本文件在http://www.mentor.com/blogs/tag/beer-eb5a0be6-a06b-4788-9b41-476b8c70454a 网站系列博客的基础之上，以一种轻松的方式，看待问题并提出解决方案。通过使用 Mentor Graphics 公司的 FloTHERMTM 演示一些实用的热分析方法，并证明热仿真可以帮助工程师为广大消费者设计出更优质的产品。 一份礼物 我的老板，Roland，几年前从德国移居英国，现在已经非常享受英国的惬意生活。他为 Mechanical Analysis 部门的产品开发部购买了一台迷你冰箱作为礼物，之后，这台冰箱一直用于冰镇啤酒，由于它的容量太小大家都不能开怀畅饮。就在几周前，这台迷你冰箱出了故障。好奇的员工用螺丝刀将其拆开之后发现：热电致冷器 (TEC)坏掉了。由于该产品以热原理为设计原理，我想可以利用 FloTHERM 应用程序对其进行（逆向的）热设计。在此白皮书中，我将展示如何使用 FloTHERM 设计更优质的啤酒冰箱，并演示 FloTHERM 的一些特色功能。正是这些特色功能才使 FloTHERM 始终是进行电子热分析的首选 CFD 工具。 这种迷你冰箱的制冷原理是根据 Peltier effect（珀尔帖效应），使用热电致冷器 (TEC) 将冰箱内部的热量向下抽送至散热器，由于散热器上的风扇不断送入冷空气，这样，热量就以空气对流的方式从外壳底部的通风口排出。这种方式的热量流动确保了冰箱内部的温度始终处于低温状态。相比大多数家用冰箱/冰柜传统的蒸发器/冷凝器循环方式，这种方式产生的噪音更小一些（尽管有些时候会不可靠!）。 这种应用程序对 FloTHERM 而言是轻而易举的，我只用了一把尺子，就在一个小时内完就成了对冰箱主要构件尺寸的测量，并对其进行了 3D 建模。只是在了解 TEC 和风扇具体的特征信息时才多花了一些时间。他们本身无需明确建模，而只需使用 “紧凑型建模方法”，在应用此建模方法时，这些对象的关键物理性状能得以保留，但却没有建模精确的物理操作。对于 TEC 来说，只需在 FloTHERM TEC‘SmartPart’部件中输入一定的参数即可，比如，获取较热一侧温度差所需的电流。（注意这个TEC 并非 Marlow 或 Melcor TEC SmartParts 部件）。至于风扇，需要画出风扇的压降与转换的空气量之间的曲线，借住 Google（也可使用其他搜索引擎），可以发现，此类信息很快就能找到。 这张英国国旗图片是我自己用手机拍摄的 JPEG 格式的图片，只需使用 FloTHERM 的纹理映射功能就可完成。至于飞行动画则可以通过设置不同的视像点位置进行创建，这些位置设定完毕后即可按顺序进行转换并输出一种 avi 视频文件（我使用的是Corel™ 将其转换为动态 GIF 文件）。本片段及所有随后生成的动画片段，均可在原博客文章中查看，网址为 http://blogs.mentor.com/robinbornoff/ 具有仿真软件基础的用户都至少会了解正在发生的物理学现象，并能够判断仿真所生成的结果是否准确。这只是一种“我希望冰箱内部的空气是冷的”的一种“高端的”方式。这是冰箱内部的表层温度，为了事看起来更加清晰, 冰箱的一侧被隐藏了。 无意中伤我老板的购买力，但是大家都说这看起来真像是一台价廉物劣的冰箱，根本无法保证冰箱内部均匀制冷。TEC 只是对冰箱内层底部的一块小冷却板进行冷却，将热量从冰箱底部送走，但是随着热空气的上升，冷空气仅仅停留在底部。 说到风扇的效果，设计良好的风扇应该能够通过风扇把冰箱底部周围产生的冷空气吸引过来，然后将冷空气吹至散热器。此时空气会升温，因此应布置好通风口以便使热空气可以再次排放到外部空气中。当然，您最不希望的一件事就是热空气再次循环至风扇的底部入口，进而再次返回至散热器。哦，天啊…… 还是回到 TEC 这一话题，我确实需要设想一下操作电流值是多少。对于这个迷你冰箱，我想应该是 2.5 安培。TEC 性能对这个数值有很大影响，对于这台冰箱，我很想知道其最优 TEC 操作电流应该是多少…… TEC 效果 爱喝啤酒的人大都十分喜欢安静，因此，那种传统的通过压缩/膨胀制冷的冰箱发出的嘶嘶声和呼呼声，对他们来说不胜其烦。