（制冷及低温工程专业论文）内复叠制冷系统理论分析及实验研究.pdf

摘要 本文重点研究了开式回冷低压直接冷却吸热循环空气制冷机中蓄冷干燥器的性能。 将空气制冷机应用于食品的冷冻，是环保和节能的需要，空气制冷的开式回冷低压直接 冷却吸热循环方式有许多适应于食品冷冻要求的特性。文中首先讨论了空气制冷机在环 保前提下制造低温的诸多优势；进而阐述了以发挥其优势为目的的研究开发和应用现 状：介绍了开式回冷低压直接冷却吸热循环空气制冷机原理和关键部件蓄冷干燥器的基 本工作过程。从食品冷冻和制冷原理入手，用对比分析方式得到了在吹风式冻结装置中， 开式回冷低压直接冷却吸热循环空气制冷机具有最大幅度降低食品冻结干耗、确保食品 冷冻安全、系统简单、冻结库小巧、气流易于组织、无电机热量、效率较高和制冷安全 等结论。 蓄冷干燥器是通过蓄冷材料的蓄一释冷特性，来保证开式回冷低压直接冷却吸热循 环空气制冷机具有较高的效率，同时蓄冷干燥器还担负着输送饱和低温空气至冻结库以 降低食品冻结于耗和干燥循环空气以确保整机安全可靠工作的主要设备。论文针对空气 一空气型蓄冷干燥器，从原理、结构、蓄冷填料等方面做了综合论述。计算设计并建造 了供实验研究的蓄冷干燥器和实验装置。采用数值积分法对基于稳定流的基本传热微分 方程组进行求解，进一步了解了影响蓄冷器效率的主要因素。通过对蓄冷器的实验研究， 掌握了冷吹期和热吹期的温度变化规律，获得了热吹期填料温度闭合和输出气流有效温 度范围等结论。通过自清除原理的分析和自清除过程的实验，提出了改善自清除效果的 实用措施，为今后进一步深入研究和应用打下了基础。 关键词：开式回冷低压直接冷却吸热循环空气制冷机食品冷冻蓄冷干燥器 a b s t r a c t t h ef o c u so ft h es t u d yi st l l ep e r f b r n l a n c eo fc o l d c u m u l a t i n ga 1 1 dd r y n e s st i nw h i c h w o r k si nt l l ea i 卜r e 衔g e r a t i o nm a c l l i n ec y c l e db yo p e n m o d e ，c 0 1 d q u a m i t yr e c l a i m ，l o w - p r e s s ， d i r e c t c o o l i n ga i r ，a b s o r b i n g - h e a t a i r - r c f h g e r a t i o nm a c h i n e 诵l lb ea p p l i e d t ot l l e f o o d r e 衔g e r a t i o ni sn e e do fc n v i r o m e n t a lp m t c c t i o na 1 1 ds a v i n ge n e r g y t h ea i r - r e 衔g e m t i o n i no p e n - m o d e ，c o l d q u a n t i t yr e c l a i m ，l o 、- p r c s s ，d i r e c t c o o l i n ga i r ，a b s o r b i n g - h e a tc y c l eh a v e m a i l yc h a r t e r i s t i c st oa d a p tt om ef o o dr e 衔g e r a t i o nr e q u i r e m e n t s t h ep 印e rf i r s td i s c u s s e d i nt h en 啪e r o u sa d v a m a g e so fa i r - r c 丘i g e r a t i o nm a c h i n ew h i c hm a n u f 如t l l r el o wt e m p e m t i l r e w 汕t h cp r c c o n d i t i o no fe n v i r o n m e m - p m t e c t i o n a n de x p o l l i l dt h er e s e a r c ha n d 印p l i c a t i o n w h a tf o c u si ne x e n i n gt h e s ea d v a i l t a g e s i m m d u c et 1 1 e 州n c i p l e so fo p e n - m o d e ，c o l d - q u a j l t 酊 r e c l a i m ，l o w _ p r e s s ，d i r e c t - c o o l i n ga i r a b s 0 i b i n g h