MRF模型分析流態冰蒸發器刮板類型的換熱性能

涂存禎，陸鐘超，張建友，張高鵬，胡亞男，丁玉庭，呂飛

工藝與裝備

MRF模型分析流態冰蒸發器刮板類型的換熱性能

涂存禎，陸鐘超，張建友，張高鵬，胡亞男，丁玉庭，呂飛

（浙江工業大學 食品科學與工程學院，杭州 310014）

為提高刮削式流態冰機制冰效能，研究刮板結構對刮削式流態冰蒸發器換熱性能的影響。利用Fluent內MRF模型對SolidWorks軟件建立的不同刮板類型（近橢圓形孔刮板、近菱形孔刮板、無孔刮板）的流態冰蒸發器模型進行換熱性能的模擬分析。通過對不同轉速下各類型刮板換熱性能及蒸發器近壁面、刮板表面、旋轉流體域橫截面的溫度分布云圖進行分析發現：相同轉速下，無孔刮板的換熱性能高于近菱形孔刮板和近橢圓形孔刮板，但無孔刮板的近壁面溫度分布不均勻，呈現兩級分化趨勢，極易造成冰堵。有孔刮板蒸發器近壁面溫度分布較均勻，且受轉速影響較大，隨著轉速的增加其換熱性能增強，轉速大于200 r/min之后換熱性能提升不顯著。同時，雙組刮板有利于提升蒸發器的換熱性能。近菱形孔刮板在200 r/min轉速下，換熱效果好且蒸發器內溫度分布較均勻，有利于流態冰高效、穩定地制取。

流態冰蒸發器；刮板類型；換熱；Fluent；多重參考系模型

流態冰是一種海水和冰晶混合的兩相溶液，冰晶細膩，大小在幾十至幾百微米之間，具有高蓄冷、傳熱面積大、易流動等特點[1-3]，因此，流態冰被廣泛應用于水產品保鮮、空調蓄冷等領域[4]，在水產品保鮮中，流態冰正逐步取代傳統冰成為了一種新型的載冷和儲冷介質。水產品捕撈作業時，使用流態冰對漁獲物進行預冷處理，較強的熱傳遞能力能加快漁獲物凍結貯藏前預冷速率，迅速降低魚體溫度至終點溫度（0～15 ℃），避免漁獲物組織損傷，延長漁獲物從中性期到腐敗期的時長[5-6]。在冰藏保鮮中，相較于淡水冰，流態冰擁有更低的冰點，可吸收更多的熱量，降低在保鮮過程中蛋白質及脂質氧化的速率，保持肉質的彈性和咀嚼性，尤其對于海產品的冰藏保鮮，與魚體相似的鹽度環境能有效抑制酵解作用，最大程度上保留鰓的顏色及眼球透明度[7-9]。

流態冰的應用促進了流態冰制取技術的發展，根據制冰原理的不同，流態冰的制取方法可分為2類：一類為均質結晶，如刮削式制冰法；另一類為非均質結晶，包括真空制冰、直接接觸制冰和過冷水法制冰[10-11]。刮削式制冰法是在特殊結構的雙層套管式蒸發器中，通過制冷劑與制冰溶液的熱量交換，使制冰溶液在內管壁面結冰后由刮板旋轉刮削制冰，蒸發器內連接電機轉軸的刮板是整個刮削裝置的核心部件[12]。刮削法制取流態冰一直是國內外研究的熱點，主要研究方向集中在系統效能、刮板設計、防止冰堵等改進方法及運行參數的控制上，研究方法主要以實驗測量和仿真分析為主。制冰過程中，制冰溶液種類、濃度和進口溫度等因素均會影響流態冰粒徑大小及含冰率[13]。刮削速度的提高會在一定程度上提升換熱效率，加劇碰撞引起的晶粒聚并和破碎，使得晶粒的尺寸分布更為集中和均勻[14]，但由于黏性摩擦力的作用，過高的轉速也會使溶液溫度升高，增大制冰過程中所需的能耗[15]。刮板在運行過程中對蒸發器內流體的擾流狀況是影響換熱的重要因素，借助Fluent仿真軟件進行模擬分析，可為刮板結構的優化提供理論依據，如Pascual等[16]采用格子玻爾茲曼方法（LBM）研究了不同刮板對蒸發器內流體流動的影響，通過對比邊界層換熱效率為刮板優化方向提出了新的設想；Bayareh等[17]利用不同湍流模型模擬了刮削式蒸發器內傾斜和垂直2種刮板的繞流狀況，并與實驗結果相對照，設計出了一種具有更高換熱效率的刮板結構。目前，對流態冰制冰過程仿真分析主要通過Fluent軟件進行，其他仿真軟件的研究報道較少，王澤普等[18]曾采用Simulink仿真平臺模擬了不同參數條件下流態冰制冰系統的響應狀況，為制冰系統及其各個部件的設計提供了依據。

