冰漿在板式換熱器中的流動(dòng)與傳熱特性研究

馬克波, 張靜雅, 邵雪奎

(1.中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2.中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

1 引言

冰漿是一種由冰粒子和載流體溶液組成的兩相混合物[1]。由于冰粒子可發(fā)生相變，故與單相流體相比，冰漿具有較大的蓄冷能力，同時(shí)，與傳統(tǒng)的固態(tài)冰相比，冰漿又可以進(jìn)行流動(dòng)輸運(yùn)。因而，冰漿可被廣泛應(yīng)用于制冷、食物冷鏈保存保鮮、高熱害環(huán)境降溫等工程領(lǐng)域[2]。冰漿中冰粒子的直徑一般在0.1～1 mm，而載流體溶液則是由水和冰點(diǎn)抑制劑(氨、氯化鈉、乙二醇等)[2]構(gòu)成的混合溶液。冰粒子具有極大的換熱表面積，而且潛熱為335 kJ/kg，這就使得其換熱效率大大加強(qiáng)，可以有效減少輸運(yùn)流量，降低運(yùn)行費(fèi)用。冰漿具有良好的流動(dòng)特性，有學(xué)者甚至認(rèn)為，在某些條件下冰粒子的存在甚至可以降低其在流動(dòng)過(guò)程中的阻力，從而有效降低了泵的功率。但是，作為兩相流體，在實(shí)際使用的過(guò)程中冰漿的流動(dòng)和換熱特性與傳統(tǒng)單相流有較大的區(qū)別，需要進(jìn)行深入細(xì)致的研究。

國(guó)內(nèi)外對(duì)冰漿的制備、存儲(chǔ)、運(yùn)輸和終端應(yīng)用等各個(gè)過(guò)程均進(jìn)行了深入的研究，且大多集中在冰漿的成型、流動(dòng)和傳熱等方面[3-9]。學(xué)者們不僅從大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中總結(jié)歸納出冰漿的流體熱力學(xué)特性參數(shù)和規(guī)律，而且還通過(guò)分析計(jì)算和數(shù)值計(jì)算方法推導(dǎo)出冰漿成核、生長(zhǎng)、破碎和聚集的演化行為規(guī)律[10]。Ayel等從流變學(xué)角度對(duì)冰漿的流動(dòng)特性和傳熱特性進(jìn)行了綜述，并指出低雷諾數(shù)流動(dòng)對(duì)冰漿管道流動(dòng)的壓降具有顯著影響，冰漿的傳熱系數(shù)很大程度取決于流動(dòng)狀態(tài)[11]。Peng Zhang等基于顆粒流的分子動(dòng)力學(xué)理論，采用3D歐拉多相數(shù)值計(jì)算模型對(duì)水平圓管中冰漿的熱流特性進(jìn)行了計(jì)算研究，研究發(fā)現(xiàn)在較高的入口流速和入口含冰率工況下，冰漿表現(xiàn)出較好的各向同性，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在額定的管壁熱流密度下，局部換熱系數(shù)在入口區(qū)域下降趨勢(shì)明顯，并且在充分發(fā)展段保持穩(wěn)定[12]。

為了發(fā)揮冰漿在流動(dòng)與換熱方面的優(yōu)點(diǎn)，研究不僅要聚焦于其理論機(jī)理，更要對(duì)其終端使用開展廣泛的研究。本研究針對(duì)冰漿在換熱器中的流動(dòng)與換熱特性展開實(shí)驗(yàn)，在不同的含冰率、流速及熱流體溫度下探究冰漿的相關(guān)特性，同時(shí)對(duì)冰漿和純水的流動(dòng)與換熱特性進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)冰漿的流動(dòng)與換熱特性。

2 實(shí)驗(yàn)及檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 制冰裝置

本文涉及的實(shí)驗(yàn)采用過(guò)冷法制取冰漿：首先將水降溫至過(guò)冷狀態(tài)(水的溫度低于其凝固點(diǎn)而沒(méi)有結(jié)冰的狀態(tài))，再對(duì)其解除過(guò)冷，產(chǎn)生冰粒子。過(guò)冷法制冰裝置如圖1所示，主要包括三個(gè)循環(huán)：制冷循環(huán)、過(guò)冷循環(huán)和制冰循環(huán)。