e a ta i rc y c l ea n dk e yc o m p o n e n t so ft h e c o l d - c 啪u l a t i n g 锄dd r y n e s st i l l s t a n i n g 丘d mt l l ef m z e nf o o d 卸df e 衔g e r a t i o np r i n c i p l e s a i i du s i n gc o m p a r a t i v ea n a l y s i sm e t h o d ，w eg e tc o n c l u s i o n st l l a ti nt 1 1 eb l a w - f b z e nd e v i c e ， t 1 1 eo p e n m o d e ，c o l d l u a n t i t yr e c l a i m ，l o w p r e s s ，d i r e c t - c o o l i n ga i r ，a b s o r b i n g - h e a ta i rc y c l e h a v et 1 1 em o s ts i 印m c a l l tr e d u c t i o n si nf o o df r e e z ed r yc o s t ，f 曲dh y g i e n e ，d e v i c e sd e l i c a t e ， o 唱a i l i z a t i n ga i rs 舶m ，n o n - e l e c t r i c a lh e a t ，h i 曲e 伍c i e n c ya n ds a f er e 衔g e r a t i o ne t c t h ec o l d - c 啪u l a t i n ga n dd r y n e s st i ni st h ee q u i p m e n tw h i c h 印p l y st l l es t o r e r e l e a s e c h a m c t e r i s t i co fc o l d - c u m l l l “n g s t i l 丘e n s u r e s t h eh i g h e r e m c i e n c yo fo p e n m o d e c o l d _ q u 趾t i 够r e c l a i ml o 、v p r e s sd i r e c t - c o o l i n ga i r s h o u l d e r sc o n v e y a i l c eo fm es a t u r a t e da n d 丘d z e na i rt o 丘o z e ns t o r c m o mt or c d u c ed r yc o s to f f o o da 1 1 dd r ym ec y c l i n ga i rt 0e n s u r es m a n dr e l i a b l e f o c u s i i l go nt l l e a i r a i rt y p ec o l d c 啪l l l a t i n ga l l dd r y n e s st i n ，w ed i s c u s s c o m p r e h e n s i v e l y 仃o mp r i n c i p l e s ，s t n j c t u r e s ，咖f r se t c d e s i g nt h ec o l d c u m u l a t i n g 锄d d i y n e s st i na n dc o n s 协j c te x p e r i m e n t a ld e v i c e s a d o p t e dn u m e r i c a lv a l u ei i l t e g m lm e 山o di n t ot h ee x p l 出o f 曲屺b 嬲i ch 朗t c o n d u c t d i e r e n t i a l e q 眦t i o n b a s e dt l l es t a b i l i z a t i o nn o w g e tt e m p e r a t u r cc h a i l g e sm i eo ft h e c o l d - b l o w i n ga n dh o t b l o 埘n gp e r 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空气制冷循环又称为逆布雷顿循环，是使压缩空气在膨胀机中绝热膨胀获得低 温气流实现制冷的方法。理想的工作过程包括等熵压缩、等压冷却、等熵膨胀和等 压吸热四个过程，如图卜1 所示。 