隨著食品冷鏈技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛,陳列柜作為冷鏈終端設(shè)備越來越受到關(guān)注。陳列柜制冷系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化和柜溫穩(wěn)定性的研究也成為重要的課題。本文在傳統(tǒng)立式敞開式陳列柜制冷系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上,一方面引用新型的陳列柜制冷系統(tǒng),利用圖論數(shù)學方法對制冷系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計,提升系統(tǒng)的性能和能效比。另一方面,將半波函數(shù)及波形特征值分析應(yīng)用到陳列柜內(nèi)食品溫度的數(shù)值模擬當中,分析不同工況對柜內(nèi)各食品溫度波動的影響,為陳列柜系統(tǒng)優(yōu)化和食品貯藏品質(zhì)的提升提供參考依據(jù)。通過仿真模擬和試驗測試,取得了以下研究成果:1.基于圖論方法,對新型組合式超市制冷系統(tǒng)的熱力循環(huán)進行了圖論矩陣描述并建立了數(shù)學模型,針對三種不同的制冷系統(tǒng)構(gòu)建方案以及使用三種不同制冷劑的分別對壓縮機組的性能以及各部件的制冷量進行了模擬計算,通過對計算結(jié)果的分析得出:在+50oC冷凝溫度時,相同系統(tǒng)方案使用R22制冷劑時壓縮機組的綜合能效比最高,使用R407C次之且壓縮機組輸入功率最小,使用R404A制冷劑時能效比最低。三種方案中,方案A制冷量基本符合要求,且壓縮機組的能效比較高,方案B的冷藏、冷凍陳列柜制冷量偏小,無法達到設(shè)計要求,方案C的冷藏、冷凍制冷量則偏大且壓縮機組的能效比最低。因此針對給定的冷負荷要求,方案A最符合超市制冷系統(tǒng)的設(shè)計要求,另外冷藏壓縮機采用同排量雙機并聯(lián),曲軸箱的油平衡更好、回氣分配更均勻,避免了不同排氣量壓縮機并聯(lián)時易發(fā)生小排氣量壓縮機缺油的弊端。通過結(jié)合圖論方法的數(shù)值模擬計算和分析,有效地優(yōu)選出最佳的系統(tǒng)配置方案,大大縮短制冷系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的時間,減少了不變要的設(shè)計成本。2.建立了陳列柜內(nèi)溫度場響應(yīng)的數(shù)學模型和對應(yīng)的食品溫度波動響應(yīng)的數(shù)學模型,將送風響應(yīng)和周期融霜響應(yīng)脈沖函數(shù)作為初始條件,對陳列柜內(nèi)的溫度場和貯藏的液態(tài)食品的波動特性進行了數(shù)值模擬計算。模擬計算結(jié)果表明:在融霜周期下柜內(nèi)食品溫度的波動幅度要遠大于制冷周期下食品溫度的波動幅度,對食品的品質(zhì)影響更為嚴重,并隨著融霜加熱時間的增加,各液體食品中心位置的波動時間相應(yīng)增加,溫升峰高也隨之增加。柜內(nèi)液態(tài)食品溫度的波動由表面到內(nèi)部前20mm的變化趨勢最大,增幅或衰減最快;從內(nèi)部20mm點到中心(30mm)點的10mm內(nèi)各特征值變化趨勢平緩,幅度變化較小,甚至基本不變。融霜加熱時間越短、開停比R越小、食品的含水量越大,其食品內(nèi)部的溫度波動時間越短、波動峰高越小;選擇適當?shù)娜谒Ｊ�、開停比并根據(jù)不同食品的含水量來進一步優(yōu)化陳列柜的運行工況對提高食品的品質(zhì)是十分有研究價值的。3.提出了聯(lián)合供冷風陳列柜系統(tǒng),該系統(tǒng)可實現(xiàn)“制冷系統(tǒng)集中供風”、“引入天然冷源式供風”以及雙模供風三種工作模式,可減少陳列柜內(nèi)柜溫波動以及系統(tǒng)能耗,提高系統(tǒng)的能效比。搭建了聯(lián)合供風式陳列柜系統(tǒng)的試驗臺,系統(tǒng)可在三種供風工作模式中進行切換,并通過閥門控制和風機變頻對兩臺柜體的送風風速進行有效調(diào)節(jié),同時也與傳統(tǒng)陳列柜系統(tǒng)進行了對比試驗。對比分析了聯(lián)合供風式陳列柜采用制冷系統(tǒng)模式與傳統(tǒng)陳列柜的融霜周期,考察了送風速度對聯(lián)合供風式陳列柜柜內(nèi)溫度以及內(nèi)風幕速度的影響,研究比較了兩種工作模式的聯(lián)合供風式陳列柜與傳統(tǒng)成列柜的送風速度和柜內(nèi)溫度分布,對引入天然冷源聯(lián)合供風式陳列柜的功耗進行了測試,并于傳統(tǒng)陳列柜進行了對比。