流速對盤管內(nèi)冰漿流動及換熱特性的影響研究

姬長發(fā)，王展榮，姬晨陽，李美晨，陳柳，魚欣媛

（西安科技大學能源學院，陜西西安 710054）

0 引言

集中空調(diào)應用過程中的負荷不平衡性使得電網(wǎng)晝夜負荷差值巨大。為了緩解白天高峰時期的電網(wǎng)壓力，蓄冷空調(diào)技術對電力負荷的“移峰填谷”作用顯現(xiàn)[1]。冰漿具有較高的熱輸送能力，在區(qū)域的冷卻系統(tǒng)中，如果使用含冰率為5%的冰漿，在相同流速下，其冷卻能力超過傳統(tǒng)系統(tǒng)的兩倍以上，且運輸、儲存無需改變泵送設備、配電網(wǎng)絡或蓄積罐[2-4]。冰漿制冷系統(tǒng)在一些發(fā)達國家，如美國、日本和丹麥等國家有較廣泛應用[5-6]。由于冰漿流動不同于一般的兩相流動，它在輸送的長管道內(nèi)可能會出現(xiàn)分層，通過聚集而凝結(jié)成冰塊，甚至會發(fā)生冰堵現(xiàn)象。所以冰漿的輸運過程是一個急需解決的問題，國內(nèi)外圍繞冰漿的制取、輸送及換熱做了很多方面的研究。

KITANOVSKI等[7]采用了數(shù)值模擬結(jié)合實驗的方法研究了刮削式制冰漿法。ROMAN等[8]用過冷法進行了冰漿制取實驗。華中科技大學的肖凱[9]對冰漿的制取方式進行了實驗研究。清華大學的曲凱陽[10]成功實現(xiàn)過冷水連續(xù)制取冰漿。浙江大學王煒[11]研究了一種雙直接接觸式冰漿制取系統(tǒng)。河南科技大學梁坤峰等[12]借鑒了流化床順利進行了流體冰的制取實驗。天津商業(yè)大學劉圣春等[13]設計出一臺小型的風冷式冰漿制取裝置。

華中科技大學的楊麗媛等[14]對冰漿在三通中的流動進行了數(shù)值模擬。中南大學徐愛祥等[15]對間接式冰漿制取過程中冰層生長速率與冰層厚度變化及其影響因素進行數(shù)值模擬研究。大連理工大學王繼紅等[16-17]分別對豎直管道和水平90°彎管內(nèi)冰漿流體流動特性進行數(shù)值模擬研究。河南科技大學的杜軍恒[18]建立了混合物模型來模擬研究冰漿在水平直管，90°彎管及離心泵內(nèi)的流動狀態(tài)，楊帆等[19]對動態(tài)冰漿在水平直管內(nèi)的流動壓降進行了研究。

上述研究中，針對盤管內(nèi)冰漿流動特性的研究較少，本文利用數(shù)值模擬的方法研究冰漿在風機盤管中的流動特性，分析流速對其流動特性的影響。

1 物理模型的建立、網(wǎng)格劃分及邊界條件設定

1.1 幾何模型

盤管的幾何模型如圖1所示，設計時完全參考常用空調(diào)末端設備，以家用分體式空調(diào)柜機蒸發(fā)器盤管為依據(jù)。設計盤管為3排銅管串聯(lián)，管間距為20 mm，銅管的管壁厚為0.35 mm，直管部分管長為30 mm。肋片為0.15 mm的厚銅片增加散熱效率，肋片間距設為1 cm。含冰率為10%、盤管管徑都為10 mm，其他條件不變，分別對入口速度為0.1 m/s、0.25 m/s、0.5 m/s、0.75 m/s和1 m/s的冰漿在管內(nèi)流動進行了數(shù)值模擬。

