超疏水過冷卻器的特性與熱力性能分析

王 虹，薛永飛，馮榮貞

(河南工程學院 土木工程學院，河南 鄭州 451191)

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超疏水過冷卻器的特性與熱力性能分析

王 虹，薛永飛，馮榮貞

(河南工程學院 土木工程學院，河南 鄭州 451191)

地鐵等地下設(shè)施的完過冷水法制冰技術(shù)因具有結(jié)構(gòu)簡單、換熱與冰晶制作效率高等特點，是目前最受關(guān)注的動態(tài)制冰方式之一.然而，過冷水在過冷卻器內(nèi)由于結(jié)冰而產(chǎn)生的冰堵現(xiàn)象導致了系統(tǒng)制冰過程的斷斷續(xù)續(xù)，降低了系統(tǒng)制冰的效率.針對過冷卻器的冰堵問題，在理論分析的基礎(chǔ)上采用超疏水過冷卻器進行了實驗研究，基于最小熵增原理對過冷卻器的熱力進行了綜合評價.經(jīng)分析，超疏水過冷卻器的性能更好,提高了整個制冰系統(tǒng)的效率，比非超疏水過冷器的制冰量增加最高可達34%，達到了節(jié)能的目的.

冰漿;過冷卻器;冰堵;過冷度;超疏水;熱力性能

冰漿又被稱為“冰泥”，是一種水和冰晶粒子的混合物，冰晶粒子的直徑一般為幾十微米到幾百微米[1].隨著對動態(tài)冰漿蓄冷技術(shù)的深入研究,冰漿除了應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)外，還可應(yīng)用于工業(yè)冷卻、超市制冷、牛奶制取、食品冷藏保鮮、生物醫(yī)學、消防滅火等[2-5].

冰漿的制取方式是冰漿技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵.過冷水動態(tài)制冰是利用水在一定時間內(nèi)產(chǎn)生過冷而不結(jié)冰的現(xiàn)象，換熱達到最大過冷度后進入過冷解除裝置消除其過冷狀態(tài)并形成冰晶粒子的冰漿制取方式，具有結(jié)構(gòu)簡單、換熱與冰晶制作效率高等特點.但是，過冷水法的主要缺陷在于結(jié)冰存在隨機性，過冷器內(nèi)冰堵過于頻繁導致制冰效率下降.冰堵的發(fā)生一方面會導致過冷卻器傳熱性能逐漸惡化，另一方面也降低了冰漿的輸運性能.因此,過冷卻器的性能直接影響整個冰漿的制取過程.

本課題對兩種不同的過冷卻器進行了研究，一種對過冷卻器進行了特殊的設(shè)計與改進，采用特殊工藝改善過冷卻器的內(nèi)壁面，使其呈超疏水性；另一種是普通的非超疏水過冷卻器.兩個過冷卻器的結(jié)構(gòu)相同(如圖1所示)，內(nèi)管直徑為16 mm×1 mm，外管直徑為28 mm×1.5 mm，材質(zhì)為紫銅，水在管內(nèi)流動，二次冷媒(體積分數(shù)為20%的乙二醇水溶液)在管外流動，兩者呈逆流.

圖1 過冷卻器的結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic diagram of the sub-cooler

1 超疏水過冷卻器的特性

1.1 表面潤濕性

某一固體表面的潤濕程度通常采用表面液滴的接觸角θ來衡量.一般認為,接觸角越小則其表面的潤濕程度越好，接觸角越大則潤濕程度越差,即疏水性越好，θ>150°的表面可視為超疏水表面.采用接觸角測量儀(DCA,SL200B)對超疏水過冷卻器的樣本表面進行了靜態(tài)接觸角測試，如圖2所示，接觸角高達163.01°，呈強疏水性.

圖2 超疏水過冷卻器表面的接觸角(θ=163.01°)Fig.2 The contact angle on the surface of the super-hydrophobic sub-cooler(θ=163.01°)

從熱力學的角度來看，對于給定體積的水滴而言，其Gibbs自由能滿足以下關(guān)系:

(1)

式中：V為水滴的體積，γlv為水滴的表面張力，θ為接觸角.

Gibbs自由能是接觸角的單增函數(shù)，接觸角越大，所需的Gibbs自由能越大.由此可見，具有較大接觸角的超疏水表面的Gibss自由能增加，使過冷水在過冷卻器表面不易結(jié)冰.

1.2 表面粗糙度

采用TAYLOR-ROBSON粗糙度分析儀分別對超疏水和非超疏水樣品表面的粗糙度進行了測試分析，每個樣品選取兩個不同的測試部位，結(jié)果如表1所示.對比分析可知，超疏水表面的平均粗糙度Ra及其他相關(guān)參數(shù)明顯降低.

