（制冷及低温工程专业论文）干冰冰箱的特性分析及其应用.pdf

中文摘婴 摘要 本文设计制作了干冰冰箱这一新的冰箱刑式，它取代了传统的制冷循环，具 有无噪音、几乎不消耗电能、二氧化碳气体来源广、成本低等一系列传统电冰箱 所无法比拟的优势。 在此基础上，本文首先对于冰冰箱冷冻窀内部温度场进行了实验研究，然后 采用商用c f d 软件f l u e n t 6 0 对其进行了数值模拟，最后将试验结果与计算结果 进行了比较和分析，二者基本吻合。 通过研究我们发现，在冷冻室内温度场最终稳定以后，里面的温度分布基本 上是均匀的。在实验研究中，每一组实验数据当巾都有一半以上的温度稳定在一1 8 4 - 2 。c 盼内。而且，三组实验中温度偏离设定值( 1 8 ) 最大的为一13 1 9 。c ， 偏差2 6 7 3 ；在数值计算中，除了冷冻室内四周的温度与设定值有偏差外，其它 人部分都是在预定的偏筹( 一1 8 。c 2 。c ) 之内。因此，存相对于冷冻室试验的温 差范州( - 1 8 。c 2 ) ，本文所采用的实验方法和数值计算方法用于研究干冰冰箱 的温度场具有一定的可靠性。 本文的结沦为t 冰冰箱的优化设计制作和整机研究奠定j ，实验和理论基础。 关键词：丁冰冰箱，冷冻室，温度场，实验研究，数值模拟 英文摘要 a b s t r a c t t h ec u r r e n tt h e s i sd e s i g n sa no r i g i n a lr e f r i g e r a t o r , t h ed r yi c er e f r i g e r a t o r h a v i n g s u b s t i t u t e dt h et r a d i t i o n a l r e f r i g e r a t i o nc y c l e ，i th a sm a n ya d v a n t a g e s o v e rt h e t r a d i t i o n a lr e f r i g e r a t o rs u c ha sn o i s e l e s s n e s s ，n e a r l y1 1 0e l e c t r i ce n e r g yc o n s u m p t i o n ， w i d es o u r c e so fc 0 2g a s a n dl o wc o s t se t c f i r s t l y ，a ne x p e r i m e n t a li sc a r r i e do u ti nt e m p e r a t u r ei n s i d et h ef r e e z e rr o o mo f d r yi c er e f r i g e r a t o r t h e nt h es o f t w a r ef l u e n t 6 0i sa p p l i e dt ot h en u m e r i c a l s i m u l a t i o no ft h et e m p e r a t u r e f i n a l i y ，t h et h e s i sc o m p a r i e st h ee x p e r i m e n tr e s u l t s w i t ht h ec a l c u l a t i o n s ，f i n d i n gt h a tt h e ya r eb a s i c a l l yi d e n t i c a l t h er d s e a r c hp r o v e st h a tt h et e m p e r a t u r ei sd i s t r i b u t e de v e n l ya f t e rt e m p e r a t u r e f i e l di n s i d et h ef r e e z e rr o o i ur e m a i n ss t a b l e i nt h ep r o c e s so ft h ee x p e r i m e n t , t h e t e m p e r a t u r e so fo v e rh a l f o fd a t ai ne a c hg r o u pa r ec o n t r o l l e dw i t h i nt h er a n g eo f 一18 士2 m o r e o v e r t h em a x i m u mt e m p e r a t u r ed e v i a t i o nv a l u e ( 一18 ) i nt h e3 e x p e r i m e n t si sf i x e da t 一1 3 1 9 ，i e a nd e v i a t i o nr a t eo f2 6 7 3 ：w h i l ei nt h e c a l c u l a t i o n ，m a j o r i t yo f t e m p e r a t u r e sd e v i a t i o na r ew i t h i nt h ef i x e dv a l u e ( - 1 8 。