他们会说厨房就是用来放置噪音不断的冰箱的，孩子就是用来唤去买酒喝的。所以，利用热电制冷器 (TEC) 制冷的电动冷却器和冰箱应得到广泛推广，因为他们通过将热量从冰箱内部抽出而进行冷却，这样产生的噪声（更）小。不过，这样就会导致制冷效率下降 6 倍之多，因此耗电量就会增加，才能使啤酒的温度达到适宜饮用的温度。但是如果你只需要冷却一个不大的空间，要求也不是特别高，那么效率降低 6 倍之多也无大碍。相比嘶嘶作响且振动不断的家用冰箱，这种 TEC 型迷你冰箱更便携，因为它完全可以使用车载点烟器进行充电，然后就可以有冰镇啤酒为你消除漫漫旅途中的乏累了！ TEC 的运转原理是：电流通过一系列半导体 PN 对，在 TEC 的两个陶瓷夹边之间造成温差，从而造成热量的流动。就像电风扇一样，通电之后，电机带动上面的叶片旋转，从而使空气流动。但是，对于 TEC 来说，如果供应的操作电流过小的话，它就无法抽吸足够多的热量；如果供应的操作电流过大，它自身就会过热，从而效率下降。（以上只是我个人的粗浅看法，还请 TEC 专家们对我批评指正……） 下面我们就使用 FloTHERM，这一 CFD 电子冷却仿真的首选工具来研究 TEC 的操作电流和由此产生的内部温度情况。FloTHERM 配有一个被称为“命令优化中心” (Command Center) 的应用程序窗口。此窗口支持 FloTHERM 模型的任何参数的变化且能将变化所引起的后继方案的结果反馈给用户。在这里，我打算让TEC 的操作电流在 1 安到 6 安之间变化。在软件中的设置方法如图所示： 单击“执行”(Go) 按钮，FloTHERM 将运算所有变量问题并提供结果反馈。查看结果的最简便的方式之一是查看“监控点” (monitor point) 温度，即模型中各定义点处的温度，在本例中这些定义点分布于冰箱内部的右侧底部、中部和顶部： （好吧，我承认，这种图表样式看起来并不是最优秀的。和许多的 CAE 供应商一样，我们以前也是很注重 Excel表格的图表样式和设计能力，但是现在我们认为将仿真数据导出到 Excel 才是最重要的）。 下图表明，电流约为 4 安时，TEC 性能最佳，冰箱底部的温度最低。高于或低于 4 安，冰箱的性能就会下降。有趣的是冰箱中部总是热的。顶部则一直是很热。下面让我们进一步看一下极限温度及最佳温度时候的分布情况： 由于这种稳定的成层作用，即使电流为 4 安时，冷空气也只是停留在冰箱底部，根本无法到达冰箱顶部。也就是说，在任何情况下冰箱顶部都很热（除非您特喜欢喝啤酒）。 因此，究竟怎样才能使冷空气均匀分布在冰箱内部呢？把冰箱内部塞满啤酒，这样冷空气就能通过啤酒向上传导，还是将这个冰箱倒置，使冷空气下沉，从而在冰箱内部均匀分布呢？ 侧面朝上放置还是倒置？ 我好像意识到对于这个空冰箱来说，一切研究都是徒劳。这和新年时下定决心要正经生活一样讽刺。不过，我们还是不妨全面看一下这个有点特殊的研究……。不知是因为啤酒问题而带来的愤怒，还是心血来潮的伽利略科学实验的探索精神，我到最后真的把这个冰箱侧面朝上放着了，甚至是把它举起来，正面朝下，倒着放置。但是冰箱门一直是关闭状态，那么它的冷却系统怎么会受影响呢？让我们试着发掘其中的原因。 前面已经说过，TEC 的冷却作用仅仅停留在冰箱底部的那一小块金属板上面，因此，金属板周围的空气温度是最低的，距离金属板越远，空气温度越高。即使是十足的外行人也知道热空气会上升（还有散热器，这个就另当别论了）。冰箱正面向上时，其内部底部的金属板是冷的，这样冷空气就只是停留在冰箱底部，然而，热空气就会停在冷空气上方。但是，如果将冰箱侧面朝上或者是倒置，金属板冷却的空气就会从冰箱的底部下沉，这样内部的空气就会混合。 这样做的主要效果就是降低了空气的平均温度。在FloTHERM 中部件经过几次旋转及后继仿真操作之后所产生的效果如下图所示。 如果你来自美国、缅甸或利比里亚，官方使用或者授权的不是公制单位体系，则就应该是如下图所示： 无论如何，一个空电冰箱的温度是绝不会那么低的。 