（制冷及低温工程专业论文）一种制取流体冰新方法的数值模拟研究.pdf

摘要 本文采用数值模拟方法，对一种新型制取流体冰的方法进行了模拟研究，对其中一些关键问题 进行了探讨，取得了相应的研究结果和结论。 该新型制取流体冰方法的机理是通过一个特殊设计的雾化装置，把低温油介质均匀的导入一个 直立的制冰通道，而把水雾化成细小水滴喷入制冰通道中的油介质环境中，水滴在油介质中被冷却 直至结成冰颗粒，水滴在介质油中产生相变，所以在这个过程中水和油的流动是水滴，冰颗粒和油 介质的多相流动。 本文根据工艺的特性和要求查阅相关文献和资料，找出了较为合适的两种油类介质：变压器 油和缝纫机油，并做与水的相溶性对比试验。 根据瓤型的靠4 取流体冰方式，本文采用欧拉一拉格朗日数值模拟的方法对对油水多相流动混和 物中的连续介质油和离散相水滴分别建立适时动态分布参数模型和离散颗粒轨道模型，对单个颗粒 采用空间离散和时间离散的方法对水滴颗粒的内部导热和水滴表面与外界油介质对流换热进行数值 模拟计算，得到了粒径，相对速度，通道管径等因素对水滴结冰时间的影响规律，同时运用颗粒轨 道模型跟踪到具体的颗粒，模拟计算了喷入制冰通道中的水滴之间的碰撞特性和规律，通道进出口 处的水滴的粒径分布状况，并相应的得到了介质油的速度场，温度场和水滴在油介质中的速度场， 温度场。 关键词：流体冰，相变。多相流，颗粒碰撞，数值模拟，温度场 a b s t r a c t t h i sp a l m e rs t u d i e san e wf l u i di c et e c h n o l o g y n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o di su s e df o rs o m ek e y q u e s t i o n so f t h en e wf l u i di c et e c h n o l o g y r e l e v a n tr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n sa r eo b t a i n e d t h em e t h o do ft h en e wf l u i di c et e c h n o l o g yi st h a tl o wt e m p e r a t u r eo i l m e d i ai sg u i d e di n t oae r e c t c h a n n e l a n dw a t e ri sa t o m i z e di nt h el o wt c m p c r a t u r eo i lb yaa t o m i z a t i o nm a c h i r e w a t o rd r o p l e t sa r e c o n g e a l e d 1 h em i x t u r ei st h r e ep h a s e sf l u i do f w a t e rd r o p l e t s o i ia n d i c ep a r t i c l e s t h i sp a p a e rr e f e r sal o to fl i t e r a t u r ea n dd a t aa b o u to i lm e d i a , a n df i n d st w ok i n d so fo i lm e d i aw h i c h a r ef i tf o rt h et e c h n i c sc h a r a c t e r i s t i c s ：t r a n s f o r m e ro i la n ds a r t o f i u so i l - t