圖1 過(guò)冷法制冰裝置示意圖

制冷循環(huán)為壓縮式制冷循環(huán)，由壓縮機(jī)、膨脹閥、冷凝器、換熱器等部分構(gòu)成，采用R22作為制冷劑[13]，額定制冷量約7 000 W。在制冰運(yùn)行的過(guò)程中，可能會(huì)產(chǎn)生冰堵現(xiàn)象(大量冰粒子在管口、旁通處聚集，造成堵塞)，所以制冷系統(tǒng)在特定情況下還需要制熱，以解除冰堵。

在上述的制冷循環(huán)中，蒸發(fā)器處的額定蒸發(fā)溫度較低，若是直接給水降溫，會(huì)使其降溫過(guò)度，容易凍結(jié)，因此需要在中間加一個(gè)過(guò)冷循環(huán)。本實(shí)驗(yàn)中所涉及的過(guò)冷循環(huán)用冰點(diǎn)溫度相對(duì)較低的乙二醇溶液作為載冷劑，通過(guò)變頻泵來(lái)進(jìn)行輸運(yùn)，這樣則既可以均勻地給水降溫，又可以控制水的過(guò)冷度。

在制冰循環(huán)中，通過(guò)超聲波促晶器對(duì)過(guò)冷水進(jìn)行過(guò)冷處理，得到冰粒子，再輸運(yùn)到儲(chǔ)冰槽中保存待用。

2.2 冰漿存儲(chǔ)與輸運(yùn)系統(tǒng)

選用尺寸為1 000 mm×1 000 mm×1 000 mm、壁厚為10 mm的全透明亞克力方形箱子作儲(chǔ)冰槽，根據(jù)需要開入水口、冰漿流出口、排水口、測(cè)溫口等接口。選用導(dǎo)熱率約0.034 W/(m·K)的橡塑保溫棉作保溫材料，可有效減少熱量損失。

在本文的實(shí)驗(yàn)工況下，冰顆粒的密度比水小(ρice=917-0.13t)，會(huì)聚集在載流體溶液的上面，并且隨著冰粒子的增多逐漸結(jié)塊，這對(duì)儲(chǔ)冰槽內(nèi)冰漿的取用造成了較大的困難，因此，采用“切線送入法”對(duì)冰漿進(jìn)行取用。切線送入法(如圖2)的主要原理是將大部分冰粒子匯集在固定的圓形容器內(nèi)(如水盆等)，沿著圓形容器的切線開口設(shè)置取樣口，待攪拌器對(duì)冰漿充分?jǐn)嚢韬螅厍芯€方向?qū)⒈Ｗ又苯印八腿搿比涌冢赃_(dá)到輸送冰漿的目的。

圖2 切線送入法示意圖(圈圈為采集口)

實(shí)驗(yàn)中有冰漿和水兩種流體，根據(jù)《工程流體力學(xué)》[13]，通過(guò)“中聯(lián)泵業(yè)選型系統(tǒng)”對(duì)兩種流體的輸運(yùn)泵分別進(jìn)行選型，具體參數(shù)如表1。

表1 輸運(yùn)泵參數(shù)

加熱器件采用Φ32 mm不銹鋼電熱管，配套使用SM5-LCD高精度溫度控制器，對(duì)水進(jìn)行恒溫加熱。溫度控制器負(fù)載為2 200 W，所以在實(shí)驗(yàn)中所用的電熱管需分兩個(gè)檔位，即用一個(gè)2 kW的電熱管連接溫度控制器，再輔以5 kW的電熱管進(jìn)行輔助加熱。

另外，考慮到冷熱流體實(shí)驗(yàn)溫度的差異，對(duì)冷流體選用PVC管進(jìn)行輸運(yùn)，熱流體則選用PPR管進(jìn)行輸運(yùn)。

2.3 檢測(cè)系統(tǒng)

為了對(duì)冰漿的流動(dòng)和傳熱特性分別進(jìn)行評(píng)估，需要先通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到其表征參數(shù)壓降△P(單位：kPa)和其換熱系數(shù)K(單位：W/(m3·℃))。其中，壓降△P可以直接通過(guò)差壓變送器得到，而換熱系數(shù)K的計(jì)算則需要進(jìn)一步測(cè)量相關(guān)參數(shù)，主要包括冰漿流量qv,i(單位：m3/s)和換熱器進(jìn)出口溫度Tin、Tout(單位：℃)，同時(shí)還要查詢相關(guān)手冊(cè)，得到水在不同狀態(tài)下的比熱容cw(單位：J/(kg·K) )和密度ρw(單位：kg/m3)。另外，為方便數(shù)據(jù)采集與后期處理，本實(shí)驗(yàn)中將各種檢測(cè)器件測(cè)得的信號(hào)通過(guò)變送輸入電腦。差壓變送器、流量計(jì)、熱電偶以及數(shù)采卡的選型如表2所示。

