气流上下冲击式冻结装置蒸发器的设计及其流场的分析优化

摘要

近年来，由于人们生活水平的提高，顾客对食品的安全品质提出了更高的要求，营养、卫生、方便、快捷的速冻食品恰恰适应了这些需求。快速冻结技术是食品冷链中的一个重要环节，因此对各制冷设备的性能要求很高。国内的速冻设备厂家也希望自己能够生产高效、节能、经济的速冻设备，但因在相关领域的研究上有所欠缺，故难以实现。因此，加强理论和试验研究，开发具有自主知识产权的高效速冻设备具有十分重要的现实意义。 本文以气流上下冲击式冻结装置为研究对象，以提高装置效率和降低能源消耗为研究目的，从两个方面对其进行研究。其一，设计计算出其内部高效的蒸发器，以减少制冷系统能耗。其二，利用计算流体力学（computational fluid dynamics，简称CFD）技术对气流上下冲击式冻结装置的流场进行分析优化。该研究具有一定的实用价值，对提高我国气流上下冲击式冻结装置的设计水平及节能均有现实意义。 本研究课题涉及到热力学、传热学、流体力学、制冷技术、食品加工技术等交叉学科问题，其主要研究内容如下： 预定蒸发器各设计参数，选用铝管铝翅片的直接蒸发式空气冷却器，以R717为制冷剂。分别计算空气侧和制冷剂侧表面传热系数，整理归纳出计算该类装置蒸发器传热系数的方法。利用计算得到的蒸发器制冷量和传热系数，确定需要设计的蒸发器总面积。再根据计算得到的面积以及选用的结构参数，对蒸发器进行翅片布置。完成整个高效蒸发器的设计。 气流组织是影响吹风式冻结装置能量利用率的一个很重要因素，也是一个在理论上较为复杂的流体动力学问题，但在能源的有效利用方面具有很大潜力。通过气流组织的优化能较大幅度地降低装置的运行费用，为此本文针对上下冲击式冻结装置在气流组织上的特点，利用CFD技术软件FLUENT对该装置的静压箱和冻结区内的流场和温度场进行模拟计算。将冻品设置为内热源，运输冻品的网带作为多孔介质处理。作者使用前处理软件GAMBIT建立几何模型并对其进行网格划分，设定其边界类型；之后导入到解算器FLUENT中建立数学模型，并设定材料物性、初始条件、边界条件等，接着开始迭代计算；运算完成后，使用FLUENT的后处理功能得到速度场、温度场等。通过测试实验，验证模型建立的合理性及计算结果的准确性。 研究结果表明，增设导流板可改进静压箱拐角处气流组织的均匀性；扩大冻结区两侧隔板和网带侧边形成的通道，即加大流向下均风孔板的通道面积，也可以改进局部区域流场的均匀性，但这种改进方法需要减小网带宽度或加大装置整体宽度。因此，要保证设备的冻结能力，则需综合考虑风速、网带尺寸等对冻结能力的共同影响。此外，网带位置会影响周围气体流场分布，网带距下方送风口距离在20-30mm之间时，可以保证风速在3 m/s左右，且均匀性较好。 通过改变位于冻品上下方的均风孔板开孔率得出：在静压箱内，随着出口开孔率的增大，风速逐渐减小，并且在由孔板和隔板间形成的局部区域内，压力分布逐渐趋于均匀；在冻结区内，通过速度场的模拟，从数值计算的角度验证了冷风在冻品表面产生的柯恩达效应。由温度场的模拟得到，冻品温度从冻结区入口至出口逐渐降低，孔板开孔率5％为最佳结构，可以使冻品在冻结终止时中心温度在-18℃以下，符合食品速冻的降温要求。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

声明

第一章绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 速冻设备的研究现状

1.2.1 速冻设备的发展

1.2.2 计算流体力学在制冷设备优化中的研究

1.3 本文主要研究内容及解决的问题

第二章 气流上下冲击式冻结装置蒸发器的设计

2.1 概述

2.2 蒸发器设计

2.2.1 蒸发器制冷量计算

2.2.2 蒸发器传热系数计算

2.2.3 蒸发器结构设计及面积计算

2.3 机械负荷计算和设备选型

2.3.1 机械负荷计算

2.3.2 设备选型

2.4 本章小结

第三章 上下冲击式冻结装置传热模型的建立

3.1 装置内物理、数学模型建立

3.1.1 物理模型

3.1.2 数学模型

3.2 控制方程的离散化

3.2.1 网格划分

3.2.2 控制容积积分法

3.2.3 差分格式

3.3 求解的初始条件和边界条件

3.3.1 初始条件

3.3.2 边界条件

3.4 参数的定义和冻品、网带的处理

3.4.1 参数定义

3.4.2 冻品设置

3.4.3 网带处理

3.5 代数方程组的求解

3.5.1 迭代求解法

3.5.2 求解Navier—Stokes方程的压力修正法

3.5.3 因变量的欠松弛和收敛准则

3.6 Fluent计算软件介绍

3.7 本章小结

第四章 装置内流场模拟结果分析以及与实验研究的比较

4.1 模拟结果分析

4.1.1 静压箱速度场的分析

4.1.2 静压箱压力场的分析

4.1.3 冻结区速度场的分析

4.1.4 冻结区温度场的分析

4.2 实验研究

4.2.1 测量仪器与设备

4.2.2 风速测试

4.2.3 温度测试(测温点布置)

4.3 本章小结

第五章 上下冲击式冻结装置的初步优化设计

5.1 概述

5.2 改进静压箱内气流组织的均匀性

5.2.1 导流板对流场的影响

5.2.2 流动通道对流场的影响

5.3 改进冻结区内气流组织的均匀性

5.3.1 网带位置对流场的影响

5.4 均风孔板开孔率对整个装置流场的影响

5.4.1 改变孔板开孔率，静压箱流场分析

5.4.2 不同送风口开孔率下，静压箱和冻结区的参数比较

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.1.1 装置蒸发器的设计

6.1.2 模型的建立与模拟

6.1.3 优化设计

6.2 展望

6.3 结束语

参考文献

致谢

作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文及成果、参与的科研课题及成果