折流板對大型磚冰機蒸發器鹽水流場的影響分析

佘麗麗 羅清海

（湖南交通工程學院， 湖南 衡陽 421001）

0 引言

隨著人們生活水平的進步，制冰機在日常生活中的應用日益廣泛。大型制冰機在農、漁業產品冷藏、物流和保鮮中的應用規模越來越大。大型制冰機中磚冰機生產的冰塊堅硬密實，不易融化，易于運輸、冷藏和保存，是農、漁業用冰的主要制冰工具，但大型磚冰機存在能耗相對較大、制冷效率偏低等的缺點[1]。為改進磚冰機的制冰性能，我國學者關朋[2]等探討了改進制冰池蒸發器的方案。莊友明[3]等關于鹽水制冰工藝提出了幾點節能措施。呂岑義[4]、邱立榮[5]等對磚冰機制冰池結構形式進行了改進。張浦悅[6]、謝烈[7]等設計和優化了制冰機制冰系統。張健滔[8]等提出使用工程制圖和三維建模方法運用于制冰機的產品設計方案中，降低研究成本。國外學者Wengsheng Cao等[9]通過gPROMS軟件動態模擬了制冰過程，并使用HYSYS軟件動態模擬和設計了海水片冰機脫鹽制冰的過程。國內外學者對制冰機的系統設計、運行優化等做出了很多貢獻，但國內鮮見用CFD數值模擬方法分析折流板對磚冰機蒸發器鹽水流場的影響，本文基于CFD方法對比分析了磚冰機制冰池內蒸發器有無折流板鹽水流場情況，并根據模擬結果提出改進蒸發器結構形式的方案，為大型磚冰機的優化設計提供參考。

1 磚冰機蒸發器的基本參數

該研究以某公司生產的BBI10-30型號，產量為10t/d的大型磚冰機為樣本。現有蒸發器如圖1(a)所示，蒸發器管道數為9根，蒸發器管道外徑為38mm，壁厚1.65mm，排列方式為3行3列，該蒸發器無折流板，鹽水沿管長方向縱向沖刷蒸發器外管道，鹽水與蒸發器管道內制冷工質換熱效率較低。為提升蒸發器與鹽水的熱交換效果，對該蒸發器的結構形式進行優化設計。改造后的蒸發器如圖 1(b)所示，在蒸發器管道上增裝三條矩形折流板，鹽水改變流向接近沿管道直徑方向橫向沖刷蒸發器外管道。

圖1 現有蒸發器和增裝折流板蒸發器xz平面示意圖

折流板尺寸的選取參照《換熱器設計手冊》[10]。經計算后取兩折流板間距為2.2m，折流板的高度取 0.7倍鹽水池水力直徑，鹽水池的三維空間尺寸為6.12*0.154*0.258m，計算后得到折流板高度為 0.184m。折流板尺寸為0.154*0.184mm。

2 蒸發器模型參數設置

本文使用Gambit進行建模，第一個模型為無折流板蒸發器模型，鹽水沿管長方向縱向沖刷蒸發器管道，使用體網格劃分方式，網格類型為Tet/Hybrid TGrid，網格間距為10mm，網格數為1220357；第二個模型為有折流板蒸發器模型，鹽水接近沿管道直徑方向橫向沖刷蒸發器管道，網格劃分方式和類型同第一個模型，網格間距為8mm，網格數為2346567。

鹽水為不可壓流體，使用壓力基隱式求解器，計算模型選擇能量守恒方程和標準Κ-ε雙方程模型。入口處給定鹽水初始速度為0.3m/s，鹽水初始溫度為-9.5℃，鹽水密度取為1175kg/m3，比熱容為3315 J/(kg·K)，傳熱系數為0.505 W/(m·K)，粘性系數為0.004704kg/(m·s)。經計算得鹽水通道水力直徑D為0.44m，且由湍流強度計算公式 l=0.07D，入口處鹽水的湍流強度取為 3.08%。取蒸發器壁溫為-15℃，蒸發器材質為銅，查給定溫度下銅的熱物理性質表，得銅的密度為8930kg/m3，比熱容為386J/(kg·K)，傳熱系數為401W/(m·K)，管壁厚為0.00165mm。本模擬的收斂殘差為10-6。

