氣流上下沖擊式凍結(jié)裝置蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)及其流場(chǎng)的分析優(yōu)化.pdf

1、近年來，由于人們生活水平的提高，顧客對(duì)食品的安全品質(zhì)提出了更高的要求，營(yíng)養(yǎng)、衛(wèi)生、方便、快捷的速凍食品恰恰適應(yīng)了這些需求?？焖賰鼋Y(jié)技術(shù)是食品冷鏈中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，因此對(duì)各制冷設(shè)備的性能要求很高。國(guó)內(nèi)的速凍設(shè)備廠家也希望自己能夠生產(chǎn)高效、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)的速凍設(shè)備，但因在相關(guān)領(lǐng)域的研究上有所欠缺，故難以實(shí)現(xiàn)。因此，加強(qiáng)理論和試驗(yàn)研究，開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高效速凍設(shè)備具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。 本文以氣流上下沖擊式凍結(jié)裝置為研究對(duì)象，以提

2、高裝置效率和降低能源消耗為研究目的，從兩個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行研究。其一，設(shè)計(jì)計(jì)算出其內(nèi)部高效的蒸發(fā)器，以減少制冷系統(tǒng)能耗。其二，利用計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，簡(jiǎn)稱CFD）技術(shù)對(duì)氣流上下沖擊式凍結(jié)裝置的流場(chǎng)進(jìn)行分析優(yōu)化。該研究具有一定的實(shí)用價(jià)值，對(duì)提高我國(guó)氣流上下沖擊式凍結(jié)裝置的設(shè)計(jì)水平及節(jié)能均有現(xiàn)實(shí)意義。 本研究課題涉及到熱力學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)、制冷技術(shù)、食品加工技術(shù)等交叉學(xué)科問題，其主

3、要研究?jī)?nèi)容如下： 預(yù)定蒸發(fā)器各設(shè)計(jì)參數(shù)，選用鋁管鋁翅片的直接蒸發(fā)式空氣冷卻器，以R717為制冷劑。分別計(jì)算空氣側(cè)和制冷劑側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，整理歸納出計(jì)算該類裝置蒸發(fā)器傳熱系數(shù)的方法。利用計(jì)算得到的蒸發(fā)器制冷量和傳熱系數(shù)，確定需要設(shè)計(jì)的蒸發(fā)器總面積。再根據(jù)計(jì)算得到的面積以及選用的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)蒸發(fā)器進(jìn)行翅片布置。完成整個(gè)高效蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)。 氣流組織是影響吹風(fēng)式凍結(jié)裝置能量利用率的一個(gè)很重要因素，也是一個(gè)在理論上較為復(fù)雜的流體動(dòng)

4、力學(xué)問題，但在能源的有效利用方面具有很大潛力。通過氣流組織的優(yōu)化能較大幅度地降低裝置的運(yùn)行費(fèi)用，為此本文針對(duì)上下沖擊式凍結(jié)裝置在氣流組織上的特點(diǎn)，利用CFD技術(shù)軟件FLUENT對(duì)該裝置的靜壓箱和凍結(jié)區(qū)內(nèi)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算。將凍品設(shè)置為內(nèi)熱源，運(yùn)輸凍品的網(wǎng)帶作為多孔介質(zhì)處理。作者使用前處理軟件GAMBIT建立幾何模型并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)定其邊界類型；之后導(dǎo)入到解算器FLUENT中建立數(shù)學(xué)模型，并設(shè)定材料物性、初始條件、邊界條件等

5、，接著開始迭代計(jì)算；運(yùn)算完成后，使用FLUENT的后處理功能得到速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)等。通過測(cè)試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證模型建立的合理性及計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。 研究結(jié)果表明，增設(shè)導(dǎo)流板可改進(jìn)靜壓箱拐角處氣流組織的均勻性；擴(kuò)大凍結(jié)區(qū)兩側(cè)隔板和網(wǎng)帶側(cè)邊形成的通道，即加大流向下均風(fēng)孔板的通道面積，也可以改進(jìn)局部區(qū)域流場(chǎng)的均勻性，但這種改進(jìn)方法需要減小網(wǎng)帶寬度或加大裝置整體寬度。因此，要保證設(shè)備的凍結(jié)能力，則需綜合考慮風(fēng)速、網(wǎng)帶尺寸等對(duì)凍結(jié)能力的共同影響。此

6、外，網(wǎng)帶位置會(huì)影響周圍氣體流場(chǎng)分布，網(wǎng)帶距下方送風(fēng)口距離在20-30mm之間時(shí)，可以保證風(fēng)速在3 m/s左右，且均勻性較好。 通過改變位于凍品上下方的均風(fēng)孔板開孔率得出：在靜壓箱內(nèi)，隨著出口開孔率的增大，風(fēng)速逐漸減小，并且在由孔板和隔板間形成的局部區(qū)域內(nèi)，壓力分布逐漸趨于均勻；在凍結(jié)區(qū)內(nèi)，通過速度場(chǎng)的模擬，從數(shù)值計(jì)算的角度驗(yàn)證了冷風(fēng)在凍品表面產(chǎn)生的柯恩達(dá)效應(yīng)。由溫度場(chǎng)的模擬得到，凍品溫度從凍結(jié)區(qū)入口至出口逐漸降低，孔板開孔率5％