葡萄酒冷却器真的可以使饮料变凉吗?

2017年 8月 17日

在阳光明媚的日子里,人们很想带些食物和饮料到大自然里去享受美好的天气。然而,在高温下保持葡萄酒(或任何饮料)处于低温状态是一件极具挑战的事情。据推测,葡萄酒冷藏箱可以让冰冻饮料保持至少一个小时的低温。在本文中,我们使用 COMSOL Multiphysics® 软件来了解葡萄酒冷却器的工作原理,看看它是否真的能保持饮料低温?

葡萄酒冷却器的工作原理

葡萄酒冷却器通常由带有充气双层壁的开放式丙烯酸圆筒组成。其中,双层壁起到了隔热作用,可防止暖空气到达饮料中。

桃红葡萄酒瓶的照片在葡萄酒冷却器里面的。
在我露台的桌子上放置了一个葡萄酒冷却器,可以使刚从冷藏室中拿出的红酒保持低温。

你把一瓶冰过的酒放在冷却器里,首先它必须是凉的,这样可以防止冷却器中的温度上升。之后,瓶子会产生大量的冷空气,并且由于冷空气的密度高于暖空气的密度,因此较冷的空气会留在冷却器内。隔热壁内的空气比瓶子周围的空气略热,但比冷却器周围的空气冷。这些壁可以阻止外部暖空气进入冷却器的内部腔室中。

我在家里做了一个小实验,测量了我的葡萄酒冷却器内的空气温度。测量结果证实,冷却器内部的温度从环境温度迅速下降到更低的温度,这表明这种简单的葡萄酒冷却器是有效的——至少在最开始这一阶段。根据某些葡萄酒冷却器制造商的说法,该瓶子至少可以保证一个小时(甚至最多三个小时)的低温,而无需任何其他的冷却方法(如冰块或制冷系统)。

为了评估葡萄酒冷却器是否可以使饮料保持一段时间的低温,首先需要确定饮料的温度升高多少后,我们就认为这个饮料就不再是冷的了。例如,白葡萄酒建议的最佳饮用温度一般在6至12°C(48.2°F至53.6°F)之间。由于饮料饮用时在玻璃杯中会升温,因此我认为10°C(50°F)是一个合适的温度极限,超过这个温度,饮料就不再是冷的了。

让我们使用COMSOL Multiphysics来证明这些制造商的话是否合理。此外,在室外温度超过正常室温的情况下,葡萄酒冷却器的性能如何?

 

使用 COMSOL Multiphysics® 模拟葡萄酒冷却器中的传热过程

对于 COMSOL Multiphysics® 模型,我们可以将葡萄酒冷却器的圆柱形状创建为一个轴对称模型。与完整的三维模型相比,该模型的计算效率更高,并且符合所需的所有细节。我们还假设了轴对称条件(也就是说,该模型未考虑外部影响,例如风或太阳的热辐射等)。该模型的几何形状包括瓶中的饮料、瓶本身、冷却器内的空气、冷却器壁以及内、外冷却器壁之间的空气隔热区域。

 

在COMSOL Multiphysics中创建的酒柜的几何形状。
葡萄酒冷却器模型的几何形状。

对于材料数据,该模型使用了内置材料库中的以下材料:

  • 在瓶上方的液体区域、冷却器内部(瓶子外部)、以及冷却器壁上的空气带中填充空气
  • 水,液体用于瓶中的饮料
  • 瓶子本身是用玻璃(石英)
  • 尼龙 用于塑料冷却器壁和底部

传热发生在冷却器装置中的所有部分,模拟玻璃和塑料中的固体传热(热传导)以及饮料和空气中的流体传热(热传导和对流)。为了模拟瓶子周围更活跃的自然对流(因为瓶壁和冷却器壁的温度不同),瓶子和冷却器之间的空气通过 Nusselt number(努塞特数) Nu = 10(参见下面的 “流体 ” 节点的设置)使用增大的热导率表示。在所有流体中都可以使用相似的 努塞特数 值,但是在此部分中,混合是最重要的。

 
COMSOL软件中“流体”节点设置的屏幕截图。
流体节点的设置表示冷却器内的空气,努塞尔特数(在最底部)的设置表示混合。

 

在初始条件下,瓶子和里面的饮料温度为6°C,代表冷却器。空气和冷却器的初始温度设置为21°C,这是典型的室温。

对于边界条件,当创建二维轴对称几何图形时,COMSOL Multiphysics会自动处理轴对称问题。冷却器的底部被认为是绝热的。对于冷却器和瓶子的外部,对流热通量描述了边界条件,外部温度设置为环境温度。瓶子和冷却器顶部的开边界使用温度条件表示:这些边界处的温度设置为环境温度。