h es e p a r a b i l i t yo fw a t e ra n do i l m e d i ai st e s t e d a c c o r d i n gt ot h en e wf l a i di t e c h n o l o g y , at r a n s i e n tm a t h e m a t i c a lm o d e li su s e df o rt h eo i lf l u i da n d p a r t i c l et r a j e c t o r ym o d e li su s e df o rt h ed i s c r e t ew a t e rd r o p l e t s d i s c r e t et i m ea n dd i s c r e t es p a c ea r eu s e d f o rs i m u l a t i n gt h ew a t e rd r o p l e i sh e a tc o n d u c t i o na n dc o n v e c t i o n d r o p l e t si c i n gt i m ei sa b t a i n e di nt h e c o n d i t i o n so f d i f f e r e n td r o p l e td i a m e t e r , r e l a t i v ev e l o c i t ya n dc h a n n e ld i a m e t e r p a r t i c l et r a j e c t o r ym o d e li s u s e df o rf o l l o w i n gt h et r a c k so fw a t e rd r o p l e t s ，t h eo c c u l t e n c oo fc o l l i s i o nt i m e sb e t w e e nd r o p l e t si s i n v e s t i g a t e da n dt h er e l a t e dr e s u l t sa f eo b t a i n e d t h eo i l ，st e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n , v e l i c t yd i s t r i b u t i o n w a t e rd r o p l e t s t e m d e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o na r co b t a i n e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n k e y w o r d s ：f l u i di c e ；p h a s ec h a n g e ；m u l t i p h a s ef l o w ；p a r t i c l ec o l l i s i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t e m p a r a u n ed i s t r i b u t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：) 歪垃生导师签名：丝垒b 期：! 