Fluent仿真軟件因其強大功能，已廣泛應用于刮削式流態冰制冰過程的仿真分析中，其中對蒸發器內刮板結構的優化主要集中在刮板與近壁面接觸的刮刀形狀的設計上，對刮板設計過程中刮板上孔洞有無、孔洞的類型，以及不同轉速條件下各類型刮板的換熱效果鮮見報道，因此，文中通過SolidWorks對不同刮板類型的蒸發器進行三維建模，利用Fluent仿真軟件中多重參考系（MRF）模型對其換熱效果進行模擬，分析并探究具有最優換熱性能的刮板類型，為刮削式流態冰制取裝置的優化設計提供借鑒。

1 實驗模型及方法

1.1 物理模型

刮削式流態冰蒸發器由2部分構成：內部制冰溶液通道和外部制冷劑通道。為減少計算量，在使用SolidWorks對蒸發器建模時進行了簡化，如圖1所示，去除外部制冷劑通道，只保留內部制冰溶液通道。給定近壁面換熱系數與壁面溫度來替代制冷劑與制冰溶液進行熱交換。模型參數為：制冰溶液進口和出口直徑分別為21 mm和26 mm，轉軸直徑為30 mm，內部制冰溶液通道長和寬分別為400 mm和100 mm，單個刮板寬為30 mm。圖2為文中實驗過程中所采用的不同刮板類型，圖2a、b、c和d分別為近橢圓形孔刮板、近菱形孔刮板、無孔刮板、雙組近菱形孔刮板，其中近橢圓形孔和近菱形孔尺寸見圖2e、f。

圖1 流態冰蒸發器三維模型

圖2 刮板類型及相應孔洞尺寸

1.2 數學模型

多重參考系（MRF）模型是一種定常計算模型，模型中假定網格單元做勻速運動，大多數時候的均流動都可以用MRF模型進行計算，如攪拌器內流場計算、泵和風機的流場計算等。文中采用MRF模型模擬刮板定速轉動時換熱情況，湍流模型選擇RNG k–epsilon模型，該模型是在重整化群理論的統計方法上推導出來，形式上類似于Standard k–epsilon模型，但相較于Standard k-epsilon模型，修正了湍流動力黏性系數，考慮了平均流動中旋轉的影響，使模型對瞬變流和流線彎曲能做出更好的預測，并改善了ε方程的精度，更好地反映了主流的時均變化率，提高高速流動的準確性[19]。壓力速度耦合采用標準SIMPLE方法，假定速度場和壓力場各自獨立進行，速度修正時，忽略不同位置速度修正量的影響。壓力插值選擇PRESTO!方式，使用離散連續平衡方程來計算交錯控制單元的交錯壓力，與非結構網格中的交錯網格思想一致，適用于各類型網格的計算。RNG k–epsilon模型動量方程見式（1）和（2）。

式中：為湍動能，J；為耗散率，%；x和x為、坐標；G為引起的湍流動能的產生量；a、a為和的反向有效普朗特數；eff為湍流黏性，N·s/m2。

1.3 網格劃分

通過SolidWorks建模后導入ICEM進行網格劃分，由于MRF模型包含旋轉域和靜止域兩部分，為提高精度，壁面及靜止域采用非結構化網格的劃分方式，旋轉域及刮板采用結構化網格的劃分方式。網格劃分后的模型圖見圖3，該網格進行網格無關性檢驗后，最終網格總數約為900萬。

