流速對盤管內(nèi)冰漿流動及換熱特性的影響研究.docxVIP

1、doi：10.3969/j.issn.2095-4468.2019.0i.207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)二王展榮，姬晨陽，李美晨，陳柳，魚欣媛(西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西西安710054)摘要冰漿作為一種性能優(yōu)越的潛熱蓄能和輸送介質(zhì)，在蓄冷空調(diào)中具有極大的應(yīng)用潛力。但由于冰漿輸運、儲存過程中受到諸多因素的影響呈現(xiàn)復(fù)雜的流動特征，如分層、聚集等，容易堵塞管道，目前仍未大規(guī)模應(yīng)用。文章模擬研究了一定冰漿含冰率以及管外徑條件下入口速度對盤管內(nèi)冰漿流動及換熱特性的影響。結(jié)果表明：冰漿在盤管的流動過程中，彎管部位都會出現(xiàn)與單相液體流動樣的二次流，速度越大、二次流現(xiàn)象越明顯。入口速度

2、對冰漿在盤管內(nèi)流動與換熱特性影響較大，流速過小，管道頂部冰粒子聚集易形成滯留層，不利于冰漿流動，但有利于冰粒子的相變釋放潛熱；流速過大時，管道內(nèi)冰粒子均勻懸浮，流動狀態(tài)好，但冰漿在管道內(nèi)持續(xù)的時間短，不利于相變釋放潛熱，針對本文條件，冰漿在末端設(shè)備流動入口速度不應(yīng)超過0.5m/s,比較理想的入口速度為0.25m/s左右。關(guān)鍵詞蓄冷空調(diào)：冰漿；盤管；流動；換熱StudyonInfluenceofFlowVelocityonFlowandHeatTransferCharacteristicsofIceSlurryinCoilTubesJIChangfaWANGZhanrong,JIChenyang

3、,LIMeichcn,CHENLiu,YUXinyuan(SchoolofEnergyResources,XianUniversityofScienceandTechnology,Xian,Shaanxi710054,China)AbstractAsakindoflatentheatstorageandtransportmediumwithsuperiorperformance,iceslurryhasgreatapplicationpotentialinstorageairconditioning.However,duetotheinfluenceofmanyfactorsintheproc

4、essoficeslurrytransportationandstorage,i(presentscomplexflowcharacteristics,suchasstratificationandaggregation,whicharceasytoblockthepipeline.Sofar,ithasnotbeenappliedinalargescale.Inthispaper,theeffectsoftheinletvelocityontheflowandheattransferoficeslurryinthetubeundertheconditionoficecontentanddia

5、meterof(heiceslurryarestudied.Theresultsshowthatintheflowprocessoftheiceslurryinthecoil,thesecondaryflowofthepipeappearsassameasthesinglephaseliquidflow;thegreaterthevelocityis,themoreobviousthesecondaryflowphenomenonis.Theinletvelocityhasgreatinfluenceontheflowandheattransfercharacteristicsoficeslu

6、rryinthecoil.Whentheflowvelocityistoosmall,theaccumulationoficeparticlesatthetopofthepipeiseasytoformastagnantlayer,whichisnotconducivetotheflowoficepulp,butitisbeneficialtorelease(helatentheatoftheiceparticles.Whentheflowvelocityistoolarge,theiceparticlesinthepipearesuspendedevenlyandtheflowstateis

7、good,butthedurationoftheiceslurryinthepipelineisshort,whichisnotconducivetoreleasethelatentheatofthephasechange.Accordingtotheconditionsofthispaper,theinletspeedoficeslurryinterminalequipmentshouldnotexceed().5m/s,andtheidealinletspeedisabout0.25m/s.KeywordsColdstorageairconditioning;Iceslurry;Coil;

8、Flow;Heattransfero弓I言網(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(shù)對電力負荷的“移峰填谷集中空調(diào)應(yīng)用過程中的負荷不平衡性使得電作用顯現(xiàn)叫冰漿具有較高的熱輸送能力，在區(qū)域本姬長發(fā)(1963-),男，教授，博士。研究方向：制冷空調(diào)節(jié)能技術(shù)。聯(lián)系地址：西安市雁塔路58號，郵編：710054c聯(lián)系電話E-mail：jicf?；痦椖浚簢易匀磺嗄昕茖W(xué)基金(No.51404191)。木論文選自2018年第十屆全國制冷空調(diào)新技術(shù)研討會。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

9、需改變泵送設(shè)備、配電網(wǎng)絡(luò)或蓄積罐12氣冰漿制冷系統(tǒng)在一些發(fā)達國家，如美國、口本和丹麥等國家有較廣泛應(yīng)用1501。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?xí)l(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等圓用過冷法進行了冰漿制取實驗。華中科技大學(xué)的肖凱網(wǎng)對冰漿的制取方式進行了實驗研究。清華大學(xué)的曲凱陽3）成功實現(xiàn)過冷水連續(xù)制取冰漿。浙江大學(xué)王煒I(yè)研究了一種雙直接接觸式冰漿制取系統(tǒng)。河南科技大學(xué)梁坤峰等借

