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低温空气制冷速冻系统稳态性能的仿真与实验研究

作　者: 赵硕
导　师: 郭宪民
学　校: 天津商业大学
专　业: 制冷及低温工程
关键词: 空气制冷系统升压式涡轮膨胀机系统除湿性能系统性能
分类号: TB657
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

双级压缩正升压空气制冷循环采用空气作为制冷剂，利用同轴离心压气机回收涡轮的膨胀功来对压缩空气进行二级压缩，提高了系统工作压力范围和透平膨胀机的膨胀比，从而增大了单位制冷量。对于空气制冷系统而言，空气中水蒸气的含量对其性能影响极大，因此对降低系统空气含湿量进行研究具有重要的理论及实际意义。本文在原低温空气制冷速冻系统中增加高效板翅式换热器和水分离器，用回热器冷却系统进口空气至露点以下，并通过水分离器将冷凝水分离排出。首先，在对原低温空气制冷速冻系统实验台分析的基础上，采用集总参数法建立系统主要部件的稳态数学模型，根据各部件之间的关系，建立了低温空气制冷速冻系统的数学模型，并借助EES软件编制了系统的仿真程序。利用仿真程序分别对不同循环流程的空气制冷系统性能进行了仿真研究，分析了对涡轮进口含湿量和涡轮中水蒸气冷凝量的影响因素和各部件对系统性能的影响。对仿真结果的分析表明，改进系统流程的空气制冷系统的除湿性能达到了预期。其次，对原低温空气制冷速冻实验台进行改进，并在改进后的实验台上，首先对系统主要部件的性能进行测试，然后分别在不同的压气机进口压力、环境温度和散热器冷边风量条件下对不同循环流程的空气制冷系统的性能进行测试，最后分析测试结果，并和仿真结果进行比较，所得如下结论：（1）仿真和实验结果表明压气机进口压力的升高对涡轮进口空气含湿量的影响很小，但涡轮中水蒸气的冷凝量随着压气机进口压力的升高而增加，且无回热工况条件下的增加幅度大于有回热工况；（2）系统中增加回热器2后涡轮进口空气含湿量有了显著降低，仿真结果显示，系统的除湿效率最大可达约47.6%，而系统除湿效率的实验值稍小，约为30%；同时，回热器的增加提高了系统制冷量，改善了系统COP，仿真结果表明，在压气机进口压力为200kPa时，系统增加回热器1和2后，系统COP提高了约48%；（3）实验结果表明，随着传热单元数的增加，顺流式回热器1的换热效率逐渐增大，在传热单元数增至1.57时其换热效率实验值最大为0.509，与仿真结果相符；对逆流式回热器的仿真结果显示，改变回热器1为逆流式可显著增大其换热效率，且逆流式回热器的换热效率最大值为0.72；（4）仿真结果显示：系统进口含湿量和涡轮进口含湿量都随着系统进口压力的升高而减少，其中系统进口含湿量的变化较大，同时系统性能也随之恶化；涡轮进口含湿量和涡轮中水蒸气的冷凝量都随着系统制冷温度和散热器热边出口温度的增加而增大；（5）部件效率对系统性能影响的仿真结果显示：提高各部件效率均可增大系统制冷量，改善系统COP，其中涡轮等熵效率对系统COP的影响最大；其它部件效率对系统COP的影响依次是：散热器换热效率、压气机等熵效率、回热器1换热效率及回热器2换热效率。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-23
  1.1 研究背景及意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-22
    1.2.1 空气制冷循环系统的性能分析  10-14
    1.2.2 空气制冷循环系统的应用研究  14-19
    1.2.3 空气制冷循环系统除湿技术的研究现状  19-21
    1.2.4 课题组已完成的研究工作  21-22
  1.3 课题主要工作  22-23
第二章低温空气制冷速冻系统的仿真与分析  23-62
  2.1 低温空气制冷速冻系统基本原理  23-24
  2.2 升压式涡轮膨胀机的数学模型  24-28
    2.2.1 涡轮膨胀机的数学模型  24-26
    2.2.2 离心式压气机的数学模型  26-28
  2.3 板翅式热交换器的数学模型  28-42
    2.3.1 无相变热交换器的数学模型  29-39
    2.3.2 湿空气热交换器的数学模型  39-42
  2.4 螺杆式空压机的数学模型  42-44
  2.5 水分离器的数学模型  44
  2.6 低温空气制冷速冻系统性能的仿真  44-52
    2.6.1 低温干空气制冷速冻系统的仿真  44-49
    2.6.2 低温湿空气制冷速冻系统的仿真  49-52
  2.7 低温空气制冷速冻系统的仿真结果分析  52-61
    2.7.1 低温干空气制冷速冻系统的仿真结果分析  52-58
    2.7.2 低温湿空气制冷速冻系统的仿真结果分析  58-61
  2.8 本章小结  61-62
第三章低温空气制冷速冻系统性能的实验研究  62-71
  3.1 实验装置  62-64
  3.2 实验装置运行步骤  64-66
    3.2.1 试验台启动准备  64-65
    3.2.2 无回热空气制冷循环  65
    3.2.3 有回热空气制冷循环  65-66
    3.2.4 有回热和除湿的空气制冷循环  66
    3.2.5 试验台停止工作  66
  3.3 实验工况  66-68
  3.4 实验数据处理  68-70
  3.5 本章小结  70-71
第四章实验结果分析  71-82
  4.1 低温空气制冷速冻系统实验结果分析  71-80
    4.1.1 部件性能实验的结果分析  71-75
    4.1.2 部件对系统性能影响实验的结果分析  75-80
  4.2 仿真结果与实验结果的对比分析  80-81
  4.3 本章小结  81-82
第五章结论与展望  82-85
  5.1 结论  82-83
  5.2 今后的工作方向  83-85
参考文献  85-89
发表论文情况说明  89-90
主要符号表  90-91
附录 1 错列锯齿形翅片的几何参数  91-92
附录 2 系统主要部件的技术参数  92-96
附录 3 干空气模拟程序  96-104
致谢  104-105

低温空气制冷速冻系统稳态性能的仿真与实验研究

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