堕：! ：t 东南大学硕士论文 第一章绪论 1 1 冰蓄冷技术研究的背景 随着我国国民经济的迅速发展和人民生活水平的提高，中央空调系统，家用空调器以及其它各 类需要冷源的空调制冷系统的广泛应用，空调用的电力消耗量也随之在不断的增长，尽管我国的电 力建设一直保持着高速发展，电力发展每年保持8 - - 9 的增长速度，新装机容量高达1 2 0 0 万k w 以 上，到2 0 0 4 年6 月底，中国大陆电力总装机容量达到了4 0 6 亿千瓦，居世界第二位“1 。而中国大 陆目前空调用电每年增长约8 0 0 万千瓦，因此空调用电量增长占总电力增长的6 0 以上，空调用电 量的比例，一般在西方发达国家，如美国的部分城市为2 0 一4 0 ，在夏季用电高峰时，我国北京等 北方城市的空调用电量占城市总用电量的1 6 1 8 ，广州，深圳等南方经济发达城市的空调用电量 已经超过3 0 ，制冷空调不仅耗电量巨大，而且其用电高峰往往与城市用电高峰时间相重叠。从而 加剧了峰谷用电的不平衡“1 。 城市规模的扩大和用电结构的改变，使得城市以及地区电网昼夜电力负荷差值越来越大，日闻 用电高峰时段往往供不应求，而后半夜低谷时段电力大量富余用不出去。为了解决这一矛盾，供电 部门采用分时电价，即采用分别降低谷时和提高峰时电价的方法，通过经济手段来鼓励用户将峰时 用电改为谷时用电“1 ，把日间高峰用电负荷转移至深夜低谷时段。我国采用分时电价的政镱正在快速 推广，差价也在不断扩大，冰蓄冷技术正是为了实现电能的移峰填谷这一背景下产生的，即利用谷 时的廉价电开足马力制冰蓄冷，峰时关闭或部分关闭制冷机组，采用融冰供冷，这样不仅大大降低 了蓄冰装置的运行费用，使用户可以从用电差价中获得显著的经济效益，而且调整了用电结构，改 善了电厂发电机组的运行情况，降低了燃料消耗。因此冰蓄冷技术的研究和利用对于加强空调节能， 合理利用能源并进一步改善能源利用率，促进能源，经济和环境的协调发展是相当重要的”“” 1 2 冰蓄冷技术研究现状 常规的蓄冷系统可以分成水蓄冷和冰蓄冷两种。水蓄冷系统是利用价格低廉、使用方便、热容 较大的水作为蓄冷介质，利用水温度变化所具有的显热进行冷( 热) 量储存。在冰蓄冷系统中是通过 水的液固变化所具有的凝固( 溶解) 潜热来储存( 释放) 冷量。与水蓄冷相比，冰蓄冷系统的优点是： 蓄冷密度高，约为水蓄冷的7 8 倍”1 ，使蓄冷槽体积较小；温度稳定，便于控制；热设计的灵活 性强。 冰蓄冷系统可以进一步分为静态冰蓄冷系统和动态冰蓄冷系统两种”1 。静态制冰( s t a t i ci c e s y s t e m ) ：冰的制各和融化在同一位置进行，蓄冰设备和制冰部件为一体机构。具体形式有冰盘管式 ( 盘管外融冰，e x t e r n a lm e l ti c eo nc o i ls t o r a g e ) 、完全冻结式( 盘管内融冰，i n t e r n a lm e l ti c e o nc o i ls t o r a g e ) 和密封体蓄冰( e n c a p s u l a t e di c es t o r a g e ) 。动态制冰( d y n a m i ci c es y s t e m ) ： 冰的制各和储存不在同一位置，制冰机和蓄冰槽相对独立。如制冰滑落式( i c eh a r v e s t e r ) 、冰浆式 系统( i c es l u r r y ) 等”1 。目前在工程中实际所采用的大部分制冰系统都是静态的。在静态冰蓄冷系 统中，冷水与冰层明显分层，增大了固液界面的热阻，降低了系统的换热效率。而动态冰蓄冷系统 中，冰晶与液体充分混合，可以提供更优的传热特性，释冷速度较之静态冰蓄冷系统快”。 传统制冰方法涉及最多的是制取冰块，其次是壳冰和片冰。他们存在的共同问题是：当冰在吲 体制冷面上形成后，由于冰的导热系数远远小于金属的导热系数( 如；o 时冰的导热系数为2 2 2 ， 而铜和铝的导热系数分别为4 0 1 和2 3 6 ，单位：w ( ) ) ”1 ，冰层造成很大的传热热阻，并随冰层 厚度的增加而急剧增大，从而造成传热温差大，制冰能耗高，制冰速度也随冰层厚度的增加而变慢。 