过冷水动态制冰系统中过冷却器的仿真与优化研究

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纯水在一定的冷却速率下，达到冰点温度后，不会马上结冰，而会出现过冷现象，过冷水动态制冰技术就是利用水的这种过冷现象进行制冰，制取的冰是一种冰水混合物，称为二元冰，也叫做冰浆。过冷水动态制冰是目前研究较热门的一种动态制冰技术，制冰回路主要由过冷却器、过冷解除装置和蓄冰槽组成，其中过冷却器是关键部件。相对于静态制冰，过冷水动态制冰具有换热效率高、制冷机运行工况稳定以及尖峰取冷能力强等优点，但也存在着需要附加运行部件以及技术不够成熟等问题。为提高过冷水动态制冰系统的性能，使其稳定、高效地运行，本文对过冷却器进行了设计、仿真以及优化研究。根据过冷水动态制冰系统和过冷却器的要求，设计了一种新型多管型套管式换热器作为过冷却器，该换热器具有较高的换热效率，与此同时，避免了套管式换热器和壳管式换热器的不足，即与单根内管的套管式换热器相比，流量大幅增加；与壳管式换热器相比，外形尺寸大大减小。建立了过冷却器的数学模型并用MATLAB进行编程，调用程序后所得的仿真数据与实验数据相比，平均误差小于15％，满足精度要求。过冷却器的优化研究包括单目标最优化和多目标模糊优化设计，多目标模糊优化设计中列举了双目标和三目标的模糊优化方法，通过建立所需的目标函数，使过冷却器的结构、性能在满足目标要求下得到优化。例如三目标模糊优化以面积、压降和传热单元数为目标函数，使之满足“投资少、压降小、换热能力大”的设计原则，最后得出过冷却器结构优化参数。用建立的仿真模型对优化后的过冷却器进行了仿真，结果表明在换热面积增加不大的情况下过冷度大大增加，提高了制冰效率。基于过冷却器的仿真模型，研究了不同参数对过冷却器出口过冷度的影响，得到了与试验研究一致的结论：1)在相同流速下，随着蒸发温度的降低，出口过冷度增大；2)在相同蒸发温度下，随着流速的增大，出口过冷度增大。结冰的发生有许多不确定性，所以影响过冷却器管内结冰的因素只能通过试验分析来得到。本文通过大量的试验研究并参考日本在这方面的一些结论，经过分析总结，丰富了过冷却器的研究内容。通过对过冷却器的设计、仿真和优化研究，使过冷却器的结构、性能得以优化。本文提出的影响过冷却器出口过冷度和结冰的因素，对于避免过冷水在制冰过程中结冰堵塞、提高系统的整体性能和可靠性以及对过冷水动态制冰技术的进一步研究有着一定的参考价值。

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作者
郁庆庆;
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作者单位

上海海事大学;

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授予单位上海海事大学;
学科制冷及低温工程
授予学位硕士
导师姓名章学来;
年度 2006
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类制冷设备;
关键词
过冷却器; 过冷水; 过冷度; 二元冰; 单目标最优化; 目标模糊优化设计;

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