为了在仿真过程中测量饮料和冷却器内空气的温度,我们添加了两个域点探针头,它们提供了瓶内(用于饮料)和冷却器(用于空气)内部的模拟温度。使用 域探针 来计算饮料的平均温度也可能引起人们的兴趣。

最初,环境温度被设置为21°C(这是中等温暖地区的夏季温度)。在参数化扫描中,我们将环境温度从5°增加到26°C和31°C,分别代表一个温暖的夏天和一个炎热的夏天。参数化扫描显示出冷却器对外界温度的敏感程度。

下图显示了如何使用一组值和一个关联单位来指定参数化扫描:

裁剪的COMSOL Multiphysics参数扫描节点设置的屏幕截图。
“参数化扫描” 节点的“设置”窗口(仅限顶部)。该扫描包括三个环境温度值(以摄氏度为单位)。

最后,我们可以从仿真器中删除冷却器,以检查将瓶子直接放在暖空气中时,瓶子的升温速度有多快。在 COMSOL Multiphysics 中这样做很容易。我们从冷却器域中删除传热 接口,并将同样的对流热通量条件分配给瓶子边界的另一部分,也就是先前的内部边界,即瓶子与冷却器内空气之间的边界。这部分现在变成了暴露在环境温度下的外部边界。

葡萄酒冷却器的模拟结果

当您在 COMSOL Multiphysics 中运行轴对称仿真时,结果将自动转换为一个完整的三维结果。以下三维图显示了环境温度为21°C 时,1小时后瓶子和冷却器中的温度:

 

用于调查酒柜是否保持饮料冷的模拟。
一小时后的温度。除顶部外,冷却器内的瓶子和周围空气仍然是冷的。

 

通过探针,我们可以绘制出瓶内和冷却器内空气中的温度(在底部上方10 cm处):

葡萄酒瓶和冷却器中温度随时间变化的COMSOL图。
瓶内(绿色)和冷却器内空气(蓝色)的温度。

 

如图所示,冷却器内的空气迅速降至约10°C左右,这与我使用家用温度计进行的测量温度相符。饮料的温度在10°C以下保持近1.5小时,在12°C以下可以保持2小时以上。因此,在21°C的环境温度下,将饮料冷藏至少一个小时的承诺似乎是有效的。

现在,我们可以运行参数化扫描。环境温度先升高5度,然后再升高10度。下图显示了3种环境温度下瓶内饮料的温度:

随时间推移瓶中葡萄酒温度的COMSOL图。
瓶中饮料的温度,环境温度为21摄氏度(蓝色),26摄氏度(绿色)和31摄氏度(红色)。

不出所料,当环境温度升高时,冷却器将无法长时间保持饮料的低温。26°C时,1小时后饮料的温度略高于10°C。当室外温度很高(31°C)时,饮料的温度在1小时后高于10°C,但仍低于12°C。因此,尽管比室温温度高出几度,但冷却器仍能很好地保持饮料的低温。

瓶子在冷却器中停留的时间越长,就越容易受到周围环境温度的影响。但是,如果我们根本不使用冷却器呢?在另一个模拟中,我们可以在没有葡萄酒冷却器的情况下分析瓶子的温度。在这种情况下,我们得到了通过参数化扫描的结果:

 

一个不带冷却器的瓶中葡萄酒温度随时间变化的COMSOL图。
没有冷却器的瓶中饮料的温度,环境温度为21摄氏度(蓝色),26摄氏度(绿色)和 31摄氏度(红色)。

从上图可以明显看出,冷却器的作用很大。即使在室温情况下,瓶中饮料的温度也不会保持在12°C以下。对于较高的室外温度,饮料的温度上升得很快。现在,我们可以肯定地说,在没有任何冷却器的情况下将一瓶葡萄酒带到外面并不是一个好主意。

保持凉爽

该仿真显示了您可以在 COMSOL Multiphysics 中建立模型以验证量级的速度有多快(如果可以的话,还可以将其与您的测量结果进行比较),并使用参数化扫描来探索其他配置,例如环境温度的变化等。

我们在本文中讨论的葡萄酒冷却器模拟实验表明,实际上,即使外面真的很热,您也可以将一瓶喜欢的饮料保持几个小时的低温,或者至少接近一个小时。您需要做的就是在将瓶子带到室外之前适当地冷却瓶子,并记住将其放入葡萄酒冷却器中。冷却器的基本传热机制将为您完成冷却工作,使您可以“冷静下来”。

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