动态冰具有流动性，可以直接用泵输送，不需要二次冷媒和抉热器，不仅降低了系统的费用，并使系 统的结构简单维护方便而且还消除了间接换热温差，使系统的工作效率提高。同时在蓄冷溶液中 形成的冰浆有较高的蓄能密度，单位容积蓄冷密度比冷冻水离4 6 倍“。由于蓄冷溶液流经蒸发 器后可以直接形成冰浆，因此，构成蒸发器的制冷剂管路长度可以缩短，制冷剂泄漏风险可以降低。 查堕茎兰堡主堕苎 对于地下深度超过3 0 0 0 m 的高温地带( 例如南非金矿) 的空调系统可以通过冰浆输送冷量“。通过对 冰浆输送特性的研究，还提出一种新型的方法来降低输送冷能所需的泵功，即冰粒子的气流输送， 并采用空气与冰粒子直接接触进行热交换以供冷负荷使用。表1 1 对现有制冰法进行了分类1 。 表1 1 对现有制冰法的分类 种类说明 静态制冰法 管外制冰( i c eo n制冰方式：传热流体通过管簇，管簇内通冷媒 t u b e ) 冷却方式：冷媒直接膨胀 管内制冷( i c ei n制冰方式：流体通过管外，管内结冰 t u b e 冷却方式：冷媒直接膨胀或盐水循环冷却 密闭容器制冰式 容器形状：球形，圆柱形，平板形 冷却方式：盐水循环冷却 动态制冰法 间接换热法 收获( h a r v e s t ) 制冰制冰式：水或水溶液从冷却表面( 圆柱内表面或外表面、竖板表面流下) 法 除冰法；机械剥离法或热融解剥离法 冷却方式；冷媒直接膨胀或盐水循环冷却 液态水制冰制冰法：水溶液从冷却面自然流下 冷媒蒸发器内水溶液的离心流动 水溶液的管内强制流动 冷却方式：冷媒直接膨胀或盐水循环 过冷却制冰制冰法：流动水和水溶液通过换热器换热 冷却方式：冷媒直接膨胀或盐水循环冷却 直接换热法 冰晶制冰法制冰法；由低沸点冷媒在水中蒸发产生冰晶或与水不相溶的低温高密度 液体在水层边喷射而获得显热利用，从而制冰 冷却方式：冷媒直接膨胀或盐水循环冷却 其它制冰( ”冰) 法制冰法：由真空状态下的水蒸发，导致高分子物质一水溶液相变 冷却方式；水的直接蒸发冷却 干燥冰晶制备法制冰法：冷媒蒸气和喷射水雾直接接触而产生冰晶或由空气的绝热膨胀 而产生的低温空气和喷射水雾直接接触生成冰晶 近些年来，流体冰的制作研究和应用越来越引起制冰界的关注和重视，尤其是在发达国家“。国际 一些著名大学与研究机构相继成立了流体冰研究中心，对流体冰的形成机理，流动、蓄冷和保鲜特 性进行研究。鉴于流体冰在工业制冷中的特殊地位，国际制冷协会在1 9 9 8 年成立了流体冰技术工作 组，自1 9 9 9 年起每年召开国际流体冰研讨会”。 1 3 流体冰的制取方法及性能特点 流体冰通常由直径为5 0 u m l o o u m 的冰晶颗粒和水构成的混合物“”，它的显著优点是用作保鲜 介质时冷却速度很快，流动性能好，可以用泵直接进行输送，由于在制冰过程中固体传热面上没有 冰层的产生，实现完全流动换热，因此制冰过程传热系数大，传热温差小，制取流体冰的性能系数 c o p 可比制取块冰提高近1 倍“1 。除此以外，由于冰晶颗粒很小，因此可以达到很高的冰表面积比， 若_ f j 流体冰进行冰蔫冷，无疑将使冰蓄冷技术更为经济有效，不但能够使制冰时的热力效率增加， 还可以实现较小的融冰温差和很高的融冰速率，除了适合空调用冰蓄冷外，还可在诸如化工或其它 2 东南大学硕士论文 工农业领域略高于0 的用冰场合实现大规模冰蓄冷( 由于冰球和盘管冰蓄冷融冰过程所需要的传 热温差相对较大，因此融冰供冷温度要比0 高得多) 。 目前国内外制取流体冰的方法大致可以归纳为以下几种： 1 具有机械刮板装置的制取流体冰方法 刮面式制冰机是在技术上最成熟，安装数目最多的流体冰制冰机”1 。主要厂家有加拿大s u n w e l l 公司、荷兰i n h a m 公司和冰岛o p t i m a r 公司。