c 2 “c ) e x c e p tt h a ta r o u n dt h ef r e e z e rr o o m i nt h i ss e n s e ，t h ee x p e r i m e n t a la n dc a l c u l a t i n g m e t h o d sa d o p t e di nt h et h e s i sa r et og r e a te x t e n tr e l i a b l et os t u d yt h et e m p e r a t u r ef i e l d o fd r yi c er e f r i g e r a t o r t h et h e s i sl a y sae x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h eo p t i m a ld e s i g n a n dt h ew h o l em a c h i n es t u d yo fd r yi c er e f r i g e r a t o r k e y w o r d s ：d r yi c er e f r i g e r a t o r ，f r e e z e rr o o m ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，e x p e r i m e n t i n v e s t i g a t i o n ， n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，a i r t i g h tc o n t a i n e r ， h e a t p r e s e r v a t i o n ，s u b l i m a t i o n i l l 主要符号说明 主要符号说明 温度 压力 直径 热量 凝结换热系数 面积 换热系数 厚度 导热系数 摄氏温度 容积 开门次数 焓 比容 质量 比热容 凝固潜热 容积 时间 密度 动力粘性系数 时均速度值 速度脉动值 速度水平分量 速度垂直分量 时均温度 温度脉动值 f ：扩散系数s ：源项中：通用求解变量 下标 i j ，k ：笛卡尔坐标系坐标次序( i ，j v i 胁m w玉一一一姗魄堍埏一麦。h蚶酏眺眺毗k k n n 扒q 艮r 吼n k k k_=扒肌巴啊n 兰；眈 v l n l 绪论 1 绪论 1 1 传统冰箱的发展及研究现状 1 1 1 传统冰箱的发展回顾 工程意义上的“制冷”，就是用人工的方法使某一系统( 空间及物体) 的温度 低于周围环境介质的温度，并维持这个低温的过程，这里所说的环境介质就是指 自然界的空气和水l l 2 j 。为了使某一系统达到并维持所需的低温，就必须不断地从 他们中间取出热量并转移到环境介质中玄，这个不断地从被冷却对象取出并转移 热量的过程就是制冷过程，用来实现热量转移的物质通常称为工质。 1 8 3 4 年，雅i l j 比柏金斯在伦敦推卅了第一台实用制冷机该系统采用蒸汽 压缩循环及用醚作制冷剂口l 。伴随着制冷技术的发展，制冷工质的种类也在1 i 断增 加，人们总是力图找到干牛能更好、使用更安全、对人体无害的制冷剂。1 9 3 0 年， 氟里昂工质的出现极大的促进了制冷技术的发展，蒸汽压缩式制冷迅速成为制冷 技术的主流。1 9 4 5 年第一台溴化钾吸收式制冷机试制成功，此后制冷机的类型不 断增多【4 ”。随着现代相关工业的迅速发展，各种先进技术与制冷技术的渗透目益 加强，使其在国民经济的各个方面获得了越米越广泛的应用，制冷行、业也得到了 稳步发展，家用电冰箱变得越来越普遍。自本世纪2 0 年代早期，l ：始，电冰箱已经可 以人规模生产且成为人们生活的必需品，冰箱的发展也越来越迅速。 在冰箱发展中，高效节能冰箱一直被我围众多冰箱牛产厂家重视，并取得了 显著成效。据中国家用电器协会介绍，1 9 9 7 年和1 9 9 9 年，有关部门曾两次对我国 部分冰箱生产企业的产品的能效水平进行调查，统计结果显示，1 9 9 9 年电冰箱耗 电量水平比1 9 9 7 年1 、降2 0 。有4 4 个型号的产品到欧盟a 级能效水平，即节电 4 5 ，占总产品型号的1 1 ，7 7 个型号的产品达到欧盟b 级能效水平，即节电2 5 ， 占总产品型号的1 9 。调查结果表明，我国冰箱产品的电耗值与国外先进产品的 差距减小，部分产品己达到困际先进水平，技术升发和设计已进入良性状态。但 从整个冰箱行业来看，无沦足技术水平还足推广普及程度，我们与国外仍然存在 很大差距，也将促进我国冰箱业的快速发展【6 ”。 进入九十年代以来，人。l 污染、地球温室效应h 益严重，直接影响到人类的 生存和发展，冈此，提高能源效率和加强环境保护，已成为世界各困政府的追切 任务，成为世界经济可持续发展的先决条件。