圖1 管徑為10 mm盤管模型圖

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分在Fluent模擬中起著至關重要的影響，網(wǎng)格劃分的效果將直接決定模擬計算的速度快慢及效果。在本模擬中，由于冰漿流體具有粘性，本文首先對邊界層進行了劃分，然后以四邊形非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格形式對面網(wǎng)格進行了劃分，最后整體網(wǎng)格劃分為以六面體網(wǎng)格為主，在適當位置上包括楔形網(wǎng)格形式的非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格。文獻[11]對具有類似結(jié)構(gòu)的彎管模型進行了網(wǎng)格獨立性驗證，網(wǎng)格數(shù)最多為34萬時已經(jīng)獨立，本文在計算時網(wǎng)格數(shù)量約為40萬，盤管劃分的網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 管徑為10 mm盤管網(wǎng)格圖

1.3 邊界條件設定

邊界條件：文中冰漿兩相流進入管道的入口設為速度入口，分別取0.1 m/s、0.25 m/s、0.5 m/s、0.75 m/s和1 m/s，流體入口溫度都設置為274 K；盤管的出口設為自由出口，管壁設為固體壁面，材料為銅，材料厚度設為0.35 mm，材料的傳熱系數(shù)為377 W/(m…K)。定義外界為熱對流邊界，流體溫度為296 K。

2 基本假設

模擬計算過程中，做出以下的假設：

1) 由于冰粒子密度與懸浮流體的密度比較接近，因此忽略冰晶粒子的徑向滑移；

2) 忽略冰粒子相變所發(fā)生的體積變化；

3) 將冰漿流體視為牛頓流體；

4) 冰晶粒子是剛性的慣性球體，它與懸浮液之間沒有相對流動，因此將冰晶粒子視為均勻流；

5) 除了冰晶粒子的融化潛熱外，管內(nèi)沒有其它內(nèi)熱源；

6) 忽略末端風機盤管空氣流動的速度與換熱情況，只研究盤管冰漿的換熱情況。

3 模型驗證

本文將建立模型的模擬結(jié)果與華中科技大學冰漿實驗室中研究者做的相似實驗[8,13]進行對比。為使對比準確性和參考性更高，設置與研究者所做的冰漿在風機盤管中流動及換熱實驗的同等工況條件，即采用含冰率1.1%的冰漿，在管徑為10 mm的盤管中，流量分別取0.5 m3/h、0.7 m3/h、0.9 m3/h、1.1 m3/h。結(jié)果如圖3、圖4所示。換熱量的計算公式如式(1)所示。

式中：

Qw——冰漿換熱量，kw；

W——冰漿流量，kg/s；

Cpw——水的定壓比熱，KJ/(Kg…℃)；

tw1、tw2——分別為冰漿進出口溫度，℃；

ΔIPF——冰漿融化的含冰率，%；

L——冰的融化潛熱，335 KJ/Kg。

圖3 盤管流體進出口溫差模擬值與實驗值對比

圖4 換熱量模擬值與實驗值對比

由圖3和圖4可以看出，在同等情況下，冰漿在盤管中的換熱情況的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果有相同的規(guī)律性及數(shù)值吻合性。模型的建立比較符合實際情況、較準確，說明使用此種方法數(shù)值模擬冰漿在盤管內(nèi)流動及換熱結(jié)果接近實際并具有可參考性。

4 模擬結(jié)果及分析

4.1 入口流速對管道內(nèi)冰粒分布的影響

圖5為不同流速條件下管內(nèi)冰粒子分布圖。

圖5 不同流速條件下管內(nèi)冰粒子分布

從圖5(a)可以看出，當流速為0.1m/s時，除剛進入管道內(nèi)部分，其他部分未融化的冰粒子幾乎全部聚集在管子頂部，特別是剛進入管道部分聚集程度較高。由于冰晶粒子的密度低于水溶液的密度，出現(xiàn)冰粒子懸浮在管道頂部而滯留的現(xiàn)象，這與華中科技大學何國庚教授等[20]總結(jié)的冰漿流動的3層模型完全吻合，冰漿流體在管道內(nèi)可能呈現(xiàn)出3種分層：1）部分冰晶粒子在頂部滯留，形成滯留層；2）往下形成冰粒子的整體移動層；3）最下層為粒子分布不均的混合溶液層。滯留粒子層會導致冰漿流動阻力增大，不利于冰漿在管道內(nèi)的輸送。

