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

1、近年來，由于人們生活水平的提高，顧客對食品的安全品質(zhì)提出了更高的要求，營養(yǎng)、衛(wèi)生、方便、快捷的速凍食品恰恰適應(yīng)了這些需求。快速凍結(jié)技術(shù)是食品冷鏈中的一個重要環(huán)節(jié)，因此對各制冷設(shè)備的性能要求很高。國內(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，故難以實現(xiàn)。因此，加強理論和試驗研究，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高效速凍設(shè)備具有十分重要的現(xiàn)實意義。 本文以氣流上下沖擊式凍結(jié)裝置為研究對象，以提

2、高裝置效率和降低能源消耗為研究目的，從兩個方面對其進行研究。其一，設(shè)計計算出其內(nèi)部高效的蒸發(fā)器，以減少制冷系統(tǒng)能耗。其二，利用計算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，簡稱CFD）技術(shù)對氣流上下沖擊式凍結(jié)裝置的流場進行分析優(yōu)化。該研究具有一定的實用價值，對提高我國氣流上下沖擊式凍結(jié)裝置的設(shè)計水平及節(jié)能均有現(xiàn)實意義。 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、要研究內(nèi)容如下： 預(yù)定蒸發(fā)器各設(shè)計參數(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。分別計算空氣側(cè)和制冷劑側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，整理歸納出計算該類裝置蒸發(fā)器傳熱系數(shù)的方法。利用計算得到的蒸發(fā)器制冷量和傳熱系數(shù)，確定需要設(shè)計的蒸發(fā)器總面積。再根據(jù)計算得到的面積以及選用的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對蒸發(fā)器進行翅片布置。完成整個高效蒸發(fā)器的設(shè)計。 氣流組織是影響吹風(fēng)式凍結(jié)裝置能量利用率的一個很重要因素，也是一個在理論上較為復(fù)雜的流體動

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行費用，為此本文針對上下沖擊式凍結(jié)裝置在氣流組織上的特點，利用CFD技術(shù)軟件FLUENT對該裝置的靜壓箱和凍結(jié)區(qū)內(nèi)的流場和溫度場進行模擬計算。將凍品設(shè)置為內(nèi)熱源，運輸凍品的網(wǎng)帶作為多孔介質(zhì)處理。作者使用前處理軟件GAMBIT建立幾何模型并對其進行網(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、，接著開始迭代計算；運算完成后，使用FLUENT的后處理功能得到速度場、溫度場等。通過測試實驗，驗證模型建立的合理性及計算結(jié)果的準確性。 研究結(jié)果表明，增設(shè)導(dǎo)流板可改進靜壓箱拐角處氣流組織的均勻性；擴大凍結(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，也可以改進局部區(qū)域流場的均勻性，但這種改進方法需要減小網(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)帶尺寸等對凍結(jié)能力的共同影響。此

6、外，網(wǎng)帶位置會影響周圍氣體流場分布，網(wǎng)帶距下方送風(fēng)口距離在20-30mm之間時，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)，通過速度場的模擬，從數(shù)值計算的角度驗證了冷風(fēng)在凍品表面產(chǎn)生的柯恩達效應(yīng)。由溫度場的模擬得到，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％