制冰桶結(jié)構(gòu)形式對大型磚冰機(jī)制冰池鹽水流場影響分析

佘麗麗

（湖南交通工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001）

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人們生活水平的提高，大型磚冰機(jī)在農(nóng)、漁業(yè)產(chǎn)品冷藏、物流和保鮮中得到廣泛運(yùn)用。大型磚冰機(jī)生產(chǎn)的冰塊密實(shí)堅(jiān)硬，不易融化，易于冷藏、運(yùn)輸和保存，是農(nóng)、漁業(yè)用冰的主要制冰方式，但仍存在能耗較大、制冷效率偏低等的缺點(diǎn)。國內(nèi)外學(xué)者對磚冰機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化做出了巨大的貢獻(xiàn)，例如，我國學(xué)者邱立榮、關(guān)朋等探討了改進(jìn)制冰池蒸發(fā)器的改造方案；莊友明等提出了鹽水制冰工藝的幾點(diǎn)節(jié)能措施；張浦悅、謝烈等設(shè)計(jì)和優(yōu)化了鹽水制冰機(jī)制冰系統(tǒng)，使得制冰效率得到大幅度提升；呂岑義等改進(jìn)了磚冰機(jī)制冰池結(jié)構(gòu)形式；張健滔等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，降低了研究成本；國外學(xué)者Wengsheng Cao等通過gPROMS軟件動態(tài)模擬了片冰機(jī)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，但國內(nèi)目前仍鮮見用CFD數(shù)值模擬方法分析制冰桶結(jié)構(gòu)形式對大型磚冰機(jī)制冰池鹽水流場的影響，文章基于CFD方法對比分析了叉排情況下，制冰桶不同的結(jié)構(gòu)形式對制冰池內(nèi)鹽水的速度、溫度和壓力流場的影響，并根據(jù)模擬結(jié)果提出改進(jìn)制冰桶結(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)及其制冰桶的基本參數(shù)

該研究以某公司生產(chǎn)的BBI10-30型號，產(chǎn)量為10 t/d的大型磚冰機(jī)為樣本。制冰桶內(nèi)初始水溫為23℃，冰塊終溫為-8℃，入口處鹽水的初始溫度為-10℃，蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度-15℃，每個冰塊重30 kg。現(xiàn)有矩形截面制冰桶尺寸為：上橫截面0.3m×0.120 m，下橫截面0.28 m×0.12 m，高1.1 m，制冰桶壁厚0.0015m。制冰池中制冰桶數(shù)量為168個，排列方式為8行21列，制冰池尺寸為8.280 m×1.42 m×1.25 m，攪拌器型號為LJ340，轉(zhuǎn)速為960r/min，葉輪直徑為0.34 m，功率為4000 W。在建模過程中為簡化模型，假設(shè)制冰桶的上橫截面和下橫截面尺寸相同，將制冰桶簡化為長0.3 m，寬0.12m，高1.1m的長方體。

為研究制冰桶截面形式對磚冰機(jī)制冰池鹽水流場的影響，改變制冰桶截面形式為近橢圓形和近菱形，對比分析叉排情況下鹽水流經(jīng)三種不同截面形式下制冰桶時鹽水流場分布情況。

2 制冰池?cái)?shù)值模擬參數(shù)設(shè)置

文章使用Gambit進(jìn)行建模，使用體網(wǎng)格劃分方式，網(wǎng)格類型為Tet/Hybrid TGrid，網(wǎng)格間距設(shè)為40 mm，第一個模型為為鹽水沖刷矩形截面制冰桶模型，網(wǎng)格數(shù)為704787；第二個模型為鹽水沖刷近橢圓形截面制冰桶模型，網(wǎng)格數(shù)為793938；第三個模型為鹽水沖刷近菱形截面制冰桶模型，網(wǎng)格數(shù)為757586。

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。鹽水在入口處的初始速度為0.3 m/s，初始溫度為-10℃，鹽水密度為1175 kg/m3，比熱容為3315 J/（kg·K），動力粘性系數(shù)為0.004704 kg/（m·s），熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.505W/（m·K）。