目前，哉目用能产品量大面广，而能 源利用效率只有3 2 左右，比国外先进水平低1 0 多个百分点，所以，节能潜力巨 大，其节能效果和经济效益非常显著。仅以电冰箱为例，我同每年电冰箱销售量 9 0 0 多万台，如果每台电冰箱节电0 1 k w h 2 4 h 1 0 0 1 ，全国每年节电量价值将达1 0 重痰人学硕十学位沦文 亿多元。因而，电冰箱的节能已成为能源工作的重要组成部分1 6 j 。 而冰箱来来的发展也必须考虑环保与节能这两人制约因素。一方商，要加快 制冷剂的替代步法，尽快研制 | 替代效果好、并且剥环境无害的新型工质。目前， 世界各国虽然已经找到r 1 2 的替代物r 1 3 4a 、r 6 0 0 a 以及一些共沸混合工质， 但是它们的性能各有优缺点，总体性能还不及r 1 2 1 8 j 。因此，寻找最佳的替代 物仍是今后。段时间内需要努力做的工作，同时还要研究冰箱部件的同收再生技 术。另一方面，由于自然资源的匮乏，最大限度的市能亦然成为今后冰箱生产厂 家追求的目标。现在已经有很多厂家丌始这方面的研究了，比如开发可变速压缩 机、隔热层的改进以及整个制冷系统的计算机摸拟，双回路制冷循环仍将成为今 后发展的方向之- - i “1 。除此之外，为了满足人们舒适生活的需要，还必须丌发很 多新功能，如保鲜、自动制冰、除臭、多室多门、解冻以及其它功能。 1 1 2 传统间冷冰箱的研究现状 削冷式电冰箱又称风冷冰箱、无霜冰箱，其蒸发器安放在冷冻室和冷藏室之 间，利用电肛l 扇强制箱内空气循环来冷却食品，大大提高了冷却速度【l2 ”j 。它有 自动化霜系统，使用方便，解除了直冷冰箱化霜难的问题；另外，它的储藏温度 均匀目温度控制灵活，便于铡成多温多功能闽室，更适应现代家庭生活及饮食结 构的需要，冈此间冷式冰箱正在逐步取代原来的直冷冰箱，更加普遍地应用于广 人家庭之中。在选用冰箱的过程r 卜，食品的保存质量、耗电量和运行噪音通常是 用户比较重视的| 、u j 题，一般的消费者并不会关心冰箱内部储物间室的流场和温度 场分布情况，也不会考虑食品的放置呵能对其造成的影响。1 9 9 9 年4 月至6 月，法 国的o n r a w e el a g u e r r e 等人对1 4 3 个普通家庭的冰箱使用情况做了统计调查，结果 表明：其中3 6 的家庭根本不关一i i , 冰箱所采用的冷却系统类型 1 4 , 15 1 ；7 0 的使用者 为了 1 省能耗而将温度调节装置设到“低冷”状态；其中大部分的使用者不会考 虑箱内食品堆积的位置和方式对r 保存效果的影响。因此，在冰箱的设讣过程中 必须充分考虑到这些问题。对于间冷式冰箱来说，其冷却问室的温度是通过空气 流量的分配来调节的，冷却空间的流场和温度场的分布特性与冰箱中制冷系统和 空气循环系统的各组成部件的匹配特性密切相关，直接影响着电冰箱的储藏温度、 整机耗电量、冷却能力、冷却速度和负载回升温度等性能指标，因此对其冷却窄 间流场和温度场的研究比直冷冰箱更值得关 i - 。我副对间冷式电冰箱的研究和牛 产起步比较晚，生产：厂家1 i 多，技术程度也不够成熟，很多厂家的设计水平还普 遍停留在半经验法和绘图c a dl - ，因此国j 4 一的间冷式电冰箱中还存在着能耗高、 噪音大、温度场分布不均匀等问题，从而缺乏市场竞争力“”j 。国际上一些知名 的厂家虽然在整机的性能研究和设汁优化卜取得了关键性的进步，但是由于涉及 产品开发没计方法的研究属于企、i l 机密范畴而公丌甚少，使得国内生产厂家与国 绪论 际水平有着技术上的差距。中崮进入w t o 之后，激烈的竞争形势进一步要求困内 企业提高产品的整机性能和附加值、缩短新产品的研发周期、保证新产品的使用 效果。 自冰箱问世以来，各幽的研究者和生产厂家对其进行了不断深入的研究。从 查阅的文献来看，大部分的研究集中于制冷系统及其部件的仿真优化和制冷：l 质 替代方而。c l a n d i om e l o 等人对间冷式电冰箱的热交换凹路进行了很好的分析 ”磁”j ；p w e l s b y 等人在其文章中详细地同顾了1 9 7 5 到1 9 8 3 年中有关制冷系统稳态 仿真模拟的研究概况 2 0 ，2 1j ；土志m 0 等人对换热器和毛细管模型作了一定的简化处理 和改进，将， 、停机过程有机地结合起来，建立了完整的制冷系统全性能计算模 型，针对一台r 1 2 冰箱作了设计改进m ；于兵等人采用动态分布参数浊对电冰箱系 统做了较全面的研究i l7 j ：r r a d e r m a c h e r n k i m 总结了近年来家用电冰箱领域的技 术发展情况，主要介绍了目前m 现的新型替代工质及对其的研究和应用 2 3 , 2 4 。在制 冷丁质的研究方面，其中m ，ah a m m a d 羊 1 m a a l s a a d 等人从热力学的角度出发，对 p r o p a n e ，p r o p m a e b u t a n e 在家用冰箱中应用的可行性进行了研究 2 5 , 2 6 1 ；而b o d i oe 和 d o n g s o o j t m g 划冰箱的问室温度分布进行了研究，结合试验验征，证明了f l u e n t 是 辅助无霜冰箱设计的一种有效的工具 2 7 2 8 j 。