3 對比分析蒸發器有無折流板鹽水流場分布

圖 2為在蒸發器有無折流板情況下鹽水流場在典型截面 Y=0.05m平面上X=0.65~1m范圍內速度矢量圖。圖2(a)為無折流板情況下鹽水流場速度矢量圖；圖2(b)為有折流板情況下鹽水流場速度矢量圖。

圖2 蒸發器有無折流板情況下鹽水流場在典型截面 Y=0.05m平面上X=0.65~1m范圍速度矢量圖

由圖2(a)可知，無折流板時鹽水流速分布相對均勻，鹽水接近層流分布；由圖2(b)可知，有折流板時，在折流板左右兩側，靠近折流板與壁面連接處，由于受到折流板的阻礙，鹽水近滯止，而在折流板缺口弦兩側，鹽水流速相對較大，鹽水經過折流板呈繞流分布。

為研究大型磚冰機中蒸發器有無折流板對蒸發器鹽水池中鹽水的流場分布影響，選Z=0.079m平面上鹽水的速度、溫度和壓力云圖和典型截面Y=0.05m平面上鹽水的速度和溫度云圖進行對比分析。

圖3、圖4分別為無、有折流板時Z=0.079m平面上蒸發器鹽水池中鹽水的速度云圖；圖5、圖6分別為無、有折流板時Z=0.079m平面上蒸發器鹽水池中鹽水的溫度云圖；圖7、圖8分別為無、有折流板時Z=0.079m平面上蒸發器鹽水池中鹽水的壓力云圖；圖9、圖10分別為無、有折流板時Y=0.05m平面上蒸發器鹽水池中鹽水的速度云圖；圖11、圖12分別為無、有折流板時Y=0.05m平面上蒸發器鹽水池中鹽水的溫度云圖。

圖3 無折流板速度云圖Y=0.05m鹽水

圖4 有折流板速度云圖Y=0.05m鹽水

圖5 無折流板溫度云圖Z=0.079m鹽水

圖6 有折流板溫度云圖Z=0.079m

圖7 無折流板壓力云圖鹽水 Z=0.079m鹽水

圖8 有折流板壓力云圖Z=0.079m鹽水

圖9 無折流板速度云圖Z=0.079m鹽水

圖10 有折流板速度云圖Z=0.079m鹽水

圖11 無折流板溫度云圖Y=0.05m鹽水

圖12 有折流板溫度云圖Y=0.05m鹽水

通過圖3得，無折流板情況下，在Z=0.079m平面上蒸發器鹽水池中鹽水的速度分布相對較均勻且流速相對較大約為0.42~0.46m/s。通過圖4得，有折流板情況下，鹽水經過三處折流板時流速變小至0.1~0.2m/s，鹽水在兩折流板之間流速相對較大約為0.6~1.2m/s。對比分析有無折流板對蒸發器鹽水池中鹽水流速的影響，得知增設折流板能改變鹽水流向，鹽水擾動性好。

通過圖5得，無折流板情況下，在Z=0.079m平面上鹽水從入口到出口溫度降低約0.3℃；通過圖6得，有折流板情況下，在Z=0.079m平面上鹽水從入口到出口溫度降低約0.9℃。對比分析有無折流板對蒸發器鹽水池中鹽水溫降的影響，得知增設折流板鹽水能增大鹽水溫降幅度，增強鹽水與蒸發器換熱效率。

通過圖7得，無折流板情況下，在Z=0.079m平面上，鹽水流動阻力約為340Pa；通過圖8得，有折流板情況下，在Z=0.079m平面上，鹽水流動阻力約為6500Pa。對比分析有無折流板對蒸發器鹽水池中鹽水流動阻力的影響，得知增設折流板在一定程度上增大了鹽水流動阻力，此時考慮適當增加攪拌器的個數或者增大攪拌器的功率。