模型邊界條件設(shè)置如下：

（1）入口處速度：由攪拌器的循環(huán)水量來得入口處鹽水平均流速

式中：Q—鹽水?dāng)嚢杵鞯难h(huán)水量，600 m3/h；A—入口處鹽水流通面積，m2。

文中入口尺寸為0.5×1.1 m，經(jīng)計(jì)算得入口處鹽水流速為0.3m/s。

（2）入口處鹽水的初始溫度為263.15K。

（3）制冰桶壁面溫度（即冰終溫）：265.15K。

經(jīng)計(jì)算后得到入口處鹽水流動的湍流強(qiáng)度約為5%，水利直徑為0.6875 m。制冰桶壁面材質(zhì)為不銹鋼，密度為7930kg/m3，比熱容為 502 J/kg·K，傳熱系數(shù)為 12.1 W/m·K，制冰桶壁厚為1.5mm。本模擬的收斂殘差取10-6。

根據(jù)模擬結(jié)果可得，鹽水沖刷近橢圓形截面制冰桶時，鹽水呈繞流狀態(tài)，鹽水流動擾動性相對最強(qiáng)，鹽水流速大小在制冰桶橫向間隔和縱向間隔內(nèi)相對最均勻，制冰桶結(jié)冰速度更均勻，有利于縮短結(jié)冰時間，增強(qiáng)鹽水與制冰桶內(nèi)冰水的換熱效率。鹽水沖刷近橢圓形和近菱形截面制冰桶與鹽水沖刷矩形截面制冰桶相比較，鹽水流速相對較為均勻，約0.1～0.2 m/s，且鹽水沖刷近橢圓形截面制冰桶時，鹽水流速大小在制冰桶橫向間隔和縱向間隔內(nèi)相對均勻。鹽水沖刷矩形、近橢圓形和近菱形截面制冰桶時，鹽水溫升分別為0.3～0.4、0.15～0.25℃和0.15～0.25℃。對比分析叉排時鹽水沖刷矩形、近橢圓形和近菱形截面制冰桶鹽水溫度流場得，鹽水沖刷矩形截面制冰桶時鹽水溫升相對最大，鹽水沖刷近橢圓形和近菱形截面制冰桶時，鹽水溫升相對較小。鹽水沖刷矩形、近橢圓形和近菱形截面制冰桶鹽水阻力分別為2000Pa、800Pa和 1000 Pa。

4 結(jié)論

通過CFD數(shù)值模擬方法對比分析叉排時，鹽水沖刷矩形、近橢圓形和近菱形橫截面制冰桶制冰池內(nèi)鹽水流場特性，依據(jù)典型截面云圖圖1～圖10的分析結(jié)果，可得以下4點(diǎn)結(jié)論：

（1）鹽水沖刷近橢圓形制冰桶時，鹽水流動擾動相對最強(qiáng)，鹽水速度大小在制冰桶橫向間隔和縱向間隔內(nèi)相對一致，制冰桶結(jié)冰速度更均勻，有利于縮短結(jié)冰時間。

（2）鹽水沖刷矩形截面制冰桶時，鹽水溫升相對最高，近菱形次之，近橢圓形最低。

（3）鹽水沖刷近橢圓形截面制冰桶時鹽水流動阻力相對最小，近菱形次之，矩形最大。

（4）鹽水沖刷近橢圓形橫截面制冰桶時，鹽水流動擾動性相對最強(qiáng)，有利于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。

圖1 無折流板Z=0.079m鹽水速度云圖

圖2 有折流板Z=0.079m鹽水速度云圖

圖3 無折流板Z=0.079m鹽水溫度云圖

圖4 有折流板Z=0.079m鹽水溫度云圖

圖5 無折流板Z=0.079m鹽水壓力云圖

圖6 有折流板Z=0.079m鹽水壓力云圖

圖7 無折流板Y=0.05m鹽水速度云圖

圖8 有折流板Y=0.05m鹽水速度云圖

圖9 無折流板Y=0.05m鹽水溫度云圖

圖10 有折流板Y=0.05m鹽水溫度云圖