3 y 2 图卜1 空气制冷循环流程示意图和卜s 图 它与蒸汽压缩式制冷循环的四个过程相近，两者的区别在于：空气制冷循环中 空气不发生相变，无法实现等温吸热；空气的节流冷效应很低，降压制冷必须以膨 胀机代替节流阀。 1 1 2 空气制冷循环的特性“1 空气制冷循环是能满足大气环境生态要求的最佳制冷循环，具有某些其他制冷 循环不可替代的优良特性。主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 制冷工质的环保性和无相变性 空气是天然工质，无毒无害，对环境没有任何破坏作用，可随时随地自由获取。 在制冷循环中空气只起着传递能量的作用。无论是它的化学成分还是物理相态都不 发生变化。这是区别于其他制冷剂制冷循环的最明显特征。 ( 2 ) 制冷温度范围宽、低温下性能良好 第一章绪论 空气制冷循环可满足常温一1 4 0 的温度要求，虽然制冷温度在一6 0 以上c o p 低于蒸汽压缩制冷循环，可随着制冷温度的降低，空气制冷循环的c o p 下降比蒸汽 压缩制冷缓慢，到一6 0 己相差不大，当一7 2 时，制冷性能优于蒸汽压缩制冷机。 因此，空气制冷机在( 一6 0 一1 0 0 ) 及以下的制冷范围具有优良的性能，这是蒸 汽压缩式制冷机无法比拟的。 ( 3 ) 可采用节能的直接冷却或开放式系统 空气和环境气体具有同一性，可随处自由获取，在制冷循环中处于气体状态， 这可使空气制冷系统在某些具体场合采用节能的直接供气冷却或排气放热的开式 流程。在直接供冷开式流程中，空气既是制冷剂又是载冷剂，供冷无需换热器，冷 空气直接进入需要冷却的环境消除热负荷，系统正压。在直接排气放热的开式流程 中，把大气环境看成是无限大的换热器，从空气压缩机出来的高温空气直接排到大 气中，膨胀机吸入的是环境中的常温空气，系统负压。开式系统可省去供冷端换热 器及其送风设备或放热端换热器及其冷却设备，可将风扇和换热器的不可逆损失降 至最低，提高系统性能。 ( 4 ) 设备可靠性高、维护方便 空气制冷机的结构简单，可靠性高，安全性好，制冷剂可随时随地获得补充， 不必担心泄漏的问题。另外，空气制冷机拆装、移动方便，无需回收制冷剂，便于 维护。 1 1 3 研究现状与前景啪1 自9 0 年代，随着环保问题的日益突出，空气制冷技术又一次成为世界关注的 焦点，先后有美国、澳大利亚、德国、日本、英国、中国等国家进行了空气制冷机 的研究。研究范围涉及住宅、列车空调和食品冷冻与冷藏等几乎所有的制冷技术应 用领域。 ( 1 ) 低温领域的应用”1 空气制冷机具有易于制取低温的特点，在很宽的低温工况范围内具有优良的性 能，特别适用于需要低温和工况变化较大的场合。 现代食品冷冻和冷藏技术有不断向低温方向发展的趋势。不同食品的冻结冷藏 要求，需要库温在o 一1 0 0 的范围内可调，并要求制冷机长期在一3 0 以下运行。 采用单级蒸汽压缩制冷很难满足这种低温要求，多级压缩和复叠式制冷又会降低系 统的c 0 p 和增加初投资。空气制冷机在低温下的较宽范围运行性能优良，工质无臭 无害和制冷速度快的特性使其非常适合于食品冷冻与冷藏。对于不同要求库温的冷 间，还可以通过调节冷却空气与室外空气的混合比例来调节温度。 今后食品冷加工很可能是空气制冷机在低温领域应用的最大市场。有关文献详 2 第一章绪论 细分析了闭式空气制冷机用于美国食品冷加工业的市场状况。虽然美国目前只有少 数闭式空气制冷机应用于食品冷加工，但据统计7 5 的食品加工厂希望使用空气制 冷，其中4 7 有强烈的使用意向。这说明，空气制冷在食品冷加工业有极广泛的发 展前途。 另外，空气制冷在冷凝热回收工业有害挥发性有机化合物、天然气液化、冷藏 运输、制药业的控制低温反应、冷冻干燥处理和石化工业的存储、加工等领域也具 有很大的发展潜力。 ( 2 ) 空调领域的应用 空气制冷在空调领域的应用主要在飞机上”“。飞机座舱空气制冷机能充分利用 飞机涡轮喷气发动机作为制冷系统的动力源和压缩机，以机外冲压空气作为冷却介 质，只增加透平膨胀机及其附属设备，提高设备利用率，实现了系统小型化。 近年来，欧美国家对空气制冷应用于住宅和列车空调的研究取得了很大进展， 美国早在1 9 9 3 年就设计出用于住宅和商业建筑空调的闭式空调循环制冷机样机， 由n o r m a l a i r _ g a r r e t t l i m i t e d 设计及制造的列车用闭式空气循环制冷空调系统 1 9 9 8 年在往返于德国和荷兰的i c e 一3 高速列车上投入使用。国内在这方面的研究尚 处在实验室阶段，有文献提出了一种开式双级正升压空气制冷空调系统，可实现制 冷和供热；文献“1 分析了应用在列车空调中的空气制冷系统的各种可行性方案，并 认为最适合列车空调制冷系统的是开式负压空气制冷系统；文献”提出的单级逆升 压空气制冷空调系统也为空气制冷技术应用于民用空调提供了新思路。 