由于设备相对简单，运行稳定，这种类型的制冰机己 成为市场主流“，各国渔业用户基本上都采纳这类技术。刮面式制冰机的蒸发器是一个特殊设计的 刮面式换热器。制冷剂在中央管外侧的夹套内蒸发换热，而二组分的制冰溶液在中央管流动。制冰 溶液使用必须盐水或海水产冰。由于单个蒸发器体积有限，产冰量为每天1 6 吨不等，制冰机组 也常常由多台蒸发器组成。刮面式制冰机的输出制冷功率和能耗比c o p 可高达2 0 2 4 之间， 比管冰、片冰等传统制冰机效率高。由于机械刮板的作用，蒸发器内筒壁有较高的换热系数，但是 需要消耗额外动力。流体冰的含冰量通常在3 0 - - 6 0 ”1 ，可以根据盐水浓度和蒸发温度进行变化。 该制冰方法不能用淡水制冰，因为淡水极易冻结在金属壁面上，该工艺对制冰筒内筒的非椭圆度， 表面光洁度，所用不锈钢材料以及机械刮板装置的安装精度都有较高的要求，使得冰筒成本较高。 该制冰方法空调冰蓄冷时有两个方面不够理想：一是蒸发器内简直径不宜过大，若内筒直径过大， 一方面使得机械刮板扭距增大，另一方面是内筒的蒸发面积没有蒸发器体积增加得快，造成结构上 的不合理性，因此该制冰方法不适合制作大功率机组。目前在大规模制冰情况下，也有采用多个蒸 发器( 制冰筒) 并联运行的方式，采用联台传动的方式同时驱动多个冰筒刮板，但是不可避免的增 加了系统的复杂性以及降低了运行的可靠性；二是在制冰的过程中，由于所析出的颗粒成分主要是 淡水因此随着冰晶颗粒的析出，海水中的含盐浓度不断增加，析冰温度将随之降低，对制冰热力 效率产生影响。 2 以水为制冷工质的压缩式制冷制取流体冰方法 以淡水为制冷工质，同时也是制冰原料，采用透平式压缩机( 实际上是抽真空) 制冷，这类制 冰机产生流体冰的原理和设备结构与刮面式制冰机完全不同。真空制冰技术利用水在0 6k p a 和 0 0 1 的三相共存原理，将普通压力下的水打入真空容器( 又称蒸发器) ，液体由于降压闪蒸，吸收 热量，从而在水中产生冰晶，并逐渐形成颗粒流体冰，在蒸发器下部输出。从蒸发器上端排出的水 蒸汽经压缩机和冷凝器，重新复原为水。因为蒸发和结晶过程在同一容器内完成、无需换热表面， 传热效率很高。这类制冰机原理简单，可直接使用海水或盐水制冰产冰，也可使用淡水。使水在低 压环境下通过闪发式蒸发器蒸发，最低温度可达- - 3 c ，在低于0 1 2 时水中有冰晶生成，用这种方法 制取的流体冰含冰量通常很低。由于水在低温时比容较大，该制冰方法的关键设备是透平式压缩 机，价格较高，目前德国汉堡i n t e g r a l 公司和以色列i d e 公司可以生产制造，并拥有该方面的一些 相关专利技术。国内目前尚未见到该种制冰方法的报道和应用“1 。 3 过冷水动态制冰 以淡水伟取流体冰，将水控制在非常稳定流动状态下对其降温，使之达到过冷状态而不让其结 冰，目前技术可以实现一3 左右，然后通过过冷解除装置，如让流动的过冷水撞击固体表面，突然 增加其扰动，破坏过冷状态，使之析出冰晶颗粒，日本对该种制冰方法做了大量的研究“，目前处 于该项技术的领先地位，但是该种制冰方法至今仍还不成熟，尚未广泛推广到实际应用，主要问题 是过冷水是一种极不稳定的状态，很容易收到扰动而发生结冰，冻结管道，在如何增大过冷水的过 冷度并保持其稳定性是目前该工艺研究的主要方向。 4 冰晶制冰法 由低沸点冷媒喷入水中，直接与水接触换热，由于冷媒的沸点较低，在水中由于获得水的热量 使冷媒蒸发，水被冷媒降低温度冰析出冰晶，这种在蓄冷中的直接接触式换热过程包括液态制冷剂 的蒸发及水与制冷机直接接触后降温或凝固形成冰晶( 或气体水合物) 两个相变换热的过程。 