牛奶收集站热泵系统的设计与运行仿真

摘要

能源的开发利用技术标志着人类社会的不断进化和发展,因此,当生产过程中存在温度比较低的热能或有废热排放时,为了更高程度的利用能源,能够使能量高效还原的技术或者能够被其他生产过程回收利用的技术是非常重要的。相比于通过换热实现热回收的设备,热泵能够回收更多的能量,能够实现将低温热量回收用于高温工艺中。本文根据奶站的制冷用热特点,设计了适用于奶站的热泵系统。该系统冷却牛奶时可将其冷凝热回收用以加热清洗用水。由于牛奶极易变质、易粘结在容器壁面,故冷却牛奶的换热器不但要满足食品行业的卫生标准,还得便于清洗。设计者针对奶站的制冷用热特点及其产奶量,选择、设计了热泵的主要部件如压缩机、冷凝器、蒸发器及膨胀阀。对于奶站所用的热泵机组,研究目的主要是预测某特定结构的热泵机组在具体运行工况下的动态工作性能,如蒸发器进出口牛奶的温度、冷凝器进出口水温、奶罐中牛奶的温度、水箱中的水温、压缩机耗功以及制冷量等运行参数的变化特性。为了在规定时间内使牛奶降温保鲜、把余热回收利用,根据质量守恒、能量守恒定律及奶站热泵系统各部分的内在耦合关系,采用机理建模方法,建立了奶站热泵系统的物理模型和动态数学模型,并以Matlab/Simulink为平台,用模块化建模方法编制仿真程序进行系统运行仿真。仿真结果得知:设计选定的热泵系统能在设定的时间2h内将1.0t牛奶从35℃冷却到4.8℃,同时能利用回收的冷凝热将1.0t的水从18℃加热到53℃,整个运行过程中系统平均COP为2.1,而热泵机组COP可达3.5。本文还用费用年值法将该热泵系统与目前奶站采用的直冷式奶罐与燃煤锅炉加热水系统从初投资和年运行费用方面做了经济性比较,得出日产奶量1.8t的小奶站,采用热泵系统的初投资是直冷式奶罐与燃煤锅炉加热水系统的106％,而年运行费用是直冷式奶罐与燃煤锅炉系统的66%。采用费用年值法分析,直冷式奶罐与燃煤锅炉系统的费用年值为37634元,而热泵系统的费用年值为26867元,由此可知在奶站采用热泵系统是比较经济的。

目录

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 选题背景及研究的意义

1.2 奶站热泵系统简介

1.2.1 奶站热泵系统的工作原理

1.2.2 奶站热泵系统的特点

1.3 国内外研究现状

1.3.1 关于热泵技术

1.3.2 国内外牧场的制冷供热现状

1.3.3 仿真技术的发展现状

1.4 课题研究的主要内容及方法

第二章 理论基础

2.1 热泵的定义

2.2 热泵分类

2.3 热泵的工作原理

第三章 热泵系统的设计计算

3.1 热泵机组设计条件

3.1.1 设计参数的确定

3.1.2 系统热力计算

3.2 热泵机组设计计算及选型

3.2.1 压缩机选型计算

3.2.2 蒸发器的设计及计算

3.2.3 冷凝器的设计计算

3.2.4 节流装置的设计计算

第四章 奶站热泵系统仿真模型的建立

4.1 奶站热泵系统动态模型的建立

4.1.1 制冷剂热力性质

4.1.2 热泵系统模型的建立

4.2 动态数学模型的仿真程序

4.2.1 仿真程序框图

4.2.2 利用 MATLAB/simulink 软件搭建仿真程序

第五章 奶站热泵系统仿真结果及经济性分析

5.1 系统仿真

5.1.1 仿真初始参数设置

5.1.2 仿真结果与分析

5.2 经济性分析

5.2.1 初投资

5.2.2 年运行费用

第六章 结论和展望

6.1 本论文的主要工作及结论

6.2 本文的特色之处

6.3 今后工作方向

参考文献

致谢

硕士期间发表的论文