总结以上文献资料可以得出：目前崮内 对于问冷式电冰箱的流场和温度场的研究共少且比较_ = ：j ；成熟，而国外的研究多见 于企业新j “品的优化没计，但由丁涉及产品开发的机密而未见有说明详细的研究 方法和数学模型的文章发表；在目前已开展的研究中虽然充分考虑到了计算模拟 与试验验证并行的重要性，但通常采用的是热电偶测温进而对比特征点温度值的 验证方法。众所剧知，在冰箱内部布置多个热电偶必然会影响内部空气的流动换 热，使得测得的温度值与实际情况1 竽在较大的偏筹，但测点过少又不足以说明问 题，因此采用单的特征点温度值来验证所建的模型是不够全面的，需要结合冰 箱内部流场的精确测量结果才能比较全面的验证计算模拟并深入地分析模型中存 在的j 、u j 题，进而对模型加以修正和改进以充分发挥其指导实际的作用，但目前尚 未见到有文献提出关于冰箱内部流场测量的试验手段。 当然，冰箱未来的发展也必须考虑环保与节能这两人制约囚素。经过很多前 面的分析，我们现在所要做的就是研究出一种新的制冷剂，用来解决现在出现在 冰箱中的环保和节能等方面的问题，而干冰就是我们尝试使用的对象。 1 2 干冰的国内外研究概况、水平和发展趋势 干冰即固体c 0 2 ，雪白色的块状结晶( 或粉状) ，无光泽，不透明，在7 4 5 3 p a 压力下其升华温度为7 8 5 ，当干冰升华为0 气体时，每公斤于冰可以吸取热量 j j 6 3 6 k j 2 9 1 。它的冷冻能力为冰的2 倍，所以干冰是一种优良的低温冷却剂。当它 重庆人学硕士学位论文 相变时，不变成液体，而是直接升华成二氧化碳气体。二氧化碳也是少数几种无 毒、不易燃的天然工质之一。它的o d p = 0 ，且g w p = i ，如果少量泄露到大气中， 也不会产生环保问题。由于干冰具有这些特性，它广泛地被应用于食品冷藏、血 清、生物制剂、药品的贮藏和低温干燥以及冶金、钢铁的冷冻工艺、人工造雨、 消防灭火等民用事业中口。 1 2 1 二氧化碳的开发趋势和前景 近十几年来，世界上f ：业发达围家十分重视二氧化碳的丌发利用，尤其美、 f 等国液态二氧化碳的年产量己达数百万吨，而干冰由fi 叮压成一定规格形状， 放在有隔热层的十冰箱内很方便地储运，因此发展迅速其产量也达到几十万吨。 二氧化碳广泛应用受到制约的根本原因是由于生产中因膨胀箱喷嘴。压冰机固化 室设备的陈旧落后，致使液体二氧化碳转换成固体干冰得率甚至高于5 7 ：1 ，导 致吨干冰成本高，销售价达四、五千元以上。最近上海某单位根据动量、能量守 恒方程理论原理，重新对液体二氧化碳喷管进行设计，制造出新的雪状二氧化碳 转换成千冰的得率可以达到2 9 5 3 5 ：1 的水平，比传统陈旧的干冰发生器提高得 率7 5 ，至1 0 0 以上。据此测算，则生产t - 冰的吨成本只彳i 过2 0 0 3 元。这样，_ t 冰 的成本如果人大低于水冰的销售价格，作为致冷剂，= f 冰比水冰就更具有竞争优 势。 1 2 2 固态二氧化碳( 干冰) 的生产 酿造行业发酵过程产牛的气体二氧化碳经过水洗氧化、碱洗、干燥除湿( 油 分) 、除味等一系列的净化l 序后，在较低的温度( 1 2 1 5 ) 由j = | 主缩机加压到6 3 7 1 0 4 帕斯卡时，则液化成液态二氧化碳。液体二氧化碳则由分配站进人膨胀箱， 当压力降至1 1 7 6 1 0 4 帕斯 和3 0 。c 时，未气化的液态二氧化碳经喷嘴再喷进压 冰机固化室。控制三相点条件下的温度( 5 6 6 。c ) 和压j ( sk 7 4 x1 0 4 p a ) ，液体二氧 化碳即可变成雪花状的固态二氧化碳。最后把雪花状固体二氧化碳按一定规格在 2 0 5 8 x1 0 4 p a 压力下压制成冰块 3 1 , 3 2 。以上是干冰生产的传统工艺路线和所用的古 老设备。比较液态二氧化碳和干冰的吨产品消耗可以知道，在其它辅助利料消耗 几乎相同的情况下，吨干冰比吨液态- 氧化破仅多消耗气体- 氧化碳2 0 0 公斤，生 产用水6 0 吨，电耗1 0 0 一2 0 0 度“。 1 2 3 干冰作为冷源的优势p 4 j 干冰，即固体的一氧化碳，其制法是由液体二氧化碳经节流膨胀，再经干冰 压缩机压缩而得。成品分为雪花粉装和晶体块装，外观与冰+ u c j , ，能不经过液体 而直接变成气体，常压下固体升华损失的重量约为1 左右。 干冰作为冷源的的有几火优势： 制冷量大，降温速度快 4 重庆火学硕士学位论文 相变时，不变成液体，而是直接升华成一氧化碳气体。一氧化碳也是少数几种无 毒、不易燃的天然工质之一。它的o d p - 0 ，且g w p - l ，如果少量泄露到大气中， 也不会产生环保问题。由于于冰具有这些特性，它广泛地被应用于食品冷减、血 清、生物制剂、药品的贮藏和低温十煤以及冶金、钢铁的冷冻工艺、人工造雨、 消防灭火等民用事业中口。 