通過圖9得，無折流板情況下，在Y=0.05m平面上，鹽水流速方向接近一致，大小約0.4m/s；通過圖10得，有折流板情況下，在Y=0.05m平面上，在X取0~0.8m范圍內，鹽水流速大致在0.3~0.4m/s之間，在X取0.8~6.2m范圍內，鹽水在三處折流板的左右兩側流速相對較小約為0.2~0.3m/s，鹽水流經折流板缺口弦時，其流速增大至0.5~1.9m/s。對比分析有無折流板對蒸發器鹽水池中鹽水流速的影響，得知增設折流板能增強鹽水擾動，并且在一定程度上增大鹽水流動波動性。

通過圖11得，無折流板情況下，在Y=0.05m平面上，鹽水從入口到出口溫度降低約0.4℃；通過圖12得，有折流板情況下，在Y=0.05m平面上，鹽水從入口到出口溫度降低約 0.9℃。對比分析有無折流板對蒸發器鹽水池中鹽水溫降的影響，得知增設折流板鹽水與蒸發器之間熱交換效率相對好。

4 結論

通過CFD數值方法對比分析折流板對大型磚冰機制冰池內蒸發器鹽水流場速度、溫度和壓力分布的影響，依據典型截面云圖和典型直線上速度、溫度和壓力折線圖上參數分析結果，可以得出以下三點結論：

(1) 無折流板情況下，鹽水流速接近呈直線均勻分布，其速度大小約0.4m/s；有折流板情況下，折流板改變鹽水流向，鹽水流動波動性相對較大，鹽水在折流板左右兩側速度較小約 0.2m/s，而鹽水流經折流板缺口弦時其速度相對增大至0.6~0.8m/s。對比分析無、有折流板情況下鹽水速度分布特性，得知增設折流板能改變鹽水流向，增大鹽水流動擾動性，增強蒸發器與鹽水之間的熱交換效率。

(2) 無折流板情況下，鹽水從入口到出口溫度近似呈線性降低約 0.3℃；有折流板情況下，鹽水從入口到出口溫度接近呈階梯性降低約0.9℃。對比分析無、有折流板情況下鹽水溫度分布特性，得知增設折流板能相對增大鹽水溫降幅度，增強鹽水與蒸發器之間的熱交換效率，可縮短制冰系統制冰周期，節省磚冰機電量消耗，提高系統經濟效益。但折流板也在一定程度上大大增加了鹽水流動阻力。

(3) 大型磚冰機制冰池中增設折流板能能提高制冰池制冰系統換熱效率，縮短制冰系統制冰周期，降低制冰系統運行能耗，提高系統經濟效益。

[1]楊美傳,劉應清.冷鏈工程與制冷保鮮技術的現狀及展望[J].制冷與空調,2002,(4):8-11.

[2]關朋.對制冰池蒸發器的改造以及分析[J].制冷,2005,24(1):71-73.

[3]莊友明.鹽水制冰工藝的節能措施[J].上海水產大學學報,2002,11(3):295-298.

[4]呂岑義.制冰池改造[J].制冷,2000,19(2):82-84.

[5]邱立榮.制冰池改造一例[J].冷藏技術,1997,(2):37.

[6]張浦悅.提高制冰廠制冰效率的幾種措施[J].制冷學報,1992,(4):45-48.

[7]謝烈.液壓推進制冰機的節能與應用[J].制冷,1992,(2):69-72.

[8]張健滔.三維建模與工程制圖技術在產品設計中的應用—出口制冰機設計研制的實例介紹[J].現代機械,2005.(1):32-33.

[9]Wensheng Cao. Theoretical approach of freeze seawater desalination on flake ice maker utilizing LNG cold energy[J]. Desalination,2015,(355):22-32.

[10]錢頌文.換熱器設計手冊[M].北京:化學工業出版社,2002:19.181.