表1 超疏水和非超疏水樣品的表面粗糙度參數(shù)Tab.1 The surface roughness parameters of the non-super-hydrophobic and super-hydrophobic samples μm

1.3 超疏水表面的流動和換熱特性

1.3.1 流動特性

液體在超疏水表面流動的一個突出特性就是存在速度滑移.Lauga等[6]指出疏水表面產(chǎn)生速度滑移，其表面的潤濕性能是影響滑移的主導因素，并認為接觸角越大滑移越容易產(chǎn)生.超疏水材料表面存在的速度滑移效應(yīng)使水的流動狀況發(fā)生變化，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)液體的流量

Langa分析研究得出具有滑移速度的流量公式為

(2)

式中：R為管道半徑，Qslip和Qnon-slip分別為存在滑移速度的流量和無滑移速度的流量，δ為滑移長度.

由Lagna公式可以看出，由于滑移速度的產(chǎn)生，在同樣的壓差下，在有滑移的管道內(nèi)，液體流量要大于無滑移速度的流量.在相同的條件下，水在超疏水過冷卻器內(nèi)流動時，單位時間內(nèi)的流量大于非超疏水過冷卻器.

(2)流速

對于充分發(fā)展的有滑移速度的管內(nèi)層流，圓管內(nèi)流體流動的速度分布[7]為

(3)

在圓管中心處r=0時，最大流速可表示為

(4)

平均流速為

(5)

最大流速與平均流速之比可表示為

(6)

不考慮速度滑移時的速度分布表達式為

(7)

超疏水圓管內(nèi)不同位置流體的速度分布為拋物線,圓管內(nèi)各處的流體速度均增加；存在速度滑移后，最大流速與平均速度之比不再是2倍的關(guān)系，兩者之比小于2.

(3)切應(yīng)力

根據(jù)牛頓的內(nèi)摩擦定律,黏性切應(yīng)力與速度梯度成正比,即

(8)

超疏水圓管內(nèi)有滑移速度梯度的表達式為

(9)

超疏水管內(nèi)壁面切應(yīng)力與滑移速度呈直線關(guān)系且隨著滑移速度的增加切應(yīng)力線性減少.

(4)摩擦因子與壓降

由以上平均流速的表達式可得出流體的壓力降：

(10)

進一步,將流體壓降表達式整理成范寧摩擦因子的表達形式[8]：

(11)

由此可見，超疏水表面的速度滑移改變了摩擦因子的大小，在流量一定的情況下，當滑移速度增加時，摩擦因子變小，相應(yīng)的流體壓降變小.

1.3.2 換熱特性

(12)

式中：b為空氣層的厚度，λair為空氣的熱導率，hq為流體的對流換熱系數(shù).

水在靜止的情況下，在超疏水表面接觸換熱，由于空氣的導熱系數(shù)較低，使表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)變小.但是，水在超疏水表面流動時，由于流體與固體表面之間存在速度滑移，使流動變得復雜.由于速度滑移的存在，流體流動時凹穴內(nèi)的空氣產(chǎn)生渦旋流動，使傳熱過程在一定程度上得到了強化.所以，超疏水表面具有流阻低、傳熱性能較好的特點.

2 制冰實驗

2.1 實驗裝置

整個過冷水制冰系統(tǒng)由3個獨立的循環(huán)系統(tǒng)組成，即過冷水循環(huán)系統(tǒng)、二次冷媒(乙二醇水溶液)循環(huán)系統(tǒng)和制冷循環(huán)系統(tǒng),如圖3所示.實驗中，可通過管路上的閥門來調(diào)節(jié)二次冷媒的流量，以控制過冷卻器中水的冷卻過程，使之在過冷卻器出口達到最大過冷度.

圖3 過冷水制冰實驗裝置Fig.3 Schematic diagram of the experimental system

(1)制冷系統(tǒng)

制冷系統(tǒng)的作用是提供一定的低溫環(huán)境，把二次冷媒(乙二醇水溶液)的溫度降到較低的溫度(-6 ℃).與常規(guī)的蒸汽壓縮式制冷循環(huán)系統(tǒng)一樣，該制冷系統(tǒng)由壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器、熱力膨脹閥及輔助裝置組成.

(2)二次冷媒系統(tǒng)

采用體積濃度為20%的乙二醇水溶液作為二次冷媒介質(zhì)，與水在過冷卻器內(nèi)進行換熱.二次冷媒系統(tǒng)有兩個目的，一是提供穩(wěn)定的冷源以冷卻過冷水；二是獨立的二次冷媒系統(tǒng)的溫度與流量較易控制，可隨時對二次冷媒的溫度或流量進行調(diào)節(jié)，以增加系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性.管路上裝有轉(zhuǎn)子流量計，用于測定觀察乙二醇水溶液的流速及流動情況.