121 二氧化碳的开发趋势和前景 近十几年来，t 界上刖k 发达国家十分重视二氧化碳的丌发利用，尤其美、 f 1 等国液态二i 氧化碳的年产量己达数百刀吨，而干冰由于i 口压成一定规格形状， 放在有隔热层的1 冰箱内很方便地储运，因此发展迅速其产量也达到几十万吨。 二氧化碳广泛应乍日受到制约的根本原h 足由于斗- o 中因膨胀箱喷嘴。压冰机固化 室发备的陈旧落后，致使液体二氧化碳转换成固体干冰得率甚争高于5 7 ：1 ，导 致吨干冰成奉高，销售价达四、五千元以上。最近上海某单位根据动量、能量守 恒方程理论原理，重新对液体二氧化碳喷管进行设计，制造出新的雪状二氧化碳 转换成千冰的得率可以达到29 5 35 ：】的水平，比1 统陈旧的r 冰发生器提高得 率7 5 ，至1 0 0 以上。据此铡算，0 生，。t 冰的吨成本只1 i 过2 0 03 元。这样，丁冰 的成本如果火大低于水冰的销售价杆，作为致冷剂，丁冰比水冰就更具有竞争优 势。 122 固态二氧化碳( 干冰) 的生产 酿造行业发酵过程产牛的气体二氧化碳经过水洗氧化、碱沈、干燥除湿( 油 分) 、除味等一系列的净化【一序后，在较低的温度( 1 2 1 5 ) 山h i 缩机加压到6 3 7 1 0 4 帕斯卡时，刚液化成液态二氧化碳。液体二氧化碳则由分配站进人膨胀箱， 当压力降至1 1 76 1 04 帕斯 利3 0 v 时，未气化的液态二氧化碳经喷嘴再喷进压 冰机嘲化室。拧制三柑点条什t - 的温度( 5 6 ，6 。c ) 和压力( 5 1 7 4 1 0 4 p a ) ，液体二氧 化碳即可变成雪花状的i 川态二氧化碳。最后把雪花状吲体二氧化碳按一定规格存 2 0 5 8 1 0 4 p a n 力下压制成冰块眦” 。以上是干冰生产的传统工岂路线和所用的古 老设备。比较液态二氧化碳和干冰的l 产品消耗可以知道，在其它辅助榭料消耗 几乎相同的情况下，吨干冰比吨液态_ 氧化破仅多消耗气体一氧化碳2 0 0 公厅，生 产用水6 0 n ! ，电耗1 0 旺2 0 0 度p 3 l 。 1 2 3 干冰作为冷源的优势 丁冰，即固体的一氧化碳，其制法是由液体二氧化碳经节流膨胀，再经干冰 压缩机压缩而得。成品分为雪花粉装和晶体块装，外观与冰相似，能不经过被体 而直接变成气体，常压下同体升华损火的重量约为1 - 右。 于冰作为冷源的的有几火优势： 0 ) 制冷量大降温速度快 制冷量大，降温速度快 重庆人学硕士学位论文 相变时，不变成液体，而是直接升华成二氧化碳气体。二氧化碳也是少数几种无 毒、不易燃的天然工质之一。它的o d p = 0 ，且g w p = i ，如果少量泄露到大气中， 也不会产生环保问题。由于干冰具有这些特性，它广泛地被应用于食品冷藏、血 清、生物制剂、药品的贮藏和低温干燥以及冶金、钢铁的冷冻工艺、人工造雨、 消防灭火等民用事业中口。 1 2 1 二氧化碳的开发趋势和前景 近十几年来，世界上f ：业发达围家十分重视二氧化碳的丌发利用，尤其美、 f 等国液态二氧化碳的年产量己达数百万吨，而干冰由fi 叮压成一定规格形状， 放在有隔热层的十冰箱内很方便地储运，因此发展迅速其产量也达到几十万吨。 二氧化碳广泛应用受到制约的根本原因是由于生产中因膨胀箱喷嘴。压冰机固化 室设备的陈旧落后，致使液体二氧化碳转换成固体干冰得率甚至高于5 7 ：1 ，导 致吨干冰成本高，销售价达四、五千元以上。最近上海某单位根据动量、能量守 恒方程理论原理，重新对液体二氧化碳喷管进行设计，制造出新的雪状二氧化碳 转换成千冰的得率可以达到2 9 5 3 5 ：1 的水平，比传统陈旧的干冰发生器提高得 率7 5 ，至1 0 0 以上。据此测算，则生产t - 冰的吨成本只彳i 过2 0 0 3 元。这样，_ t 冰 的成本如果人大低于水冰的销售价格，作为致冷剂，= f 冰比水冰就更具有竞争优 势。 1 2 2 固态二氧化碳( 干冰) 的生产 酿造行业发酵过程产牛的气体二氧化碳经过水洗氧化、碱洗、干燥除湿( 油 分) 、除味等一系列的净化l 序后，在较低的温度( 1 2 1 5 ) 由j = | 主缩机加压到6 3 7 1 0 4 帕斯卡时，则液化成液态二氧化碳。液体二氧化碳则由分配站进人膨胀箱， 当压力降至1 1 7 6 1 0 4 帕斯 和3 0 。c 时，未气化的液态二氧化碳经喷嘴再喷进压 冰机固化室。控制三相点条件下的温度( 5 6 6 。c ) 和压j ( sk 7 4 x1 0 4 p a ) ，液体二氧 化碳即可变成雪花状的固态二氧化碳。最后把雪花状固体二氧化碳按一定规格在 2 0 5 8 x1 0 4 p a 压力下压制成冰块 3 1 , 3 2 。以上是干冰生产的传统工艺路线和所用的古 老设备。比较液态二氧化碳和干冰的吨产品消耗可以知道，在其它辅助利料消耗 几乎相同的情况下，吨干冰比吨液态- 氧化破仅多消耗气体- 氧化碳2 0 0 公斤，生 产用水6 0 吨，电耗1 0 0 一2 0 0 度“。 1 2 3 干冰作为冷源的优势p 4 j 干冰，即固体的一氧化碳，其制法是由液体二氧化碳经节流膨胀，再经干冰 压缩机压缩而得。成品分为雪花粉装和晶体块装，外观与冰+ u c j , ，能不经过液体 而直接变成气体，常压下固体升华损失的重量约为1 左右。 