從圖5(b)可以看出，當流速為0.25 m/s時，未融化的冰粒子并沒有完全懸浮在管道頂部而滯留，只有部分冰粒子聚集靠近管道頂部，形成冰粒子整體移動層。

從圖5(c)和圖5(d)可以看出，當流速大于0.5 m/s時，未融化的冰粒子幾乎沒有出現(xiàn)聚集在管道頂部而懸浮的現(xiàn)象，而以小結(jié)塊兒的形式分布在管道中間。

從圖5(e)可以看出，冰漿流速達到1 m/s時，冰漿流動時冰晶顆粒與水相容得比較好，沒有明顯結(jié)塊或者冰晶粒子聚集現(xiàn)象，冰漿流動屬于混合溶液層。這是因為，當冰漿流體流速比較大時，所形成的紊流強度也會比較大，這種情況下顆粒受到的紊流切應力遠大于懸浮力，因此顆粒在管道內(nèi)基本成均勻懸浮狀態(tài)。

對比圖5(a)至圖5(e)可以看出，當平均流速減小時，降低了紊流的影響，在管道頂部出現(xiàn)粒子高濃度區(qū)，若平均流速進一步減小，才可能在頂部出現(xiàn)滯留粒子層。只有冰漿在流速為0.1 m/s的時候會出現(xiàn)在彎道后滯留層小部分聚集。

4.2 入口流速對換熱的影響

表1為不同流速的冰漿進出含冰率及融化了的含冰率對比。

從表中可以看出流速為0.1 m/s的冰漿融化了的含冰率最高，說明換熱效果最好，隨著流速的增加，出口含冰率增加，融化了的含冰率明顯減少，即冰漿在盤管中流動無法很好地釋放潛熱，雖然冰粒子分布均勻，流動阻力小，卻失去了在末端設備流動換熱的意義，所以高流速流動比較適合冰漿輸送運輸。

表1 不同流速冰漿融化含冰率

根據(jù)模擬得到的數(shù)據(jù)，結(jié)合冰漿換熱量的計算公式(1)得出不同流速條件下盤管的進出口溫差、換熱量及壓降變化分別如圖6、圖7和圖8所示。

圖6 不同速度流體進出口溫差

圖7 不同速度冰漿總換熱量對比

圖8 不同速度冰漿流動壓降對比

從圖6中可以看出，在管道半徑、冰漿流體含冰率不變的條件下，冰漿的進出口溫度差隨著流動速度的增加而減小，但減少程度小于流速增加程度。流速0.1 m/s的冰粒融化量最大；當流速為0.75 m/s以上時溫差接近2 ℃，冰粒融化量較小。

從圖7可以看出，冰漿的總換熱量隨著流速的增加而增加，雖然含冰率隨著流速的增大而減小，但其減小程度遠小于流速增大的程度。

從圖8可以看出，在管道半徑、冰漿流體含冰率不變的條件下，冰漿的壓降隨著流動速度的增加而增大，速度越高，增大幅度越大；這是由于，隨著冰漿流體流速的增大，形成的紊流強度也隨之增大，由此產(chǎn)生的能量損耗也增加，從而壓力損失也增大。

5 結(jié)論

1）冰漿在盤管流動過程中，彎管部位都會出現(xiàn)與單相液體流動一樣的二次流，速度越大，二次流現(xiàn)象越明顯。

2）入口速度對冰漿在盤管中的流動換熱有很大影響，流速過小，冰漿中冰粒子聚集在管道頂部形成滯留層現(xiàn)象比較嚴重，不利于冰漿流動及換熱，但冰漿流經(jīng)管道持續(xù)的時間較長，換熱時間長，有利于冰粒子的相變釋放潛熱；流速過大時，冰粒子在管道內(nèi)基本成均勻懸浮狀態(tài)，是冰漿最好的流動狀態(tài)；但冰漿流經(jīng)管道持續(xù)的時間太短，很多冰粒子來不及相變釋放潛熱就流出了盤管，換熱效果不好；由于流體流速大，冰漿的壓降也較大，所以冰漿在末端設備流動需要控制入口速度不應超過0.5 m/s，本文得出的比較理想的入口速度為0.25 m/s左右。