t o m l i n s o n 于1 9 8 4 年提出了把直接接触式换热技术用于冰蓄冷系统的方案“，通过对直接接触式 蓄冷系统与其它蓄冷系统的技术和经济比较，发现直接接触式蓄冷系统具有非常高的换热效率，但 同时指出，要使得直接接触式蓄冷投入实际使用，必须解决以下两个问题： 3 东南大学硕士论文 压缩机：常用工程压缩机都是油润滑压缩机，其润滑油随制冷剂在整个制冷回路中流动，对 于蓄冷罐来说，润滑油的进入意味着蓄冷罐被污染并影响罐内传热，同时由于润滑油进入蓄冷罐不 可能再返回压缩机，这将使压缩机缺油而损坏。 汽水分离问题：在蓄冷罐内进行换热后的制冷剂蒸汽有可能将一部分水蒸汽带入压缩机吸入 管道，进而会发生水击，损坏压缩机，同时制冷剂中混入一定的水分，在膨胀装置处由于制冷剂的 闪发降温使得水结冰，从而发生冰堵。 1 4 本课题研究的目的和主要内容 1 4 1 本课题研究的目的 从前述的内容可以看出：流体冰是一种非常有发展潜力的新型冰种，但目前现有的流体冰制作方 法均有不足之处，研究制冰效率高、设备简单廉价、运行可靠的制取流体冰新方法具有重要意义。 为克服现有流体冰制冰方法所存在的不足，以使制取流体冰的方法更为简单、高效，本文对提 出的一种制取流体冰的新方法进行研究，该新方法为：将水在低温的油介质( 与水不相溶) 中雾化成 细小水滴，通过水滴与载冷油介质的直接接触换热结冰来取代以往水与固体壁面换热结冰。 1 4 2 本课题研究的主要内容 1 根据该制取流体冰新方法提出的概念和要求，查阅相关资料和产品手册，为这种工艺找到比 较合适的载冷油介质，包括对比各种稀质油类的不同温度下的粘度特性，热解稳定性，与水的相溶 性，密度，低温流动性，有无毒性，与水有无化学反应等比较关心的特性，提炼出几种比较合适的 载冷油介质，与水做相关的相溶性对比试验，为后续的试验以及以后的设备运行做好基础性的准备 工作。 2 在制冰通道中，充满的是低温的载冷油介质，当水被雾化喷入制冰通道中时，水滴被迅速冷 却，被冷却的水滴的外表面先结冰，冰层随着时间的推移不断向水滴球心推进，直至水滴完全结成 冰颗粒，水滴在制冰通道流动的过程中，由液体水变成了固态冰而发生相变，油介质的温度由低温 由于获得水释放的显热和潜热而温度升高。对于在流体冰带4 取的过程中，载冷油介质的速度场和温 度场，水滴与冰颗粒的速度场和温度场，水滴与冰颗粒在制冰通道中的分布，雾化后水滴在制冰通 道中的粒径分布，水滴( 冰颗粒) 之间的相互碰撞和作用，雌及不同的油介质初始温度，水的初始 温度，制冰通道的长度，制冰通道管径，水的流量，油介质与水滴的相对速度等因素条件下的多相 流动传热研究。 3 通过对制冰通道内水滴( 冰颗粒) 和低温载冷油介质多相流动的流动特性和传热过程进行数 值模拟，来考察在制冰通道中水滴的结冰特性和效率，根据模拟计算过程中所获得的数据对该新型 流体冰制取方法的试验台的搭建和理论的深入研究做好基础性的准备工作。 1 5 本章小结 i 介绍了冰蓄冷技术研究的背景。冰蓄冷技术研究现状以及流体冰的制取方法和性能特点 2 介绍了本课题研究的目的和主要内容。 4 东南大学硕士论文 第二章制取流体冰新方法工艺介绍 制取流体冰新方法的基本工作原理为：载冷油介质先经由制冷系统的蒸发器与制冷机中的制冷 剂换热，使其达到所要求的工艺温度，从制冰容器的入口端把油介质送入导油器，而水通过雾化喷 嘴喷入制冰容器的油介质中，水滴在与载冷油介质的混和流动过程中被冷却，直至结成冰颗粒，生 成的冰一油混合物流出制冰通道，经油冰分离装置分离，冰晶储存起来，而油介质循环回收到换热 器中重新被降低温度用来蓄冷，其工艺流程图如图2 1 所示： 1 ：截止阀2 ：水箱3 ：泵4 ：流量计5 ：雾化器6 ：制冰筒7 ：滤冰容器8 ；钢丝滤网9 ：蓄冰罐 1 0 ：蒸发换热器1 1 ：空调用户1 2 ：冷凝换热器1 3 ；压缩机 图2 1 新型流体冰制取的工艺流程图 2 1 制冰系统装置说明 2 1 1 雾化喷头装置 载冷油介质和雾化水滴的换热过程是多相流动的换热过程，比较复杂，同时通过雾化喷嘴喷入 