干冰作为冷源的的有几火优势： 制冷量大，降温速度快 4 i 绪论 干冰的制冷量较大，常肚下干冰的温度为- 7 8 9 ，汽化潜热为5 7 3kj k g 、1kg 干冰变为25 时c02 气体能吸收6 5 3kj 的热量，而1kg 的液氮 ( 一19 6 。c ) 转化成2 5 。c 的氮气时吸收的热量为4 1ikj ，只有干冰的6 0 ，可见使用 干冰作冷源需要的干冰量仅是液氮的6 0 。 3 0 _ 2 0 i b 蛰 一l 曲 一2 射 一3 0 蕊ji 图1 1 降濡曲线图 f i 9 1 1l o a d i n gd e p r e s s e d t e m p e r a t u r e 另外由于t 冰制冷是利用i i 冰升华制冷，制冷过程快，而且还可以方便的通 过箱内温度调节系统调节干冰的汽化量，丛| 而能在较短的时间内使冰箱内温度达 到要求温度。而机械制冷冷藏集装箱从制冷系统启动剑系统输出最大冷量有一个 较长的工作过程，最大制冷量的输m 还受到所用制冷机组的限制，冈而其降温速 度与干冰制冷相比要慢得多。凶际铁路联盟科研所曾对t 冰、机械制冷等系统的 降温速度进行了划比实验，实验结果如图1 1 ，由图示町以看卅干冰制冷在这方面 有较大的优势。 结构简单，运行可靠，成本低廉 干冰为冷源的非机械制冷冷藏集装箱系统是利用干冰升华h 、较大的汽化潜 热和较低的汽化温度来实现制冷目的，它除了干冰储存及温度控制装置外，没自 其他任何运动装部件，这样就人大地减少故障出现的t u 能，提高运行的一q 靠性， 同时也降低了维修费用。比较而言，机械制冷冷藏集装箱的制冷系统结构复杂， 零部件多，而且工作压力又高( 一般为1 4 m p a 左右1 ，非常容易出现设备故障和系 统泄漏，维修工作量人，费用高。有关统计资料显示，机械式制冷系统的折旧费 大约是非机械制冷系统的2 8 倍，维修费则约5 4 倍。而日t 冰为冷源的冷藏箱没 有制冷机组，它的制造成本相对也要低。另外，与液氮制冷集装箱相比有两大成 奉优势，第1 是十冰每升的价格是1 1 8 冗，而液氮的价格是2 元左右。 充灌速度快，使用方便 币庆大学硕士学位论文 在冷源存储室内的雪花状干冰是由高压液态二氧化碳经减压装置减压后形成 的，其充灌速度较快，叫。以达6 0 1 0 0 k g m i n 。 应用领域广阔 于冰汽化温度低，常压下为一7 8 9 c ，以干冰作冷源的冷藏箱只要通过温度拧 制装置的调节，可以将箱内温度调节到一7 8 9 至常温下的任何一个温度要求，满 足不同冷藏货物的冷藏温度的要求。而机械式由于受到所用制冷剂以及制冷系统 的限制，一般蒸发温度不低了二3 0 ，而且蒸发温度越低，冷机的运行工况越恶劣， 制冷系统的效率也会急剧下降。 机械制冷由于用电量人，需要额外电源，供电问题制约了它在铁路、公路运 输中的广泛应用。而 二冰制冷箱就不存在这方面的问题，它只需少量的电量来提 供自动控制和循环矾崩的用电，而这可以通过蓄电池得以满足，无需外加电源， 因此干冰制冷冷藏集装箱的应用领域更为广阔。 兼有冷藏运输和气调运输双重功能 干冰制冷的降温速度快，降温时对食品组织的绌胞破坏较小，而且低温的二 氧化碳气体是从箱体顶部导入箱内，再加以一定量的通风量，箱内温度很容易达 到均匀，食品能够很快的整体处于冷的储存环境，有效地防止了食品变质。另外 二氧化碳7e 体无色、无味、无毒，是一种化学性质稳定的惰性气体，可以遏制果 蔬的氧化呼吸过程，是。种理想的气调保鲜气体，目前广泛应t j 于气调保鲜中。 因此，干冰制冷集装箱可以引入汽化了的二氧化碳，提高箱内二氧化碳浓度，起 到气调保鲜作用；同时由于果蔬呼吸作用受到遏制，呼吸热减少，减少了箱内热 负荷，使十冰消耗量减少很多。当然必须通过引入一定的新鲜空气来渊节集装箱 内空气成分，因为过高的c o ：含量，反而会引起水果腐烂。 总之，在当今的世界卜- ，环保和节能极为重要，而选用干冰为制冷剂一定会 同时解决这两方面的问题，这个梦想将1 i 在遥远。 1 3 干冰冰箱的优势及其研究现状 1 3 1 干冰冰箱的优势 与传统的电冰箱相比，下冰冰箱作为一种新的冰箱形式，有其特有的优势， 主要表现在以下儿个方面： 1 ) 传统的制冷循环，没有压缩机、j x l 机等发声设备，几乎没有噪音。 2 ) 冰箱由于是靠十冰升华产生的气体进行冷却，除了温控器需要消耗极少的 电能外，计划硝i 需要电力供给。因此，t 叮以这么说，十冰冰箱是一种不消耗电能 的冰箱。 3 ) 可以由c 0 2 制成，而c 0 2 在我们身边到处都足，只需要进行加工，而且成本 i 绪论 包不高，生产干冰的吨成本只不过2 0 0 3 元旧。因此，干冰冰箱的能源米源很广 成本也低。 1 3 2 干冰冰箱的研究现状 目静国内外还没有关子于冰冰箱这方商研究的文献报道。只是昕说美国有 家航空公剧的飞机上在使用干冰制冷的冷藏室。 1 4 数值计算和实验研究的关系 众所周知，描写传热、传质问题的微分方程常常是组非常复杂的非线性偏 微分方程。除了某些简单的情形外，很难获得这些偏微分方程的精确斛。剐于多 数有实际意义的传热、传质问题，必须采取丈验研究或近似斛法。 