折流板對大型磚冰機(jī)蒸發(fā)器鹽水流場的影響分析

佘麗麗 羅清海

（湖南交通工程學(xué)院， 湖南 衡陽 421001）

0 引言

隨著人們生活水平的進(jìn)步，制冰機(jī)在日常生活中的應(yīng)用日益廣泛。大型制冰機(jī)在農(nóng)、漁業(yè)產(chǎn)品冷藏、物流和保鮮中的應(yīng)用規(guī)模越來越大。大型制冰機(jī)中磚冰機(jī)生產(chǎn)的冰塊堅(jiān)硬密實(shí)，不易融化，易于運(yùn)輸、冷藏和保存，是農(nóng)、漁業(yè)用冰的主要制冰工具，但大型磚冰機(jī)存在能耗相對較大、制冷效率偏低等的缺點(diǎn)[1]。為改進(jìn)磚冰機(jī)的制冰性能，我國學(xué)者關(guān)朋[2]等探討了改進(jìn)制冰池蒸發(fā)器的方案。莊友明[3]等關(guān)于鹽水制冰工藝提出了幾點(diǎn)節(jié)能措施。呂岑義[4]、邱立榮[5]等對磚冰機(jī)制冰池結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了改進(jìn)。張浦悅[6]、謝烈[7]等設(shè)計(jì)和優(yōu)化了制冰機(jī)制冰系統(tǒng)。張健滔[8]等提出使用工程制圖和三維建模方法運(yùn)用于制冰機(jī)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案中，降低研究成本。國外學(xué)者Wengsheng Cao等[9]通過gPROMS軟件動態(tài)模擬了制冰過程，并使用HYSYS軟件動態(tài)模擬和設(shè)計(jì)了海水片冰機(jī)脫鹽制冰的過程。國內(nèi)外學(xué)者對制冰機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行優(yōu)化等做出了很多貢獻(xiàn)，但國內(nèi)鮮見用CFD數(shù)值模擬方法分析折流板對磚冰機(jī)蒸發(fā)器鹽水流場的影響，本文基于CFD方法對比分析了磚冰機(jī)制冰池內(nèi)蒸發(fā)器有無折流板鹽水流場情況，并根據(jù)模擬結(jié)果提出改進(jìn)蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)形式的方案，為大型磚冰機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 磚冰機(jī)蒸發(fā)器的基本參數(shù)

該研究以某公司生產(chǎn)的BBI10-30型號，產(chǎn)量為10t/d的大型磚冰機(jī)為樣本?，F(xiàn)有蒸發(fā)器如圖1(a)所示，蒸發(fā)器管道數(shù)為9根，蒸發(fā)器管道外徑為38mm，壁厚1.65mm，排列方式為3行3列，該蒸發(fā)器無折流板，鹽水沿管長方向縱向沖刷蒸發(fā)器外管道，鹽水與蒸發(fā)器管道內(nèi)制冷工質(zhì)換熱效率較低。為提升蒸發(fā)器與鹽水的熱交換效果，對該蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。改造后的蒸發(fā)器如圖 1(b)所示，在蒸發(fā)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(fā)器外管道。

圖1 現(xiàn)有蒸發(fā)器和增裝折流板蒸發(fā)器xz平面示意圖

折流板尺寸的選取參照《換熱器設(shè)計(jì)手冊》[10]。經(jīng)計(jì)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(jì)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(fā)器模型參數(shù)設(shè)置

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

鹽水為不可壓流體，使用壓力基隱式求解器，計(jì)算模型選擇能量守恒方程和標(biāo)準(zhǔn)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(shù)為0.505 W/(m·K)，粘性系數(shù)為0.004704kg/(m·s)。經(jīng)計(jì)算得鹽水通道水力直徑D為0.44m，且由湍流強(qiáng)度計(jì)算公式 l=0.07D，入口處鹽水的湍流強(qiáng)度取為 3.08%。取蒸發(fā)器壁溫為-15℃，蒸發(fā)器材質(zhì)為銅，查給定溫度下銅的熱物理性質(zhì)表，得銅的密度為8930kg/m3，比熱容為386J/(kg·K)，傳熱系數(shù)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(fā)器有無折流板鹽水流場分布

圖 2為在蒸發(fā)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(nèi)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(fā)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(shí)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(shí)，在折流板左右兩側(cè)，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(cè)，鹽水流速相對較大，鹽水經(jīng)過折流板呈繞流分布。

為研究大型磚冰機(jī)中蒸發(fā)器有無折流板對蒸發(fā)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(jìn)行對比分析。

圖3、圖4分別為無、有折流板時(shí)Z=0.079m平面上蒸發(fā)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(shí)Z=0.079m平面上蒸發(fā)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(shí)Z=0.079m平面上蒸發(fā)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(shí)Y=0.05m平面上蒸發(fā)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(shí)Y=0.05m平面上蒸發(fā)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(fā)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(jīng)過三處折流板時(shí)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(fā)器鹽水池中鹽水流速的影響，得知增設(shè)折流板能改變鹽水流向，鹽水?dāng)_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(fā)器鹽水池中鹽水溫降的影響，得知增設(shè)折流板鹽水能增大鹽水溫降幅度，增強(qiáng)鹽水與蒸發(fā)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(fā)器鹽水池中鹽水流動阻力的影響，得知增設(shè)折流板在一定程度上增大了鹽水流動阻力，此時(shí)考慮適當(dāng)增加攪拌器的個(gè)數(shù)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(nèi)，鹽水流速大致在0.3~0.4m/s之間，在X取0.8~6.2m范圍內(nèi)，鹽水在三處折流板的左右兩側(cè)流速相對較小約為0.2~0.3m/s，鹽水流經(jīng)折流板缺口弦時(shí)，其流速增大至0.5~1.9m/s。對比分析有無折流板對蒸發(fā)器鹽水池中鹽水流速的影響，得知增設(shè)折流板能增強(qiáng)鹽水?dāng)_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(fā)器鹽水池中鹽水溫降的影響，得知增設(shè)折流板鹽水與蒸發(fā)器之間熱交換效率相對好。

4 結(jié)論

通過CFD數(shù)值方法對比分析折流板對大型磚冰機(jī)制冰池內(nèi)蒸發(fā)器鹽水流場速度、溫度和壓力分布的影響，依據(jù)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(shù)分析結(jié)果，可以得出以下三點(diǎn)結(jié)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(cè)速度較小約 0.2m/s，而鹽水流經(jīng)折流板缺口弦時(shí)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(shè)折流板能改變鹽水流向，增大鹽水流動擾動性，增強(qiáng)蒸發(fā)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(shè)折流板能相對增大鹽水溫降幅度，增強(qiáng)鹽水與蒸發(fā)器之間的熱交換效率，可縮短制冰系統(tǒng)制冰周期，節(jié)省磚冰機(jī)電量消耗，提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)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(jī)制冰池中增設(shè)折流板能能提高制冰池制冰系統(tǒng)換熱效率，縮短制冰系統(tǒng)制冰周期，降低制冰系統(tǒng)運(yùn)行能耗，提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益。

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