总体来看，无论是低温领域还是空调领域，我国在空气制冷技术的实用化方面 基本空白，除飞机空调外，目前只限于低温环境实验装置、橡胶的低温粉碎和矿场 开采工作面的现场冷却。 1 1 4 空气制冷的关键技术 空气的多变指数较高，相同压比下耗功大，相同工况下压比大，传热温差大， 不可逆损失也大，所以循环效率较低。应用和推广最重要的是提高效率、在研和需 要进行研究的关键技术主要有以下几个方面： ( 1 ) 回热技术“” 空气制冷的回热循环可降低压比，不仅可减少压缩机和膨胀机的单位功，而且 减少了压缩过程、膨胀过程和热交换过程的不可逆损失，提高c 0 p 。在应用高效透 平机械后，当制取一7 0 一9 0 的低温时，定压回热空气制冷机比其他任何制冷机 的经济性都高，该技术未被广泛应用的原因是热交换设备庞大。 ( 2 ) 双级压缩中间冷却技术”1 气体压缩最省功的过程是等温压缩，但不可能实现，多级压缩是从等熵压缩向 第一章绪论 等温压缩过渡，可以减少压缩机总耗功，但要增加压缩机和换热器。开式负压系统 可省却一个冷却器，比较适合运用双级压缩中问冷却系统。 ( 3 ) 透平膨胀技术”3 膨胀机是空气制冷机效率提高的关键部件。近年来随着透平膨胀机技术的进 步，已经使得空气制冷技术得到了迅速的发展，有实验结果证明，透平膨胀机的效 率从8 5 提高到9 0 9 6 ，空气制冷机的c o p 可提高3 6 。 透平膨胀机与压缩机的匹配技术对空气制冷循环性能的提高也有重要意义。要 使压缩机和膨胀机在最佳综合效率下工作，应对转速、流量、压缩比、效率和功率 等进行理论和实验研究，以确定压缩机和膨胀机的最佳匹配参数。 ( 4 ) 干燥 空气中存在水份是空气制冷循环最大的天敌，水份在膨胀机出口处凝结甚至结 冰，不但放出潜热造成冷量损失，而且若水份结冰还会对透平膨胀机的叶片造成磨 损，甚至堵塞换热器管路使系统瘫痪。 对于低温系统，需使用干燥器除去水份。利用蓄冷器除水，既可达到除湿的目 的又可降低运行费用，特别适用于开式循环。 ( 5 ) 开式系统 采用开式系统可节省设备投资，减少循环的不可逆损失，提高系统性能。可是 这种系统易受环境条件的影响，如温度、尘埃、油汽等。 开式流程会使循环内水汽大大增加，应用于低温工程必须增加除湿设备，增加 了系统造价的同时还增大了运行费用。采用低温蓄冷器的低温开式系统无论在造价 和效率方面都有优势。 总之，空气制冷循环是满足大气环境生态要求的最佳制冷循环，并具备其他制 冷循环所不具备的优良特性。空气制冷技术在低温领域有广阔的发展前景。空气制 冷在低温领域应用的最大市场是食品加工业。应用和推广空气制冷技术，需要解决 许多关键技术，在食品冷冻方面的应用则是在成熟空气制冷机技术的基础上充分利 用回热技术、开式系统和低温蓄冷的除水技术，研究和丌发适用的空气制冷装置。 1 2 开式回冷低压直接冷却吸热循环原理 1 2 1 循环过程 开式回冷低压直接冷却吸热循环是空气在制冷机内使用一次后就排入大气，全 部冷气经过回冷热交换器，涡轮出口压力低于大气压力且空气在用冷装置内直接与 被冷却对象接触吸热的制冷循环方式。 开式回冷低压直接冷却吸热循环的流程如图卜2 所示。系统的工作过程是：湿 第一章绪论 空气经离心式通风机获得增压后，经三通电磁阀进入蓄冷器a ，与蓄冷填料进行热 交换，空气温度逐步降低，同时析出水气，大部分被冷凝成水，少部分直接相变成 l 雎 图卜2 开式回冷低压直接吸热循环原理 冰，附着于蓄冷填料表面。在蓄冷器a 出口获得的低温气流经三通电磁阀进入冻结 库，直接从被冻结物中吸热。从冻结库排出的低温气流直接进入涡轮冷却器，依靠 由涡轮冷却器和补偿电机共同带动的真空泵，造成涡轮出口处的负压，使气流在涡 轮冷却器内绝热膨胀，获得的负压冷气流，经三通电磁阀进入蓄冷器b ，在这里气 流从蓄冷填料吸热，使之降温，本身温度逐步升高。同时，由于气流本身是干气， 且压力低，体积大，原来附着于蓄冷填料表面的冰和水将蒸发汽化，随气流一起排 出。在蓄冷器b 出口处获得常温负压含湿空气，经三通电磁阀吸入真空泵。经压缩， 压力升高到大气压力( 温度同时升高) ，经消声器排入大气或引至其他地方作为能 源利用。蓄冷器a 和b 靠4 个三通电磁阀定期切换，改变工况，切换时间一般为1 5 m i n 。 1 2 2 循环特点 ( 1 ) 直接冷却吸热，省去了内热交换器。 ( 2 ) 离心风机的功用仅是提供低压头以克服流动阻力，保证冻结库内压力为大 气压力。气流经新风机压缩后升温很小，因此不需要后冷却器和消耗冷却水，大大 降低了运行费用。真空泵( 压缩机) 的压比虽然较高，气流温升较大，但已排出系 统，并且可以作为能源利用。由于排气的焓值等于循环单位功和单位制冷量之和， 所以其温度将比直接用补偿电机耗电加热还高。若能作为能源利用，则不仅制冷量 白得，而且加热效率将大于1 。 ( 3 ) 系统内工质的体积流量很大，单位制冷量很小，但对于透平式涡轮和压缩 机并不是缺点。国外对此类制冷机中改装使用旧飞机发动机进行了不少研究，认为 第一章绪论 是一个很有意义的发展方向3 。 ( 4 ) 回热器采用蓄冷器，效率高、阻力小、制作容易、造价低廉。 ( 5 ) 采用冷冻自清除法除水，能量消耗小。 1 3 空气的干燥方法综述酬 从空气制冷机的工作原理可知，压缩空气在一定的低温和一定的速度下工作。 例如，若采用回冷式制冷机，当低温室的温度为一8 0 时，涡轮的入口温度( 回冷 热交换器出口温度) 可低至一7 0 ，气流在涡轮中的流速可高达音速，甚至超音速。 因此，气流中的杂质势必损伤或打坏喷管环( 导流器) 和叶轮；水和水蒸汽在0 以下又会结冰，相变时放出大量潜热，减少了制冷机的实际温降，同时在回冷器等 附件和管路阀门中集聚，会使传热恶化、冷耗增加或堵塞通道，严重时甚至使整个 系统不能工作。所以，空气的净化和干燥是空气制冷机设计中的重要问题之一。 1 3 1 空气干燥的主要方法 ( 1 ) 化学除水 主要用于小型装置，干燥剂有n a o h 或k o h ，l k g 的水需耗用n a o h1 _ 6 1 9 k g 且无法再次使用。该方法成本高，清除和填装吸附剂劳动量大，除水后空气中仍含 有水蒸气o 8 1 0 9 m 3 ，相应的露点是一2 0 左右。 ( 2 ) 压缩除水 空气在等温条件下提高压力，而湿空气中水蒸气的组分含量不变，由下式 a ：f 丝1 尸：舯 ( 1 - 1 ) ly 式中p s 水蒸气分压力( p a ) ： v s 水蒸气分容积( r ) ： v 湿空气总容积( m 3 ) ： y s 容积比值 p 湿空气总压力( p a ) 。 水蒸气分压力p s 也相应提高。当水蒸气分压力达到该温度下的饱和蒸汽压力 p 。时，就转化为饱和空气了。若在一定温度下进一步提高湿空气总压力，则必然有 水析出，水蒸气分压力p b 将保持不变。在空气压缩机系统中是靠后冷却器冷却压缩 空气来实现的。 ( 3 ) 冷冻除湿 在一定压力下降低空气的温度，此时水蒸气的分压力p s 保持不变，但与温度 相对应的饱和蒸汽压却降低了。当温度降到某一温度时，对应的饱和蒸汽压力与水 第一章绪论 蒸气分压力相等，水蒸气达到饱和状态，这时未饱和空气就转化为饱和空气。如果 温度继续降低，则必然有水分析出，空气中的水蒸气分压力含量减少，分压力p s 降低，但它应等于相应温度对应的饱和蒸汽压，空气一直处于饱和状态。 可采用单级压缩蒸汽压缩制冷机使空气降温。由于冷冻设备投资量大，故此法 多用于要求处理的压缩空气流量大、工作压力较低、干燥要求不高的场合。在低温 下需要获得极低露点时，多采用冷冻自清除除水方案。 ( 4 ) 吸附干燥 利用具有多孔性固体作为吸附剂，吸附空气中的水蒸气，以达到干燥的目的。 吸附剂达饱和后失去吸附能力时还可再生。吸附干燥可使被处理空气达到较高的干 燥度。吸附干燥空气，水蒸气含量可达o 0 0 8 9 m 3 以下，相当于露点为6 0 以下的 干燥度。 1 3 2 干燥方案的选择 在以上4 种除水干燥空气的方法中，考虑到丌式回冷低压直接吸热循环应用于 食品冷冻时的以下特性： ( 1 ) 制冷循环必须是常压循环，否则冻结库的结构将会复杂、实用性不大。 ( 2 ) 食品冷冻正朝更低的冻结温度方向发展，以提高冻结速度，且目前已有复 叠式蒸汽压缩制冷机应用，冻结室的空气温度已降至一6 0 以下，对空气制冷机的 使用非常有利。鉴于这个原因，要确保空气制冷机能够正常工作，必须使空气干燥 到相应的露点。 ( 3 ) 对干燥材料有严格的卫生要求，不能对食品构成损害，确保食品安全至关 重要。 ( 4 ) 庞大的和大能耗的除水装置不适合生产实际。 因此，冷冻的自清除除水方案，无论从压力要求、露点要求、食品安全、设备 体积、制造成本和能耗方面都有其优越性。 1 4 蓄冷干燥器的作用原理 1 4 1 蓄冷器的工作和特点概述 蓄冷器的其他名称有回热器、再生式换热器。蓄冷器除了主要起换热作用外， 还起到净化空气中水分的作用。外界热空气通过蓄冷器的过程称为热吹期；内部冷 空气反向通过蓄冷器的过程称为冷吹期。在热吹期中，空气被填料冷却，温度不断 降低，空气中的水分不断的析出而结晶在填料表面，于是空气被净化；在冷吹期中， 第一章绪论 冷气流使填料表面的水分结晶升华并带走，使蓄冷器得以自清除。由此，经过热吹 期与冷吹期的交替循环，既完成了热交换，又清除了空气中的水分。为了保证连续， 通常使用两个蓄冷器，周期性的交替工作。 低温工程中应用的蓄冷器按其运行特点可分为两类： ( 1 ) 阀门切换式蓄冷器，用旋转阀或提升阀控制气流方向，用于吉福特一麦克马 洪制冷机、苏尔威制冷机和脉管。 ( 2 ) 无阀的蓄冷器，不用强制阀控制气流方向，用于斯特林制冷机与维勒米尔 制冷机。 蓄冷器的优点： ( 1 ) 具有很大的表面积，显得紧凑而且可以使热交换过程达到最高效率。在气 体制冷机中，一个长4 5 1 0 0 唧的蓄冷器，热效率可达到9 9 或更高些，而一般间 壁式换热器，即使长到3 0 0 姗，要达到9 8 的效率也使困难的。 ( 2 ) 结构简单，价格便宜。 ( 3 ) 具有较小的流动阻力。 ( 4 ) 不易堵塞，在蓄冷器中由于其蓄冷器周期地反向冲刷，比较易于将杂质冲 走，所以不易堵塞。即使蓄冷器的通道只有间壁式换热器的l 1 0 l 2 0 ，也不易堵 塞。 1 4 2 蓄冷器的结构和工作过程概述 在开式回冷低压直接吸热循环式空气制冷机中使用的蓄冷器要比空气分离设 备中使用的蓄冷器简单许多。其主要差异在于其外部接管和承压能力方面。通常空 分设备中使用的蓄冷器，由蓄冷器本体、强制阀和自动阀三部分组成。强制阎有五 个，它是受着一套切换机构的严格控制而开启或关闭的。自动阀的开启和关闭则取 决于前后的压差。蓄冷器何时进行热吹通过空气，何时进行冷吹，取决于五个强制 阀的启闭情况，也就是取决于切换结构的控制。蓄冷器的本体实际上是一个压力容 器，里面充满蓄冷填料。开式回冷低压直接冷却吸热循环中的蓄冷器两个并联，每 个蓄冷器有一个气体进口和一个出口，切换阀进口和出口各一个以完成两个蓄冷器 冷吹期和热吹期的相互切换。蓄冷器由外壳和内部蓄冷填料组成，由于蓄冷器工作 于常压的范围内，外壳通常可用不锈钢或非金属材料制成，内部填料以不锈钢、铝、 铜和铅等金属材料为主。常用金属填料的容积比热与重量比热如图卜3 所示。 考虑到热吹期间，环境的空气进入，其中的水分主要在进口端凝结或冻结，填 料的空隙率是渐变的，热进口大于冷进口。 1 5 本课题研究内容 第一章绪论 前苏联在上世纪7 0 年代初期开发了开式回冷低压直接吸热循环空气制冷机的 定型产品，制冷量在2 5 0 0 0 k c a l h 3 0 0 0 0 0 k c a l h ，并用于食品快速冻结，冷冻库 内的空气温度为一1 0 0 ，蓄冷器每分钟切换一次，真空泵排气温度为1 l o 。运行 t o j l o 1 2 01 5 02 2 02 曲 t k 0 - 9 0 - 8 0 - 7 0 6 毒o 5 u0 4 0 - 3 o - 2 0 - 1 0 2肿 t k 图卜3 常用金属填料的容积比热与重量比热 结果表明，蓄冷器随具有除水能力，但并不彻底，仍需要8 h r 融冰和排水一次”。 到目前为止，该方面的研究工作主要集中于空气分离设备、焦炉气装置、重氢 分离装置、燃气轮机旋转式再加热器和锅炉的空气预热器中的蓄冷器。这些蓄冷器 的工作压力较高，工质中的气体种类不是单纯的空气，经常以氧气、氮气、氦气、 氢气等为主，蓄冷填料主要是石头、不锈钢和铅球等。对单纯以空气为工质，工作 压力在常压上下且蓄冷填料为铝质的研究报告极少，对前苏联所开发的开式回冷低 压直接吸热循环空气制冷机需要掌握其中关键设备蓄冷器的传热传质规律。 本课题的研究内容： ( 1 ) 空气制冷机在食品冷冻上的应用优势： ( 2 ) 冷、热吹期蓄冷器内部蓄冷填料和冷、热空气的温度变化规律； ( 3 ) 蓄冷器对通过空气的除水能力，即自清除能力； ( 4 ) 蓄冷器要解决的关键技术； ：暑“地拍：暑“址拍他眦0 第二章空气制冷机在食品冷冻上的优势分析 第二章空气制冷机在食品冷冻上的优势分析 2 1 空气作为制冷剂的优势 制冷装置中制冷剂的选择主要考虑以下几个方面。“”1 ： ( 1 ) 在环境温度范围内有适当的压力和压力比。希望p o 不低于大气压力，避免 制冷系统的低压部分出现负压，使外界空气流入系统，影响制冷剂的性质、加剧对 设备材料的腐蚀或引起一些如燃烧和爆炸等不良后果；冷凝压力不要过高，以免设 备过分笨重；p k p o 不宜过大以免压缩终了的温度过高或使活塞式压缩机的输气系 数过低。 ( 2 ) 希望单位制冷量q o 和单位容积制冷量q k 较大。对于冷量一定的装置，q 0 大 可以减少制冷剂的循环量；q k 大可以减少压缩机的输气量，故可减少压缩机的尺寸。 这点对大型装置很有意义。 ( 3 ) 比功w 和单位容积压缩功w 0 小时循环效率高。 ( 4 ) 等熵压缩终了温度t 2 不能太高，以免润滑油条件恶化或制冷剂自身的高温 分解。 ( 5 ) 粘度、比重尽量小，这样可减少制冷剂在系统中的阻力。 ( 6 ) 导热系数要求大，大的导热系数可以提高热交换设备的传热系数，减少传 热面积，使系统结构紧凑。 ( 7 ) 无毒、不燃烧、不爆炸、使用安全。 ( 8 ) 化学稳定性和热稳定性好，制冷剂系统应经得起蒸发和冷凝的循环变化， 使用中不变质，不与润滑油发生反应，不腐蚀制冷机构件，在压缩终了的高温下不 分解。 ( 9 ) 价格便宜，来源广。 当然，完全满足上述要求的制冷剂是不存在的。各种制冷剂总是在某些方面有 其长处，另一些方面又有些不足，对照上述要求，可知空气作为制冷剂的特点： ( 1 ) 空气是5 种安全制冷剂之首( 空气、水蒸气、烃类、二氧化碳和氨) ，且有 无毒无味、不燃烧、不爆炸和对环境无不良影响的制冷剂。 ( 2 ) 具有很好的化学稳定性，纯净的空气不具有对金属材料或非金属材料的腐 蚀性，不会变质及与润滑油相容。