随着高速电子计算枫的迅速发展，从本 诗纪六十年代以来，传热问题的数值 解法很快地成为解决实际问题的一种重要工具。数值解法是一种离散近似的计算 方法。它所能获得的不象分析解那样是被研究区域中的未知量的连续函数，而只 是某些代表性的点( 称为节点) 上的近似的值。计算机中的一切计算都是通过加、 减、乘、除四则运算来完成的。为了用计算机解出节点上未知量的近似值，首先 凌 僚 瓣 壤 图1 2 数值解的步骤 f i g l2p r o c e s so f n u m e r i c a lv a l u ec a l c u l a t i o n 重庆人学硕士学位论文 要从给定的微分方程或基本物理定律出发，建立起关于这些节点上未知量近似值 之问的代数方程( 即离散方j 旱) ，然后对之进行求解。在传热学中应用的数值计算 方法很多，大多数方法的基本思想可以归结为：把原来在时间、空问坐标中连续 的物理量( 如速度场、温度场、浓度场等) ，用有限个离散点上的值的集合来代替， 按一定方式建立起关于这些值的代数方程并求解之，以获得物理量的近似解。一 个传热问题数值解的总体步骤人致如图1 2 所示。 同一个物理问题的刁i 同数值解法间的主要区别，在于子区域的划分与节点的 确定、离散方程的建立及其求解这儿个步骤上。关于传热学所采用的些数值求 解方法，上要有：有限差分法、有限元法、边界元法及有限分析法。有限元法、 边界元法及有限分析法在最近几年巾有很大的发展，并已成功地解决了一些流动 及对流换热问题。但是，就方法发展程度、实旋的难易以应用的广泛等方面而言， 有限差分这一方法仍占有相当优势。存此要特别说明数值计算与分析解法及实验 研究之间的关系。虽然许多复杂传热问题难以得到分析解，但不能因此而忽视分 析解的作用。这是因为分析觯的结果具有普遍性，各种影响冈素清晰可见，同时 它为检验数值计算的准确程度提供了比较的依据。在计算流体力学与传热学的发 展过程中，每当提出一种新的数值方法时，常常使片j 这种方法计算一个有分析解 的问题，通过分析解的比较再对该方法的准确性进行评价。此外，有时简单情形 下分析解的结果i 叮以为发展新的数值计算方法提供基础。实验研究无疑仍是传热 问题最基本的研究方法。任何一种传热现象的基奉数据都要通过实验加以测定， 数值计算中所采用的数学模型只有通过对现象的必要观察与测定才能正确的建 立，而数值计算的准确性也律往要通过与实测结果的比较爿能确认。任何一个物 理问题的数值模拟结果的准确度，首先取决于对所研究物理问题的数学模型是否 正确。如果所采用的数学模型本身不遁合，例如划于有强烈回流的问题采用边界 方程来计算，对于一个三维的问题应用了二维的数学描写，对。j ：一个本质上是非 稳态的问题使用了稳态的控制方程等，那么即使在数值计算的方法卜做了努力， 仍4 ：能提高解的精确度。又例如在物理问题的数学描写中常常包括些由实验测 得的常数或参数( 如物理特性数据) ，如果对数值计算结果有较大影响的常数或参 数的本身有较大的测定误差，那么对数值计算过程中过分追求减少数值误差的努 力也是没有实际意义的。计算机并不能创造信息、发现规律，它只是把人们所送 入的信息按计算者所选定的规律进行处理、加工而已。但另+ 方面，一黾建立了 实际物理问题的合理数学模型，数值计算义可以发挥很大的作用。这是因为，实 验的方法常常受到定的限制( 如设备与运行费用，实验、的条件等) ，而数值计 算的方法正具有成本低及能模拟复杂或较理想的工况等优点，它可以拓宽实验研 究的范围，减少实验的工作量。从某种意义上来说，在特定参数下用计算机进行 1 绪论 一次数值计算相当于进行一次实验。历史上也曾有首先通过数值计算发现新现象 而后由实验验证的例子。总之，由于理论分析、实验研究及数值计算各有其适寅 的应用范围，把这三种方法巧妙的结合起来可以收到相互补充、相得益彰的作用。 可以认为，在科学技术发展到今天的阶段，把实验测定、理论分析与数值计算有 机地结合起来的方法，是研究传热问题的理想而有效的手段。 1 5 本文的主要工作 本文主要包括以下几个方面的工作： i ) 就十冰在圆柱体密闭容器中的升华特性进行实验研究，为更好的储存和使 用干冰提供理论和实验基础。 2 ) 干冰冰箱及干冰罐的设计计算。 3 ) 对干冰冰箱冷冻室内部的流场和温度场进行了计算模拟，并将试验结果与 计算结果进行比较和分析。 2 干冰升华特性的实验研究 2 干冰升华特性的实验研究 当前，干冰大部分是在密闭、保温的容器或箱体内存储和使用。人们仅仅是 通过箱内温度调节系统凋节干冰的汽化量，而没有详细了解十冰在箱体内的升华 特一降 3 l 3 6 1 。我们知道，干冰升华时会产生大量气体，使箱体内的压力不断升高， 进而使容器处于正压状态。容器体积不变，压力的变化又会导致其内部温度发牛 变化。这样，箱体内干冰升华后的压力和温度的变化状况就会直接影响到被冷却 对象和箱体原来的特性。目前国内外还没有义于这方面研究的文献报道。为此， 本文特就干冰在圆柱体密闭容器中的升华特性进行实验研究，为更好的储存和使 用干冰提供理论和实验基础。 另外，目前能源非常紧张，电力更是尤显不足，而冰箱是所有家用电器中耗 电最多的：另外，制冷系统中的氟利昂对臭氧层的破坏作用又不容忽视。