基于薄液膜蒸发的超高速冷冻过程中传热机理的研究

摘要

目前船舶已采用了多项节能技术，但由于船舶冷冻保鲜技术相对落后，且其采用的冷却和冻结保鲜技术是基于传统的对流和热传导进行地换热，该换热方式效率低，然而，相变传热具有高效的传热性能，能有效地导出内部热量，因此，开展基于相变换热的新型快速冷冻技术研究并研发相应的冷冻设备应用于船舶冷藏运输领域具有重要的社会意义和经济价值。本文基于薄液膜蒸发过程，通过实验和建模研究分析了利用液氮进行高速冷冻技术的传热性能。
　　通过实验和模拟主要开展以下三方面研究:
　　(1)通过实验对基于液氮薄液膜蒸发的超快速冷冻方法的可行性进行验证;
　　(2)利用实验数据分析冷冻载体蒸发传热特性的变化规律;
　　(3)建立冷冻载体的液氮超速冷冻传热模型，并对冷冻载体进行分析和优化设计。
　　并得到以下结论:
　　(1)本文设计的冷冻载体和超快速冷冻方法可以获得较高的冷却速率，在0℃～-60℃区间的平均冷却速率为90437.14℃/min。
　　(2)对于两种实验用冷冻载体，在压力为10.3 kPa下，都能得到最大的蒸发传热系数和平均降温速率。
　　(3)对比有无毛细结构冷冻载体实验结果，发现:毛细结构能有效地强化冷冻载体的传热性能;有毛细结构表面的冷冻载体平均降温速率为90437.14℃/min，比无毛细结构表面的冷冻载体提高了44％。
　　(4)针对实验中冷冻载体的传热过程，本文建立的三维传热模型计算结果与实验数据基本吻合。
　　(5)冷冻载体绝大多数区域的传热过程近似为一维传热过程，热量主要在垂直方向进行传递，冷冻载体侧立面向外传递的热量非常少。
　　(6)在冷冻载体溶液腔内加工了毛细结构，可有效减少溶液侧的热阻，从而较无毛细结构的冷冻载体，提高了27％的平均降温速率。
　　上述研究成果为利用薄液膜蒸发的高速冷冻方法走向实用提供了技术保障。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 薄液膜蒸发简介

1．3 薄液膜蒸发的研究现状

1．4 本文研究的主要内容

第2章 超高速低温冷却实验台的设计和实验步骤

2．1 冷冻载体设计的基本原理

2．2 热阻分析

2．2．1 薄液膜蒸发传热系数对总热阻的影响

2．2．2 毛细结构层孔隙率ε的大小对总热阻值的影响

2．2．3 支撑面材料

2．2．4 冷冻载体的热阻分布

2．3 冷冻载体设计结果

2．4 超高速冷却实验台

2．5 实验步骤

2．6 本章小结

第3章 超高速低温冷却实验结果与分析

3．1 计算分析方法集总热容法

3．2 液氮蒸发压力对液氮蒸发传热性能的影响

3．3 两种实验用冷冻载体热性能的分析

3．3．1 最佳压力情况下，两种冷冻载体瞬时传热性能分析

3．3．2 温度区间为0℃到-60℃两种冷冻载体瞬时传热性能分析

3．4 本章小结

第4章 数值模拟计算与分析

4．1 冷冻载体数值模型的建立

4．1．1 建立几何模型

4．1．2 划分网格

4．1．3 定义边界条件

4．1．4 设置求解参数和运行计算

4．2 冷冻载体数值模型的验证

4．3 加入样品溶液的数值模拟结果分析

4．3．1 建立模型，运行计算

4．3．2 运算结果及分析

4．4 冷冻载体的优化

4．5 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢

作者简介