表2 檢測(cè)元件選型

測(cè)量?jī)x器正確選型后，應(yīng)正確安裝，既要保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，同時(shí)也要保證密封，各測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位置如圖3所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)分布及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)誤差分析

3.1 實(shí)驗(yàn)工況

主要分冰—水換熱和水—水兩大工況，通過(guò)改變相關(guān)變量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：

(1)冰—水換熱：設(shè)計(jì)熱水溫度為20～40 ℃，每隔5 ℃進(jìn)行一次變換，流量固定在1.05 m3/h不變；在不同的熱水溫度下，冰漿的流量從0.5 m3/h增大到1.3 m3/h，每次增加約0.1 m3/h；

(2)水—水換熱：由于水—水換熱的實(shí)驗(yàn)只是為了冰—水換熱而設(shè)計(jì)，故其工況選取可以適當(dāng)減少，僅取熱水溫度為20℃和25℃兩種工況，流量恒定，為1.05 m3/h，冷水同冰漿一樣，從0.5 m3/h開始增加，每次增加0.1 m3/h，持續(xù)增加到1.3 m3/h。

綜上，可將實(shí)驗(yàn)工況匯總至表3。

表3 實(shí)驗(yàn)工況匯總

3.2 實(shí)驗(yàn)誤差分析

本實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于直接測(cè)量的參數(shù)(如溫度、流量和壓力等)，誤差由系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差組成。而對(duì)于通過(guò)計(jì)算得到的間接參數(shù)(如含冰率、換熱系數(shù)等)，主要考慮誤差經(jīng)過(guò)多次運(yùn)算后的可信度[14]。

系統(tǒng)誤差主要與測(cè)量?jī)x器的量程和準(zhǔn)確度等級(jí)有關(guān)：

Ea,sys=LC×FS

(1)

式中：Ea,sys是實(shí)驗(yàn)中的系統(tǒng)誤差；LC是測(cè)量?jī)x器的準(zhǔn)確度等級(jí)；FS是測(cè)量?jī)x器的量程。

隨機(jī)誤差用置信區(qū)間為±2σ的t分布進(jìn)行計(jì)算，置信概率為95.45%：

(2)

(3)

計(jì)算得系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差后，可以通過(guò)下式進(jìn)一步算得總的測(cè)量誤差：

(4)

對(duì)于通過(guò)計(jì)算間接獲得的參數(shù)的誤差評(píng)估，本實(shí)驗(yàn)采用誤差的傳播原理進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式如下：

(5)

式中：EF是間接獲得的數(shù)據(jù)的測(cè)量誤差，F(xiàn)是函數(shù)關(guān)系式，x1、x2、…、xn代表n個(gè)測(cè)量值。

通過(guò)上式計(jì)算，可以求得本實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量誤差如表4。

表4 實(shí)驗(yàn)誤差

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 含冰率的測(cè)量

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)能量守恒定律對(duì)含冰率直接進(jìn)行測(cè)量。利用公式(6)，采用取樣加熱的方法來(lái)測(cè)量樣品中的含冰率，原理圖如圖4所示。

圖4 含冰率測(cè)定原理示意圖

為方便計(jì)算，忽略熱量損失，同時(shí)忽略冰漿在加熱過(guò)程中的體積變化，則有以下計(jì)算公式：

(6)

式中：Qe是加熱絲的加熱量，J；Qis是樣品冰漿的能量變化，J；m是樣品的質(zhì)量，kg；his,1、his,2分別是樣品加熱前、后的焓值，J/kg；CPW是實(shí)驗(yàn)溫度下水的比熱容，J/(kg·K)；tW,1、tW,2是樣品加熱前后的平均溫度，K；hi是冰粒子的相變潛熱，其值為335 kJ/kg；FIP是含冰率，%。