在空气制冷剂的制冷范围内，不会出现高温分解 现象。 ( 3 ) 空气的导热系数是r 2 2 气体的2 倍，稍小于氨蒸汽，其换热器的性能优于 1 0 第二章空气制冷机在食品冷冻上的优势分析 大多数的氟利昂制冷剂气体换热器。 ( 4 ) 空气的粘度无论在低温还是高温下约大于r 2 2 蒸汽的粘度1 0 倍，密度比r 2 2 蒸汽小约8 倍，因此在设备和管道内的阻力相差不大。 ( 5 ) 循环效率可用c o p 值进行比较，当制冷温度低于一6 5 时，空气制冷机的c o p 大于蒸汽压缩式制冷机，且制冷温度越低，两者相差越悬殊；在制冷温度高于一6 5 时，空气制冷机的效率小于蒸汽压缩式制冷机。 ( 6 ) 空气制冷方式属于透平膨胀( 节流降压) 制冷，与蒸汽压缩式制冷的制冷 剂蒸发制冷不同，制冷机的工作压力保持正压，空气压缩机的压缩比也远远小于制 冷压缩机，因此安全性更高，系统中的管道和设备管材就可采用耐压较低的金属管 材。 2 2 食品快速冻结上的优势 食品的冻结速度，通常也用冻结时间来表示【9 】。冻结时间受到许多因素的影响， 主要有：食品尺寸和形状，特别是厚度、散热的方向、起始温度和最终温度、与含 水量有关的焓值变化、传热传质的温度、冻结物的导热系数、食品的外包装。食品 冻结时间可分成三个阶段，即冷却、冻结和过冷( 或称再降温) ，可用以下公式计 算： 冷却时间 冻结时间 过冷时间 f ：堑鱼l n 堕 2 一鸲 上：土+ o 1 8 7 6 上 局 口 1 1 2 t ，一t q ，& 1 2 t g t q 乇= 警b 爿 = 吩：一。 ，：堡垒1 n 堕 2 屯，3 上：! + o 1 8 7 5 上 马 口 乃 f 1 = 一“ 总时间 r = f i + r 2 + 弓 式中，平行于最佳散热方向的物体厚度( m ) ： ( 2 4 ) ) ) ) d ” ” 协 协 第二章空气制冷机在食品冷冻上的优势分析 外玲岛冷却、冻结和过冷阶段食品的密度( k g ，m 3 ) ； 。矿c ，2 、。郎冷却和过冷阶段食品的平均比热( k j k g k ) ； 毛、颤冷却和过冷阶段食品的传热系数( w ，m 2 k ) ； 冻结过程结束时的热中心温度( ) ； “传热介质的温度( ) ； f 。食品的冰点( ) ； _ ，、h 。冻结开始和冻结结束时食品的焓值( k j k g ) ； 口食品表面与空气间的换热系数( 、m 2 k ) 。 由( 2 1 2 4 ) 式可见，与冻结装置有关的两个重要参数是冷却传热介质温度和换 热系数。冷却介质温度取决于制冷系统，制冷系统所制取的温度越低，冻结时间越 短，即冻结速度越快。换热系数取决于风速和气流组织状况，风速越快冻结速度也 越快，一般冻结装置内的空气流速是4 6 l i l s ，确保气流均匀。 冻结食品质量如营养成分的保持，水分的保持，色泽的保持以及外观形状的保 持等，对冻结装置内温度提出了更高的要求( 温度更低) ，对循环空气的湿度和流 速也有限制。降低温度对蒸汽压缩式制冷机来说意味着系统复杂、设备庞大、投资 增加和效率降低“。这一点可用以下几个方面加以说明。 ( 1 ) 蒸汽压缩式制冷循环的双级系统，最低的蒸发温度是一7 0 ，复叠式蒸汽压 缩式系统根据采用的复叠级数不同，蒸发温度可低至一1 0 0 以下。但系统是多个单 级压缩系统的串接，要复杂得多，同时也增加了运行难度和控制难度，投资亦会增 加。而空气制冷机当制冷温度低于一1 0 0 时仍可用单级系统，系统本身也较简单。 ( 2 ) 蒸汽压缩式制冷机的冻结装置都是将蒸发器安放于保温体内，在保持空气 温度的前提下，为提高效率需要增大蒸发器的蒸发面积，有些冻结装置的蒸发面积 与保温体地坪面积之比大于1 0 0 ：1 。，为了保证冻结速度又必须配置大功率的风 机。其结果是，冷风机金属耗量大，占据保温体空间大，风机消耗功率大，围护结 构传热量和电机热量增加。采用开式回冷低压直接吸收循环空气制冷机基本避免了 以上的不利因素。 ( 3 ) 从食品安全和降低食品干耗的角度考虑，开式回冷低压直接吸热循环空气 制冷机有独特的优点。首先，丌式循环使用的总是新鲜空气可避免不断循环使用库 内空气所包含的微生物对食品的侵蚀：其次，由蓄冷器处理过的新鲜空气为水蒸汽 饱和状态，可大大降低冻品的水分散失量。关于食品冻结干耗问题在2 3 中会进一 步讨论。 第二章空气制冷机在食品冷冻上的优势分析 ( 4 ) 由外部风管送风，易于合理化组织气流，可确保冻结食品与冷空气有充分 的接触，同时可设法避免气流的短路浪费。 ( 5 ) 在低温下c o p 大于蒸汽压缩式制冷机，这一点前面已讲过，这里需要补充 的是，在开式回冷低压直接吸热循环中的效率的提高关键是回冷的效率，因此进一 步研究回冷用蓄冷器，意义重大。 2 3 最大限度的降低冻结干耗 吹风式冻结是最常用的一种冻结方式，也是最易引起冻品干耗的冻结方式。因 为食品暴露在空气中，重量就会减轻，色泽、外观都会恶化。