为缓解 以上矛盾，本文就丁冰在圆柱体形密闭容器中的升华特性进行实验研究，在此基 础卜设计f t 下冰冰箱，并对此千冰冰箱进行一系列的实验研究，为干冰冰箱的发 展与应用提供理论和实验笨础。 2 1 实验装置 实验装置士要由圆柱体中空密闭容器、模拟量采集块和p c 机组成。 圆柱体密闭容器的尺寸为0 1 5 9 8 4 0 r a m ，内部设有中空的气体层，i q 以填珠 光砂再抽真空以使容器保温。在容器内竖直方向上布置8 只热电偶，每相邻两只热 电偶的间距均为10 0 m m ，由上到下分别为：t l ，t 2 ，t 3 ，1 4 ，t 5 ，t 6 ，t 7 ，t 8 。 本实验采片j a d a m 一4 0 0 0 系列模拟量采集块，通过c o m 端ll 接线送入计算机存储和 显示。实验装置简图如图2 1 所示。 热电偶的选择：热电偶材料种类很多，常用的不下几十种，不同材料组成的 热电偶其测温范围，适用条件，灵敏度等也不同，实际应用中应有所选择。在本实 验中选择的是铜一康铜热电偶，因为铜康铜热电偶在一2 0 00 | c 4 0 0 。c 温度范围内， 具有热电势和温度火系近似线性，而目热电势人，灵敏度高，复制性好等优点， 它是一种准确度高的廉价金属热电偶。铜一康铜热电偶分度号为t ，当测量0 0 c 以 卜f 温度时，红色电极为f 极( c u ：1 0 0 ) ，银白色电极为负极( c u ：5 5 ，n i ：4 5 ) 在制冷，空调系统的测试研究中，得到广泛地应用口o ”j 。因此，本实验选用直径 为0 2 m m 的铜和康铜丝作为热电偶的材料。 重庆人学硕_ 土学位论文 图21 实验装置简图 1 密闭容器p 一压力表2 一排气闷3 抽真空阀4 温度采集模块 2 5 一压力采集模块6p c 机7 一球光砂 f i 醇1e x p e r i m e n t a ld e v i c e i - o b t u r a t i o nc o n t a i n e rp - t a b l eo f p r e s s u r e2 - d r a i nt a p3 - v a c u u m - v a v l e 4 - t e m p e r a t u r e c o l l e c t i o nm o d u l e5 - p r e s s u r ec o l l e c t i o nm o d u l e6 - p e r s o n a lc o m p u t e r 7 - b o r a xb e a d 2 2 实验方法及结果分析 2 2 1 实验方法 考虑到实际十冰箱体的使用中有可能出现不能完全密封以及不能绝对保湿等 情况，本文针列四个过程分别进行了升压和排气实验，以研究干冰升华过程的温 度、压力及时问的相瓦，、疋系。 升压实验 首先是将抽真空阀打开，使环境中的空气充满中空层，即让容器四周和底部 与外界有热交换。然后分别在容器内有空气和排出空7 i 的条件下进行了两组升压 实验；接着将容器保温。方法是存圆柱体的中空层填满珠光砂再抽真空5 小时，抽 完之后真空表压力2 4 d 时之内上升小于1 0 p a 。这样，再分别在容器内有空气和排 出空气的条件下进行两组升乐实验。 排气实验 排气实验是紧接着每+ 组升压实验进行的。本灾验的_ 氧化碳气体喷口是采 用直径为中8 的铜管。在每组升压实验结束之后，迅速将球形阀完全打丌，使二 氧化碳气体从此喷出，离至网柱形密闭容器t p 的压力在l 小时之内的乐力降小于 1 0 p a 为j e 。 2 十冰升华特性的实验研究 2 2 2 实验结果与分析 升压实验 对应于表2 1 和表2 2 数捌所示容器与外界有热交换时的两组实验，得出了如蚓 2 2 和图2 3 所示的干冰升华时温度和压力的关系曲线。 表2 ，1 保温前容器内订空气时升疆数据 t a b l e 2 1d a t au n d e r t h ec o n d i t i o n so f n ra n d h e a t t r a n s f e r r i n g t 1t 2t 3t 4t 5t 6 t 7t 8 觳啭j j m p a ) l i 7 76 9 51 4 662 32 6 5 9- 4 1 6 l一7 3 7 7 60 2 0 1 2 7 28 0 825 6- 5 ，4 81 8 3 12 8 1 66 8 1 77 6 0 2o 0 6 1 3 0 88 1 426 25 4 515 6 72 48 96 3 4 67 5 9 8 o 1 2 1 3 o a8 5 4 3 0 25 21 4 1 42 2 6 26 1 5 87 5 9 80 1 8 1 2 6 9 9 0 5 3 6 64 71 2 8 72 0 7 55 8 5 37 5 9 10 2 4 1 2 4 39 5 4 42 44 1 71 06 11 7 6 85 6 3 17 5 9 1o 3 1 2 19 5 45 1 23 3 3 1 01 9，1 7 1 35 55 2