測(cè)定過(guò)程中，主要用到的元件有：容積約為500 mL燒杯、恒定功率為50 W的加熱器、溫度計(jì)、攪拌裝置、保溫材料等。在一定時(shí)間內(nèi)，記錄取樣溶液的溫度變化，計(jì)算加熱器的總能量輸出，再根據(jù)公式(6)可求得含冰率的值。經(jīng)過(guò)多次測(cè)量，計(jì)算得出本實(shí)驗(yàn)中冰漿流體的含冰率約為1%～5%(<10%)，因此可視為牛頓流體進(jìn)行理論計(jì)算[1]。

4.2 冰漿的流動(dòng)特性

圖5 不同含冰率下冰漿的壓降隨雷諾數(shù)的變化關(guān)系

圖6展示的是冰漿和冷水的摩擦系數(shù)f分別隨雷諾數(shù)Re的變化。由圖可知，冰粒子的存在明顯地影響了冰漿流體流態(tài)的發(fā)展。對(duì)比參考尼古拉茲試驗(yàn)[15]可知，當(dāng)700950時(shí)，摩擦系數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加先減小，再逐漸趨于穩(wěn)定，此階段冰漿的流態(tài)逐漸開始發(fā)展成為湍流。相比于冰漿，冷水在由過(guò)渡階段向湍流逐漸演變的臨界值要大一些，圖中所示，Rew>1 250時(shí)，水的流態(tài)開始逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳌?/p>

圖6 摩擦系數(shù)f隨雷諾數(shù)變化

4.3 冰漿的換熱特性

圖7是同一工況(熱水溫度25 ℃、流量1.05 m3/h)不同冰漿流量下?lián)Q熱系數(shù)隨含冰率的變化。由圖可知，冰水換熱的換熱系數(shù)隨著含冰率的升高而升高，且在含冰率一定時(shí)，換熱系數(shù)隨著流量的增大而增大，即為了增強(qiáng)冰漿的換熱效果，除了增加冰漿的流量，還可以提高FIP。但是隨著冰漿流量的增大，換熱系數(shù)的增長(zhǎng)速度逐漸變緩，是由于更高的速度并不能使得冰漿中的冷量充分釋放，從而影響了換熱的效果。

圖7 不同流量下?lián)Q熱系數(shù)與含冰率的變化關(guān)系

圖8是在冰—水換熱和水—水換熱中換熱量隨體積流量的變化趨勢(shì)。圖中可知，由于冰粒子的存在，冰漿在換熱的過(guò)程中有相變發(fā)生，屬于有相變的對(duì)流換熱，故其在同樣的工況下冰漿和熱水的換熱量明顯高于水—水換熱的換熱量。隨著流量的增大，冰—水換熱的換熱量的變化速率逐漸增加，這是因?yàn)楸Ｗ拥拇嬖诖龠M(jìn)了冰漿流體內(nèi)部的擾動(dòng)，破壞了邊界層，增強(qiáng)了換熱效果。

圖8 換熱量隨流量變化關(guān)系對(duì)比

5 結(jié)論

本研究通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)冰漿在板式換熱器中的流動(dòng)與換熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)測(cè)量冷熱流體的進(jìn)出口溫度、流量以及冰漿及冷流體的壓降，得到了相關(guān)特性的表征參數(shù)壓降△P、摩擦系數(shù)f、換熱系數(shù)K和換熱量Q，通過(guò)對(duì)比分析，得出了以下結(jié)論：

1)由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，冰漿在板式換熱器中的壓降△P隨著流量qv、雷諾數(shù)Re以及含冰率FIP的增大而增大。且在更高的含冰率下，壓降隨流量的變化趨勢(shì)更快。冰漿較之于水更早進(jìn)入湍流狀態(tài)(冰漿和水的臨界雷諾數(shù)Re分別為950和1 250)，由于冰粒子的存在，其內(nèi)部流場(chǎng)內(nèi)的擾動(dòng)更為劇烈，更有利于傳熱；

2)一定熱源工況下，冰—水換熱中板式換熱器的換熱系數(shù)和冰漿流量qv、含冰率FIP等因素有關(guān)，在實(shí)驗(yàn)工況下，更大的流量和更高含冰率可以得到更高的換熱系數(shù)；

3)在流量較低的時(shí)候(qv<1.15 m3/h)，冰漿在板式換熱器中的換熱效果并沒(méi)有優(yōu)于水的換熱，當(dāng)流量逐漸變大的時(shí)候，冰—水換熱的換熱系數(shù)開始高于水—水換熱的換熱系數(shù)，這就說(shuō)明，冰漿作為“第二載冷劑”在大流量下才能收到預(yù)期的效果。