圖3 網格劃分

1.4 邊界條件參數設置

考慮重力影響，重力加速度取9.81 m/s2。壁面換熱系數設置為7 900 W/（m2·K），壁面溫度設置為?15 ℃。制冰溶液模擬了質量分數為3.5%的海水，其物性參數密度為1 028 kg/m3，比熱為3 990 J/（kg·K），導熱系數為0.559 W/（m·K），黏度為1.904 mPa·s。制冰溶液進口采用速度進口，根據式（3）雷諾數（）的計算公式，在保證內部流體湍流狀態（＞4 000）下取=3.5 m/s，進口溫度設置為5 ℃，出口采用壓力出口，靜止域與旋轉域交界面設置為interface面。

式中：、、分別為流體的流速、密度與黏性系數；為特征長度。

1.5 實驗方法

對4種轉速（100、150、200、250 r/min）條件下的近橢圓形孔、近菱形孔和無孔刮板的流態冰蒸發器進行數值模擬，綜合各刮板的換熱性能及在旋轉流體域橫截面、近壁面和刮板表面的溫度分布狀況對最優刮板類型進行探索。

2 仿真結果及分析

2.1 轉速對不同刮板類型的流態冰蒸發器換熱性能的影響

不同刮板類型的流態冰蒸發器在不同轉速條件下的換熱性能見圖4。任一轉速下，蒸發器內制冰溶液溫度隨距進口距離的增大而呈現出先下降后上升，之后趨于平穩的態勢，并在臨近出口位置時出現一定的上升。制冰溶液剛進入蒸發器時，入口管壁及蓋板的冷卻作用，導致制冰溶液溫度的急劇下降。之后在刮板的擾流作用下溫度趨向均勻，但隨著制冰溶液向出口方向流動，入口管壁及蓋板的冷卻作用減弱，僅依靠外壁面的冷卻作用，導致制冰溶液溫度稍有上升。在臨近出口時，出口直徑急劇減小，流速急劇增大，此時由于黏性摩擦作用會產生一定的熱效應，促使出口段的溫度出現上升。

轉速的增大有助于換熱性能的提高，對比圖4a近橢圓形孔刮板、圖4b近菱形孔刮板和圖4c無孔刮板可知，同一轉速下，無孔刮板所表現出的換熱性能最好，其次為近菱形孔刮板和近橢圓形孔刮板，在250 r/min的轉速下，無孔、近菱形孔和近橢圓形孔刮板熱交換溫度分別為1.86、1.39和0.78 ℃，孔洞的存在導致了單位時間內換熱量的降低，這可能是由于蒸發器內制冰溶液體積量的增大造成的。相較于無孔刮板，近橢圓形孔和近菱形孔刮板受轉速的影響較大，轉速從100 r/min增大到250 r/min的過程中，近橢圓形孔刮板熱交換溫度提升了0.22 ℃，近菱形刮板提升了0.21 ℃，而無孔刮板僅提升了0.1 ℃，這說明轉速對有孔刮板換熱的影響要大于無孔刮板，同時轉速在200 r/min后繼續增大對換熱性能的提升作用不大。

2.2 不同類型刮板在蒸發器近壁面及旋轉流體域橫截面溫度分布對比

圖5為在200 r/min轉速下，3種刮板類型的蒸發器近壁面溫度分布云圖，從圖5中可以看出，3種類型刮板在靠近蒸發器進出口近壁面位置都具有較高的溫度分布，這種現象主要是由于進口過高的流速對壁面的沖刷，以及出口處黏性摩擦的熱效應所引起的。除靠近進出口位置外，圖5a近橢圓形孔刮板和圖5b近菱形孔刮板在蒸發器近壁面的溫度分布整體較均勻，而圖5c無孔刮板在蒸發器近壁面兩側所表現出了溫度分布不均、兩極分化的趨勢，這說明雖然無孔刮板的蒸發器具有較高的換熱性能，但在機器運行當中并不能夠較好地使制冰溶液溫度混合均勻。