(3)過冷水系統(tǒng)

過冷水系統(tǒng)的主要部件為過冷卻器，是經(jīng)特殊設(shè)計的套管式換熱器.過冷水在內(nèi)管流動，與管外流動的二次冷媒進行換熱，由離心泵把水從蓄冰槽中循環(huán)輸送到過冷卻器.隨著換熱的不斷進行，水的溫度不斷下降，直至低于冰點溫度并達到最大的過冷狀態(tài)，在過冷卻器出口通過過冷消除裝置(0.037 4 mm標準篩)消除水的過冷態(tài)制取冰晶粒子.

(4)數(shù)據(jù)測量采集系統(tǒng)

在實驗裝置中布置了多個測點進行測量,所要測量記錄的數(shù)據(jù)包括過冷卻器進出口處水的溫度和流量、過冷卻器進出口處二次冷媒的溫度和流量、二次冷媒乙二醇水溶液的溫度、蓄冰槽中過冷水的溫度變化及制冷循環(huán)系統(tǒng)的高壓側(cè)與低壓側(cè)壓力值的變化.水系統(tǒng)和二次冷媒系統(tǒng)的流量及流速變化情況可通過觀察安裝在制冰系統(tǒng)管道上的各個玻璃轉(zhuǎn)子流量計獲得，各測點的溫度采用Agilent 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行測量記錄.

2.2 結(jié)果分析

實驗中，將速度控制在1.5～2.5 m/s，發(fā)現(xiàn)有一個最佳流速為1.95 m/s.

2.2.1 過冷度

分別采用超疏水冷卻器與非超疏水過冷卻器制冰，在不同流速下所得到的過冷水的最大過冷度如圖4所示.可以看出，采用超疏水過冷卻器制冰，在任何流速下所得到的過冷水的過冷度都較大.還可以看出，在流速為1.95 m/s時，超疏水過冷卻器和非超疏水過冷卻器對應(yīng)的過冷水的過冷度最大.但是,對于超疏水過冷卻器，最大過冷度約為-1.6 ℃；對于非超疏水過冷卻器，最大過冷度約為-0.8 ℃.

2.2.2 過冷時間

超疏水過冷卻器和非超疏水過冷卻器在水流速為1.95 m/s時的溫度變化曲線見圖5.可以看出，隨著換熱的不斷進行，兩個過冷卻器內(nèi)過冷水的溫度都逐漸下降，在出口到達最大過冷度；采用超疏水過冷卻器時，不但水的過冷度較大，而且過冷持續(xù)的時間也較長.

圖4 不同速度時水的最大過冷度Fig.4 Maximum supercooling degree at different velocities

圖5 過冷卻器的溫度變化曲線 (v=1.95 m/s) Fig.5 Temperature profiles for sub-cooler (v=1.95 m/s)

圖5的溫度曲線都存在這樣一個現(xiàn)象，即在達到最大過冷度后又都逐漸上升到冰點以上，這是由于過冷水在過冷卻器內(nèi)結(jié)冰放出熱量，導致水溫逐漸升高，冰堵開始發(fā)生直到完全堵塞.比較發(fā)現(xiàn)，采用超疏水過冷卻器開始出現(xiàn)冰堵的時間被推遲.因此,采用超疏水過冷卻器雖然不能徹底防止冰堵的發(fā)生，但它推遲了冰堵發(fā)生的時間，增加了制冰時間和制冰量.

采用超疏水過冷卻器之所以能獲得具有較大過冷度的過冷水，一個原因是過冷卻器結(jié)冰是一種典型的相變現(xiàn)象，根據(jù)經(jīng)典的結(jié)晶相變原理，相變時結(jié)晶粒子首先需要一定的驅(qū)動力來克服結(jié)晶的臨界成核勢壘ΔGc，臨界成核勢壘與固體壁面的接觸角成正比，即接觸角越大、臨界成核勢壘越大.由于超疏水過冷卻器的表面接觸角高達163.01°，涂層表面的結(jié)晶成核勢壘大大增加，所以不易結(jié)冰.同時，由于超疏水表面上冰的黏附力較小，冰的聚集較慢，延遲了完全冰堵的時間.相同條件下，采用超疏水過冷卻器制冰，在過冷卻器出口可以獲得具有較大過冷度的過冷水.另外一個原因與超疏水表面的流動換熱特性有關(guān),由前面分析可知超疏水表面由于存在水的滑移速度，流動過程中發(fā)生了渦旋流動，使傳熱過程得到了一定程度的強化,提高了過冷卻器的換熱效果.