稍详细些阐述，以下显示了冰箱内的温度变化，如FloTHERM 所阐述： 如果我们将冰箱内部的空气对流以动态的方式显示出来的话，下沉的冷空气的混合效果就会更加直观（请注意我已将温度范围缩小到 14 到 16 摄氏度之间，蓝色表示 =<14，红色表示 => 16，以便清楚显示（上升的）热空气和（下沉的）冷空气，但注意并不是很成“规模”）： 如果进行逆向思维的话：即使是我的爱狗也知道，把暖气片安装到天花板上为整个房间供暖并不可行。因此，产品设计才是最重要的。能够降低成本的简洁设计十分重要。但是将散热器或者风扇等类似的部件放到顶部，可能会导致产品结构不稳定，增加诉讼风险。问题在于，这种迷你冰箱强调是以实用性为目的，因此，当你把冰箱都塞满罐装啤酒时，就应该意识到可能会受冷不均。也许你还是要三思…… FloBEER 但是，不放啤酒的啤酒冰箱就像未知数X一样，毫无意义。当你把整个冰箱都塞满了罐装啤酒时，你就应该明白这会使冰箱的散热性大为削弱。就像有人在谈到 Simon Cowell 时说的那样：“哦，你真是大错特错了”。 当你使用 FloTHERM 对一罐啤酒进行建模时，事实上，在为任何一个物体或者其中的一部分进行建模时，你都有多种表现方式。你应该不会担心啤酒罐侧面的印刷内容吧。即使是我的爱猫都知道它们不会对热性能有影响。那么罐内的啤酒呢，能明确建模吗？理论上是可以的，但是我们还是务实一些。如上所述，竖直放置冰箱时，冰箱内部的温度变化会使冰箱整体状态始终保持稳定，冰箱底部较冷，顶部较热，冷空气不会流动。每个啤酒罐内的温度变化也同样如此，结果罐内液体平稳地停在罐内，甚至就像是固体而非液体。所以更容易仿真。让我们将每个啤酒罐建模为具有导热系数的圆柱体，用来表示被一块薄金属包围的（静止）液体。很轻松地就得出了数值：5W/mK。 FloTHERM 后处理窗口，即可视化编辑器（免费且与 FloVIZ 具有相同的作用）。它的纹理映射功能，能够方便直接地创建图像并将其映射到 FloTHERM 圆柱体对象上面，接下来你就轻松得到一个 FloBEER 啤酒罐！图片上显示的是汉普顿宫 ( Hampton Court)，英国最声名狼藉的国王亨利八世的居所，就位于其办公室附近。 让我们在冰箱中放 13 罐罐身为此图像的啤酒，关上冰箱门然后观察会有什么发生…… 与内部平均温度大约 18 摄氏度的空冰箱相比，存放啤酒时冰箱内的平均温度下降到 13.6 摄氏度，啤酒自身平均温度下降到 10.1 摄氏度。并非所有啤酒罐的温度均相同，当然是位于冷金属板上方的那个啤酒罐温度最低。（如右图所示，隐去了前方的 3 个啤酒罐）： 相对于使冷空气从 TEC 处上升并在冰箱内部平均分布，这种通过冷空气自身传导的方式，效果更加明显。即使空气流动也不能与 FloBEER 的传导能力相匹配。 享用 FloBEER 好事多磨。对于冰镇啤酒来说，耐心和满意度是成正比的。如果您刚把啤酒放入冰箱就让您的孩子为您取出一瓶，虽然能解决您口渴的问题，但对于冰镇效果你可能不甚满意。但是如果你一直想要很好的冰镇效果，说不定你会压根忘了这事儿，或者去上床睡觉了，或者干脆去喝威士忌了。一项瞬态热学仿真会告诉你需要多长时间能够使啤酒受冷均匀…… 时间常数的计算方法是用电阻乘以电容。或许我们可以说是您对免费啤酒的渴求 x 您的酒量。我们可使用信封背面的公式来计算在低温环境中的常温啤酒需要多久才能达到冷却温度。热阻 = 1/传热系数 x 面积，热容 = 密度 x体积 x 比热，时间常数 =热阻 x 热容。啤酒冷却到最低温度的 2/3 时所需的时间就是时间常数。下面就是这个信封…… 在 FloTHERM 中进行瞬态仿真时，您需要确定预测系统特性的期望时间值。使用信封背面的计算方法可以得出持续时间的初值估计。其余只要耐心等待FloTHERM 完成整个仿真就好了。最终得到的结果是在诸多时间点（时间段）分布的一系列完整的三维温度预测值。这样就可以显示冷空气降低啤酒罐温度的方式了。 因为远离冰箱门，冰箱后部的冷度稍有偏差，所以冰箱底部中间和底部后方的啤酒应是首选。记得将其他啤酒罐移到刚刚腾出的位置，如果您想要估算或仿真计算（单独进行）您喝完当前取出的这罐啤酒后下一罐啤需要多长时间才能冷却到理想的温度，请参考以上信封或者使用 FloTHERM 进行计算。 挡板与瓶颈 关注热设计的白皮书，迄今为止仅提供了极少量珍贵的设计信息。