水分由食品表面蒸发 或升华到空气中被称为干耗【2 2 1 。在单位时间内从食品表面蒸发或升华到空气中的水 分量可用下式计算： w = 卢f ( 耳一) ( 2 5 ) 式中w 蒸发或升华的水分量( 2 ) ： 食品表面的蒸发或升华系数( i n 2p a ) ； f 食品与空气的接触面积( m 2 ) ； ( 最一只) 食品表面和与食品表面接触空气的水蒸气压差( p a ) 。 如果同一食品，b 和f 是一定的，p f 一凡= p ，则w 的大小是等式右边的p 决定的，也即由食品表面与接触空气的水蒸气压差决定，此值越大，单位时间内蒸 发或升华的水分也大。因此，为了防止干耗p 应尽量减小。另外，由于水分蒸发 和升华需要热量的供给，所以热源供给的潜6 热越少蒸发或升华的水分也会越少。 在冻结过程中食品中的水分仍是升华和 3 蒸发并存的，此时潜热的供给主要是食品热 量和通过冻结库体传入的热量。水蒸气压力 差只能通过增大吹到食品表面空气相对湿度磊3 的方法给与降低。快速冻结是迅速减少食品璎 热量和冻结库传入热量的有效方法。另外， 2 快速冻结可以迅速在食品表面形成硬的冰 壳，能阻止内部的水分迁移至表面。 加快风速也是促使干耗加大的因素之 n 一。在空气温度和湿度相同的条件下，风速 越高，食品的干耗也就越大。可是当空气温 度和湿度发生变化时，情况就不同了，图2 1 吵 少一 一 ，。 r ，。 2 56 79 51 5 2 时闯( h ) 图2 1 空气条件和羊肉 质量减少的关系 第二章空气制冷机在食品冷冻上的优势分析 是羊肉干耗的例子一j 。 图中有两条曲线a 和b ，曲线a 是空气温度0 ，相对湿度9 2 ，空气的流动速 度2 m s ：曲线b 是空气温度2 ，相对湿度8 5 ，空气的流动速度0 o l m s 。由图 可以看出，尽管空气流动速度大，但干耗在空气的温度低、湿度大时要比空气流速 低、温度高且干燥的时候小许多。这说明在温度降低的同时空气的湿度是降低干耗 更有效的手段。如前所述，吹风式冻结是以较低空气温度和较高的风速来加快冻结 速度，如果设法增大送风的相对湿度就能将干耗降至最低。 吹风式冻结目前配置的制冷系统几乎都是蒸汽压缩式，冷却设备是冷风机并置 于保温体内。由于受到设备投入、功耗、装置体积等因素的限制，不可以将制冷剂 蒸发温度与空气问的温差减到很小，因此干耗也必然较大。 当以开式回冷低压直接吸热循环空气制冷机作为冻结库冷源的情况下，运用上 述理论可知，由于提高冷却空气的相对湿度比降低空气流速和空气温度对降低冻结 过程食品的干耗更加有效。所以，能够提供饱和低温空气的开式回冷低压直接吸热 循环空气制冷机有降低干耗的主要特点。通过降低冷空气温度来减少干耗是空气制 冷机的自身优势，同时还可以提高制冷机的效率。如2 2 所述，冻结库体积的缩小 相当于减少了蒸发和升华潜热的供给，对降低干耗同样有利。为了加快冻结速度而 提高风速，也不会使得干耗过多增加。因此，可以认为开式回冷低压直接吸热循环 空气制冷机可以最大限度地减少冻结食品的干耗。 4 第三章蓄冷干燥器的原理分析 第三章蓄冷干燥器的原理分析 3 1 蓄冷干燥器的工作过程 蓄冷干燥器是一种再生式换热器，其传热过程分为两个阶段热吹期和冷吹 期。在热吹期，热气流通过蓄冷器，加热蓄冷器的填料，气体本身的温度降低；在 冷吹期，冷气流反向通过蓄冷器，使填料冷却，气流本身温度升高。一次热吹期和 一次冷吹期组成一个传热周期。蓄冷干燥器中的换热是周期性换热过程。 低温工程中应用的蓄冷器( 回热器) 按其运行特点可分为两类 4 3 ： ( 1 ) 阀切换式蓄冷器。在吉福特麦克马洪、索尔文和脉管制冷机所用的蓄 冷器( 图3 1 a ) 和全低压空分装置中使用的蓄冷器和本课题研究的蓄冷器( 图3 一l b ) 同属这一类。他们共同的特点是工质的进、排过程分别用高、低压阀控制，压力的 变化是不连续的，吸气和放气过程的压力变化可看作是直线变化，即d p d t = 常数。 ( 2 ) 无阀蓄冷器。在维勒米尔和斯特林制冷机中的所用的蓄冷器属这一类。其特 点是无阀控制，工质的流向取决于各工作腔之间的压力差，因而，压力和流量是连 续变化的，如简谐变化( 图3 1 c ) 示出了斯特林制冷机中的蓄冷器工作情况。 高压 蓄净器 膨胀器 a b 图3 1 回热器类型图 膨胀活塞 制雌 蓄净器 压缩腔 压缩活塞 c 蓄冷器具有结构紧凑、比表面积大( 高达5 x 1 0 4 m 2 m 3 ) 、效率高、结构简单、 造价低和不易被杂质堵塞等优点。蓄冷器是低温气体制冷机的关键部件。通过蓄冷 器所传递的热量要比气体制冷机的制冷量大1 0 1 5 倍，所以其性能的优劣。对气体 制冷机的性能有决定性的影响。理论分析和试验结果表明，在气体制冷机的各项损 第三章蓄冷干燥器的原理分析 失中，蓄冷器的损失占较大比重。例如一台斯特林制冷机按经典理论计算，当制冷 温度为7 5 k ，蓄冷器的传热效率为9 9 时，蓄冷器的损失中仅回热损失一项，就相