10、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(xué)劉圣春等3】設(shè)計出一臺小型的風(fēng)冷式冰漿制取裝置。華中科技大學(xué)的楊麗媛等電對冰漿在三通中的流動進行了數(shù)值模擬。中南大學(xué)徐愛祥等I以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(xué)王繼紅等成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(xué)的杜軍恒廿引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Ml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(fēng)機盤管中的流動特性，分析

11、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(shè)定1.1幾何模型盤管的幾何模型如圖1所示，設(shè)計時完全參考常用空調(diào)末端設(shè)備，以家用分體式空調(diào)柜機蒸發(fā)器盤管為依據(jù)。設(shè)計盤管為3排銅管串聯(lián)，管間距為20mm,銅管的管壁厚為0.35mm,直管部分管長為30nim。肋片為0.15mm的厚銅片增加散熱效率，肋片間距設(shè)為1cm。含冰率為10%、盤管管徑都為10min,其他條件不變，分別對入口速度為0.1m/s、0.25m/s0.5m/s、0.75m/s和1m/s的冰漿在管內(nèi)流動進行了數(shù)值模擬。圖1管徑為10mm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(guān)重要的影響，網(wǎng)格劃分的效

12、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34萬時己經(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?；昙萧WE順顧簫加血油皿血f疽.訓(xùn)。購血禎阿皿琪（口貳明心血現(xiàn)血H棚M頃血此0.9n?/h、1.1m3/ho結(jié)果如圖3、圖4所示。換熱量的計算公式如式(1)所示。Qw=WCpw(tw2-twl)+W(A/PF)L(1)式中：Qw

13、冰漿換熱量，kw；W冰漿流量，kg/s；Cpw水的定壓比熱，KJ/(KgLC)；ZwH，w2分別為冰漿進出口溫度，C；1PF漿融化的含冰率，%；L冰的融化潛熱，335KJ/Kgo圖3盤管流體進出口溫差模擬值與實驗值對比R制屈口王1.1流量/(mJ/h)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

14、件卜.管內(nèi)冰粒子分布圖。(a)速度為0.1m/s管道剖面冰粒子分布(b)速度為0.25m/s管道剖面冰粒子分布(c)速度為0.5m/s管道剖面冰粒子分布(d)速度為0.75m/s管道剖面冰粒子分布(e)速度為1m/s管道剖面冰粒子分布圖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兒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。由于冰品粒了的密度低于水溶液的密度，出現(xiàn)冰粒了懸浮在管道頂部而滯留的現(xiàn)象，這與華中科技大學(xué)何國臾教授等mi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

15、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)最下層為粒于分布不均的混合溶液層。滯留粒子層會導(dǎo)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0.25m/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，形成冰粒子維體移動層。從圖5(c)和圖5(d)可以看出，當流速大于0.5m/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1m/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

16、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(yīng)力遠大懸浮力，因此顆粒在管道內(nèi)基本對比圖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0.1m/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0.1m/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

17、，流動阻力小，卻失去了在末端設(shè)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。成均勻懸浮狀態(tài)。表I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。冰漿流速/(m/s)0.751入口含冰率APR10%10%10%10%10%出口含冰率/IPF26.02%7.37%8.36%8.87%9.23%融化含冰/AIPF3.98%2.63%1.64%1.13%0.77%p.、代噩口壬歸-冬p.、代噩口壬歸-冬流速/(m/s)圖6不同速度流體進出口溫差1(H)9(1SCI7(16(15

18、(10.20.4000.8I冰漿流速/(m/s)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，但減少程度小流速增加程度。流速0.1m/s的冰粒融化量最大；當流速為0.75m/s以上時溫差接近2C,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

19、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(shè)備流動需要控制入口速度不

20、應(yīng)超過0.5m/s,本文得出的比較理想的入口速度為0.25m/s左右。參考文獻：1 梁坤峰，任幌樂，賈雪迎，等.冰蓄冷輻射空調(diào)系統(tǒng)運行優(yōu)化與能耗分析J.制冷技術(shù),2014,34(6):68-74.2 李葉，劉圣春,饒志明，等.冰漿儲存與融化及流動換熱特性研究現(xiàn)狀及展望J.制冷技術(shù)，2012,40(1):55-60.|3|李新，侯予，張興群.冰漿流動及傳熱特性研究進展J.制冷與空調(diào),2007.8(7):15-18.|4)簡夕忠.二元冰漿流動與傳熱特性研究D.南京：南京航空航天大學(xué),2008.5 GRAYBF,JOHNSONCA,SCHOENAUGJ,ctal.Energyconsumptiona

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