设计是为建造某个对象/产品而制定计划的过程。无论您支持理性还是以行动为中心的设计过程模式，均可以采用某种迭代及改动来创作出适合生产的设计。尝试实施一种想法，结果失败，找出原因，然后尝试实施另一种更好的想法，这就是设计成功的精髓所在。 推动了英国工业革命发展的工程师们加快了大英帝国的发展，同时他们也受益于工业革命的成果。19 世纪的工程企业家既感受了成功的喜悦也体会了失败的沮丧。因此，对于时任西部大铁路公司 (Great Western Railway) 首席工程师的 Brunel 来说，选择采用宽轨铁路和在 GWR 部分路段应用大气（真空）牵引，皆是时代命运使然。而在利益是第一驱动力的今天，“不入虎穴焉得虎子”及“如果第一次就成功，那么您将一无所获”也是是大家应铭记于心的。 现在继续冰箱设计这一话题。以此为鉴，如果在投入生产之前对物理模型进行烟流显性测试，就会发现风扇和散热器的排气布置与结构还有待优化。如果 TEC 从冰箱中吸收的热量能够传递给散热器并通过散热器上方吹冷气的风扇将其排放到室内，这样 TEC 才发挥作用。虽然室内温度会有所上升（一点儿），使您想喝罐啤酒解渴。但是这样不是更好吗？在事情广为接受之前犯些错误总比之后再进行补过要好得多。 以上图片显示了 FloTHERM 仿真所产生的流场，流动空气箭头的温度用颜色标注（红色代表热空气），为了显示更清晰，略去了冰箱外壳。 图片中清晰显示了散热器传递出的热空气被吸至装置下方并吸回风扇内的过程。由于与吹至散热器的冷空气距离较远，实际上这些热空气仅仅起到了使自身增温的作用（嗯，精确的说应该是冷却效果不是特别明显）。……另外，被吹至散热器的一部分空气并没有按照常理沿着散热器通道向下流动，相反，它们进入了散热器通道并立刻通过散热器和风扇之间的缝隙侧路流出，成为废气。 确认了这些不足之处后我们可以对设计进行优化。可以使用挡板，确保吸入风扇的只有室内的凉爽空气，风扇使空气通过散热器的散热器通道，生成热空气，然后离开系统，绝对不会被重新吸入： （Colin Chapman 也会垂涎于您的地面效应）。再多加一点点塑料，效果更佳： 既然已经解决了空气流动的问题，现在我们就把注意力集中在散热器本身。散热器是不会把热全部都吸收的，用“延展区域”这个词会更加合适。如果使用的热电阻的铝含量提高一点，即使是极少一点，热量就会被传递到更大的表面积范围，这样冷却效果就会更加有效。散热器设计本身就是一门科学。散热器的数量、厚度、间隙、散热器长度等都是相互关联的参数。让我们将问题简单化，仅看散热器底部厚度。 在当前发布的 FloTHERM 第九版中，我们研究发布引进了一项新功能（正在申请专利）以便能获知设计中存在的散热瓶颈。从散热角度而言，一个好的设计能尽可能呈现出统一的瓶颈，即所有热量均能够同样容易地通过金属装置的各个部分从而散发到空气中。看看飞机上 BN 通过散热器的分布，我们可以了解到其在散热器底部的中央部分的逐步积聚： 要解除瓶颈，您可以使用具有更高导热系数的材料，或者扩大热量通过的横截面积。后者成本更低，让我们将底部中间部分的厚度再增加一些： 一切顺利，但是我们怎样确定挡板调节和散热器设计修改的效果呢？如果系统运行更有效，那么 TEC 只需用较少的电量就能使冰箱维持与之前同样的温度。在我看来，相比于仅仅使冰箱的制冷效果更好，这个标准会更好一些！做出以上两项更改后，TEC 仅需要 3.2 安的电流（之前需要 4 安），功率为 23 瓦（之前为 37 瓦）。如果您想要知道究竟，原因就是电流降低比率及所消耗功率的降低比率均归结于温度的 TEC 自加热效应，所有这些都能由 FloTHERM 自动处理。 FloTHERM + 啤酒冰箱设计优化 =节能 35% 结论 节能 35% ，更不用说提高冷空气循环效果，并将一种商品转换为具有独特优势的装置，供广大啤酒消费群体使用。鉴于大多数啤酒冰箱所有人并没有能够进行恰当散热分析的工具（尽管 Mentor Graphics 公司为公众开放提供在全球各地提供 FloTHERM 销售和技术支持），上述高度科学化的研究调查为迷你冰箱制造商们提供了一个机遇：即使是粗略的热仿真也能帮助提升其产品的价值及竞争力。

文章内容仅供参考 (投稿) (11/7/2011)