3 超疏水過冷卻器的熱力性能分析

采用最小熵增原理對超疏水過冷卻器的性能進行分析評價，熵值是換熱器熱力性能完善程度的評價指標之一.從熱力學角度來講，熱功轉(zhuǎn)換的熱力循環(huán)過程熵產(chǎn)最小即認為是熱力循環(huán)過程達到最優(yōu).Bejan等[10]將熵產(chǎn)數(shù)的概念應(yīng)用于分析換熱設(shè)備的熱力不可逆過程,認為熵值越大、換熱設(shè)備的熱力不可逆性越高，其有效能的損失也越大；熵值低則熱力不可逆性越小，熱力完善程度好，有效損失越小.因此，過冷卻器傳熱過程的熵增也是衡量其綜合性能的評價指標之一.過冷卻器水側(cè)的熵增方程為

(13)

圖6 不同速度下的制冰量比較Fig.6 Comparison of the ice generation at different velocities

式中，W為水當量比，Cp為水的比熱容，h和c分別為熱冷流體，1和2分別表示進口和出口.公式右邊第1項和第2項是由于傳熱引起的不可逆損失,第3項和第4項是由黏性流動引起的不可逆損失.對換熱器的不可逆性分析應(yīng)從傳熱與黏性流動兩個方面進行考慮.熵產(chǎn)總量分為由溫差引起的傳熱不可逆損失和由流阻引起的熵產(chǎn)兩部分.

超疏水過冷卻器出口水的溫度比非超疏水過冷卻器低，所以公式(13)的第2項變小.由1.3.1分析可知，超疏水過冷卻器表面的壓降較小，使過冷水在出口的壓降變化較少，這使公式(13)的第4項較大.因此，超疏水過冷卻器的熵增總量較少，故過冷卻器的傳熱過程得到了強化，過冷卻器的性能得到了提高.實驗結(jié)果也證明了這一點，采用超疏水過冷卻器比采用非超疏水過冷卻器制冰量增加，增加量最高可達34%(在最佳流速1.95 m/s時),如圖6所示.

4 結(jié)論

(1)超疏水過冷卻器表面存在速度滑移，降低了流體與壁面之間的摩擦阻力，起到了流動減阻的作用.又因在滑移速度作用下，超疏水表面上微結(jié)構(gòu)凹穴內(nèi)的空氣產(chǎn)生渦旋擾動，強化了傳熱過程.因此，超疏水過冷卻器表面具有流動阻力較小、傳熱性能較好的特點.

(2)超疏水過冷卻器表面的大接觸角增加了水結(jié)晶相變所需的成核驅(qū)動力，抑制了過冷水結(jié)冰，推遲了過冷卻器發(fā)生冰堵的時間，可在出口得到較大過冷度的過冷水.

(3)超疏水過冷卻器延遲了過冷卻器發(fā)生冰堵的時間，使過冷狀態(tài)持續(xù)的時間增加，在相同條件下制取的冰漿量增加，對于整個制冰系統(tǒng)來說是節(jié)能的.

(4)基于熵增原理對過冷卻器的換熱性能分析可知，超疏水過冷卻器的換熱狀態(tài)得到了優(yōu)化、傳熱性能得到了提高，進而提高了整個制冰系統(tǒng)的效率.與非超疏水過冷卻器相比，采用超疏水過冷卻器制冰增加量最高可達34%.

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Analysis on the characteristics and thermal-dynamic performance of super-hydrophobic cooler

WANG Hong,XUE Yongfei,FENG Rongzhen

(CollegeofCivilEngineering,HenanUniversityofEngineering,Zhengzhou451191,China)

The ice-making technology of sub-cooling water has become one of the most highly stressed ice-making methods because of its simple structure,high heat transfer efficiency and high ice crystal making efficiency and other characteristics. However,the ice blockage that occurred in the sub-cooler is a prominent problem that reduces the efficiency of the ice generation system. To solve the problem of ice blockage in the sub-cooler,on the basis of theoretical analysis,a series experiments were carried out by super-hydrophobic sub-cooler; furthermore,based on the principles of minimum entropy principle,the thermodynamic performance of the sub-cooler was evaluated comprehensively. In a conclusion,the efficiency of the whole ice-making system was improved with the increasing performance of the sub-cooler. Compared with the non-super-hydrophobic sub-cooler,the increase of ice generation with the super-hydrophobic sub-cooler can be as high as 34%,and then the purpose of energy saving is obtained as well.

ice slurry; sub-cooler; ice blockage; supercooling degree; super-hydrophobic; thermodynamic performance

2016-03-08

王虹(1978-)，女，山東濱州人，講師，博士,研究方向為暖通空調(diào)及制冷技術(shù).

TB657.1

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1674-330X(2016)04-0031-06