為了更好地觀察刮板對蒸發器內流體換熱的影響，截取了旋轉流體域的橫截面溫度分布云圖進行分析。圖6為各刮板類型距制冰溶液進口位置50、150、250、350、370和390 mm處橫截面的溫度分布云圖，通過觀察可以發現，隨著距制冰溶液進口距離的增加，進口位置溫度較高的流體在刮板轉動下開始逐漸向內擴散，整體溫度呈現不規則的分布，而Yataghene等[20]在實驗中給出的蒸發器內流體截面的云圖具有較好的對稱性，造成這種不同的原因可能是由于蒸發器進口流速過大且蒸發器尺寸較小導致。相較于無孔刮板兩極分化的溫度分布，有孔刮板隨著制冰溶液進口距離的增加，溫度分布開始趨向均勻，尤其在距離為350 mm之后出現近似對稱的現象，這說明孔洞的存在有助于蒸發器內溶液溫度的均勻分布。對比圖6中200 r/min和250 r/min轉速下的無孔刮板旋轉流體域橫截面溫度分布云圖發現，溫度分布的總體趨勢并沒有因轉速的增大而改變，轉速增大雖然在一定程度上能夠提升換熱性能，但對溫度的均勻分布并沒有積極的影響。

圖4 不同刮板類型的流態冰蒸發器在不同轉速條件下換熱性能

2.3 進出口位置對無孔刮板蒸發器換熱性能的影響

在范云良等[21]對刮削式制冰蒸發器的研究結果中發現，由于刮片的旋轉作用，低溫的溶液會轉移至蒸發器中心區域，溫度分布不均會導致較低溫度區域更容易出現冰晶并直接附著在刮板上，導致蒸發器發生冰堵的現象。這說明在制冰過程中無孔刮板造成的蒸發器內溶液溫度分布不均的現象給蒸發器帶來了冰堵的風險，限制了其在刮削式流態冰蒸發器中的應用。通過對蒸發器模型的分析，推測進出口位置的調整或許能在一定程度上改變這種溫度分布不均的現象，在實驗中對比了無孔刮板進出口同側和異側的溫度分布狀況，圖7為調整前（圖7a）和調整后（圖7b）近壁面兩側溫度分布的對比，可以看出進出口位置的對調雖然改善這種溫度兩極分化的現象，但對調后的進口流速加劇了對近壁面溫度的影響，導致兩側壁面仍存在較大溫差。從圖8不同進出口位置對蒸發器換熱性能的影響來看，出口位置的改變對換熱效率的提升效果并不明顯，相較于同側進出口，異側進出口的溫度僅下降了0.05 ℃。這說明進出口位置的調整并沒有改變無孔刮板蒸發器冰堵的風險，并且對熱交換溫度也沒有較大的提升，刮板上孔洞的存在對蒸發器內溫度的均勻分布起關鍵性作用。

圖5 200 r/min轉速下近壁面溫度分布云圖

圖6 不同刮板類型的流態冰蒸發器在旋轉流體域不同位置橫截面的溫度分布云圖

圖7 200 r/min轉速下無孔刮板不同進出口位置近壁面溫度分布云圖

圖8 200 r/min轉速下不同進出口位置對蒸發器換熱性能的影響

2.4 近菱形孔雙組刮板對蒸發器換熱性能的影響

在不能解決無孔刮板蒸發器運行當中易發生冰堵問題的情況下，選用有孔刮板中換熱性能較好的近菱形孔刮板作為研究對象，探討了刮板數量對蒸發器換熱性能的影響。在200 r/min轉速下，近菱形孔單組和雙組刮板蒸發器換熱性能見圖9，可以看出制冰溶液在蒸發器內的降溫趨勢大致相同，相較于近菱形孔單組刮板，雙組刮板的熱交換溫度提升了0.2 ℃。觀察圖10單雙組刮板表面的溫度分布云圖可以發現，刮板數量的增加沒有對刮板表面的整體溫度分布趨勢造成太大影響，且雙組刮板在一定程度上減弱了進口流速所引起的進口處溫度分布不均的現象，這說明刮板數量的增加對換熱速率的提升具有積極的作用。對比圖11近菱形孔雙組刮板和圖6近菱形孔單組刮板的旋轉流體域的橫截面溫度分布云圖可知，相較于近菱形孔單組刮板在350 mm之后出現的近似對稱現象，雙組刮板在靠近出口位置時也出現了溫度分布均勻對稱的趨勢，但由于蒸發器體積較小，刮板數的增加導致各刮板之間間距較小，阻礙了各刮板間制冰溶液的迅速混合，所以雙組刮板在此類型蒸發器內這種現象并沒有較好地顯現出來。結合刮板表面溫度分布的分析結果表明，在大型流態冰蒸發器優化設計中，采用多組刮板強化換熱是一種可行的選擇。