在基于雙流體改進模型的陳列柜風幕模型的基礎(chǔ)上,本文將集中式送風式陳列柜系統(tǒng)進行了整體模擬,分別計算了送風管和柜體的速度場和溫度場分布。并將數(shù)值模擬結(jié)果和與實測溫度結(jié)果的進行了驗證。聯(lián)合供風式陳列柜系統(tǒng)采用了大片距蒸發(fā)器和大功率融霜電加熱,其結(jié)霜量和融霜時間顯著減少,融霜間隔可以從傳統(tǒng)陳列柜的6 h延長到9 h,24 h工作周期內(nèi)柜內(nèi)最大溫升從4.0oC減少到2.4oC。聯(lián)合供風式陳列柜系統(tǒng)采用制冷系統(tǒng)供風模式和引入天然冷源模式下,柜內(nèi)的送風速度分布和溫度分布與傳統(tǒng)陳列柜相近,均可以正常工作。在寒冷季節(jié),引入天然冷源供風的聯(lián)合供風式陳列柜相對于傳統(tǒng)陳列柜可節(jié)約大約43%的能耗,節(jié)能效果顯著。通過數(shù)值模擬可發(fā)現(xiàn)兩種工作模式下的聯(lián)合供風式陳列柜內(nèi)的速度、溫度場分布與傳統(tǒng)陳列柜有相似之處,在回風口附近柜外空氣的卷吸現(xiàn)象明顯,柜外環(huán)境溫度有分層現(xiàn)象。通過對仿真模擬的溫度值和試驗數(shù)據(jù)的分析得出,兩種供風模式的模擬結(jié)果的平均偏差和最大偏差的最大值分別是-0.8oC和0.7oC,計算偏差較小,模擬結(jié)果與實測值相符。4.結(jié)合仿真模擬方法,對陳列柜制冷系統(tǒng)提出整體的優(yōu)化策略,一方面研究討論節(jié)省系統(tǒng)的整體能耗,提高能效比的策略,另一方面研究討論減少柜內(nèi)貯藏食品溫度波動的策略。具體策略如下:對于多元組合式制冷系統(tǒng),可以對熱力循環(huán)進行了圖論矩陣描述并建立了數(shù)學模型,針對不同的制冷系統(tǒng)構(gòu)建方案進行了模擬計算,輸出系統(tǒng)的功耗、能效比以及制冷量等計算結(jié)果,通過對計算結(jié)果的分析,可以優(yōu)選出最匹配的系統(tǒng)構(gòu)建方案。對于聯(lián)合供風式陳列柜系統(tǒng)和水冷變頻單機系統(tǒng),可以利用圖論的最短路徑算法,優(yōu)化管路的路徑,減少管路阻力和漏熱,達到節(jié)約系統(tǒng)能耗,提升能效比的目的,并能節(jié)省材料,降低安裝成本。通過分析了“制冷系統(tǒng)供風”和“引入天然冷源供風”兩種供風模式的優(yōu)劣,在此基礎(chǔ)上確認了雙模聯(lián)合供風方式的必要性,并歸納了聯(lián)合供風式陳列柜的送風策略,解決受天然冷源區(qū)域限制的問題,擴展了聯(lián)合供風式陳列柜系統(tǒng)在全國的應(yīng)用范圍。通過對仿真模擬結(jié)果的分析可知,陳列柜制冷系統(tǒng)的融霜條件和開停比是減少陳列柜內(nèi)食品溫度的波動的重要因素,也是優(yōu)化策略的最佳對象。優(yōu)化融霜條件,譬如采用聯(lián)合供風式陳列柜或者熱氣(熱液)融霜;減小開停比,譬如采用PID溫控器、電子膨脹閥和變頻壓縮機,將會顯著減少柜內(nèi)食品溫度的波動,延長食品的儲藏時間,提高食品的貯藏品質(zhì)。最后,作者對本文研究的欠缺點進行了歸納總結(jié),并展望了本課題今后的研究方向和需要深入的內(nèi)容。
【學位單位】：上海海洋大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TB657.1
【部分圖文】：

立式敞開式陳列柜制冷系統(tǒng)流程圖

圖 2-3 便利店多元組合制冷系統(tǒng)壓焓圖（夏秋季模式）2-3 P-h schematic diagram of combined Refrigerated system (Summer-Autumn 型超市復雜組合制冷系統(tǒng)的圖論描述

連續(xù)替代法進行循環(huán)求解。常規(guī)的循環(huán)求解中，其順序一強的隨意性。本章考慮到制冷循環(huán)的特點，按制冷流程的（低壓）作為計算的起點作為循環(huán)求解的起點。與常規(guī)簡研究對象為復雜組合制冷系統(tǒng)，制冷循環(huán)復雜。針對這一循環(huán)效果較好的“圖的廣度遍歷算法”，按圖的廣度遍歷順逐步進行數(shù)值模擬計算，其算法流程如圖 2-6 所示。
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本文編號：2846075