圖9 200 r/min轉速下近菱形孔單雙組刮板對蒸發器換熱性能的影響

圖10 200 r/min轉速下近菱形孔單雙組刮板表面溫度分布云圖

圖11 200 r/min轉速下近菱形孔雙組刮板在旋轉流體域不同位置橫截面溫度分布云圖

3 結語

建立了3種不同刮板類型的流態冰蒸發器模型，借助Fluent仿真軟件中的MRF模型對其進行了模擬，對比分析了3種刮板類型的流態冰蒸發器的換熱性能及在不同轉速條件下對其換熱的影響，換熱性能從大到小為無孔刮板、近菱形孔刮板、近橢圓形孔刮板；轉速的增加有助于強化換熱，但轉速在大于200 r/min后對換熱性能提升并不明顯，實際應用中應考慮機器能耗的影響，對不同規格蒸發器應匹配合適的轉速；無孔刮板蒸發器內的制冰溶液溫度分布不均，易造成冰堵；有孔刮板的刮板數量的增加有助于蒸發器換熱性能的提升，大型流態冰蒸發器可選擇多組刮板進行換熱性能的優化；在有孔刮板近菱形孔洞和近橢圓形孔洞對比中，近菱形孔洞表現出更優的效果，這說明在刮板結構的優化設計中，孔洞的選擇也是影響換熱效率的重要因素。

我國對流態冰的研究起步較晚，應用范圍較窄且普及率較低，流態冰作為新型載冷和儲冷介質，符合新時代倡導的創新、綠色發展理念，隨著流態冰在食品保鮮、運輸、貯藏領域應用研究的不斷加深，先進流態冰制取技術將為流態冰在各領域的應用提供便利。雖然文中模擬結果并不能準確代表實際應用中的結果，但對高效、穩定流態冰制取裝置的優化設計提供了指導性的意見。

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Analysis on Heat Transfer Performance of Scraper Type of Ice Slurry Evaporator by MRF Model

TU Cun-zhen,LU Zhong-chao,ZHANG Jian-you,ZHANG Gao-peng,HU Ya-nan,DING Yu-ting,LYU Fei

(College of Food Science and Technology, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

The work aims to improve the ice-making efficiency of scraping ice slurry machine and study the effect of scraper structure on the heat transfer performance of scraping ice slurry evaporator. The MRF model in Fluent was used to simulate and analyze the heat transfer performance of ice slurry evaporator models with different types of scrapers (near-oval hole scraper, near-rhombus hole scraper and non-hole scraper) established by SolidWorks software. Through the analysis on the heat transfer performance of various types of scrapers at different speed and the temperature distribution of the evaporator near the wall, the scraper surface and the cross section of the rotating fluid domain, it was found that the heat transfer performance of the non-hole scraper was higher than that of the near-rhombus hole scraper and the near-oval hole scraper at the same speed. However, the temperature distribution near the wall of the non-hole scraper was uneven, showing a two-stage differentiation trend, which was very easy to cause ice blockage. The temperature distribution near the wall surface of the evaporator with perforated scraper was relatively uniform, and it was greatly affected by the rotating speed. With the increase of rotating speed, the heat transfer performance was enhanced. However, the heat transfer performance was not significantly improved after the rotating speed was greater than 200 r/min. At the same time, double groups of scrapers were beneficial to improving the heat exchange performance of evaporator. Therefore, under the rotating speed of 200 r/min, the near-rhombus hole scraper has good heat exchange effect and the temperature distribution in the evaporator is more uniform, which is beneficial to the efficient and stable production of ice slurry.

ice slurry evaporator; scraper type; heat transfer; Fluent; multi-reference frame; model

TH122

A

1001-3563(2022)23-0268-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.23.032

2022–03–15

“十三五”國家重點研發計劃重點專項 (2019YFD0901602)

涂存禎（1997—），男，碩士生，主攻食品科學與工程。

呂飛（1980—），女，博士，教授，主要研究方向為食品科學與工程。

責任編輯：曾鈺嬋