到载冷油介质中的水滴需要有比较稳定的流动状况，在水滴进入制冰通道的前段部分，应该尽量避 免水滴之间的碰撞和结合，因此应该尽量保持油的层流状态，同时水也能稳定的进入制冰通道，设 计雾化装置如图2 2 所示： 5 东南大学硕士论文 = 3 二3 j 二 习 一二 - - - 1 二丁 二， 1 ：液体水雾化孔2 ：载冷油介质孔 图2 2 雾化装置示意图 液体水雾化孔和载冷油介质孔在雾化装置上按一定规律均匀布置，水和油介质在入口端从隔离 开来的不同的位置进入雾化器，从不同的孔喷射出来，在制冰通道内形成较稳定的混和流动。 2 1 2 制冰通道 这是制取流体冰的主要设备，生产的冰晶颗粒就是在这个容器中完成的，从雾化装置均匀进入 制冰通道的水滴和载冷油介质相互混和流动与传热，水滴吐出自身的显热和潜热，使得温度降低并 最终结成冰颗粒。油介质在这个过程中获得了水滴的热量使得自身的温度身高，且油一水不具有相 溶性。 为了便于做试验，对于筒体选用玻璃制成，具有透明性，便于观察水滴结冰试验的过程。 2 1 3 冰晶过滤装置和蓄冰罐 从制冰通道中出来的冰晶和油介质的混合物不能直接到达用户，需要把混合物中的油介质过滤 出来重新进入制冰系统进行循环回收利用，因此需要设置冰晶过滤装置，同时，过滤出来的冰晶也 并不是马上就能利用，需要存储起来以备用，所以也需要设置安装一个蓄冰罐来满足工艺的要求。 2 1 4 油介质泵和水泵 首先应该满足机组定流量循环的要求，同时要照顾到蓄冰系统在通常情况下所使用的流量调节 范围，估计选用的水流量在0 4 3 m 3l h ，扬程在5 2 0 米，油介质泵的流量估算在5 一l o m 3 h ， 扬程在1 0 一3 0 米，以满足试验的要求。 2 l5 其它辅助设备及部分辅材 比如一些压力表，管路，阀门，温度传感器等装置，因试验需要而配置。 整个制取流体冰的系统都是在比较低的温度下进行，系统与周围环境的温差比较大，所以必须 对系统装置做好保温措施，避免因温差而造成的冷量损失，提高制冰的效率。特别要对制冰通道进 行绝热保温处理。 2 2 制冰系统性能概述 2 2 1 对油介质性能基本要求 该制取流体冰方法是将水在低温的油介质( 与水不相溶) 中雾化成细小水滴，通过水与油介质 的直接接触换热结冰来取代以往水与固体壁面的换热结冰。因此载冷油介质需要具备以下性能： 1 与水不相溶。 水滴与载冷油介质不相溶，使水滴结冰后形成的冰颗粒易于输送和储存，同时，水与油介质不 相溶，使经过蓄冰装置的油介质在回收后重新同到蒸发器进行冷却的过程中不会发生结冰堵塞。 2 在制冰t 作温度f 具有良好的流动性。 6 东南大学硕士论文 如果载冷油介质的低温流动性不好，即运动粘度比较大，不仅使水在油中的雾化效果不理想， 而且因为粘度大，压头损失也比较大，就需要选用功率较大的油泵，使整个制冰系统的耗功率增加。 2 2 2 制冰系统的性能优点 在制冰通道中，通过浸没于在载冷介质油中的雾化喷头将淡水雾化成细小水滴并顺流喷入，雾 化后的水滴与周围的低温载冷油介质进行直接接触换热，在水滴和油介质的混和流动过程中把水滴 冻成冰颗粒，载冷油介质获得水滴的热量温度升高。水滴被冻成冰颗粒所需要的时间主要取决于载 冷介质油温度和水滴粒径的大小，对单个水滴在载冷介质油中冻结成冰颗粒所需要的时间经过粗略 的离散模拟计算表明：若水滴的直径为0 5 r m ，初始温度为2 情况下，载冷介质油的温度为一3 ， 在不到2 秒内即可被冻结成冰颗粒，若水滴的粒径减小，载冷油介质的温度可以相对提高，减少传 热过程的不可逆性。喷头内部的水可以通过保持一定的流速和初温来防止淡水在喷头内部结冰冻结， 该制冰过程均在流体流动的条件下完成，对被冻结成冰的冰颗粒，通过过滤装置滤出冰颗粒进行蓄 冰，载冷介质油经过油水分离装置后再次进入蒸发器进行循环换热利用。 用该种方式制取的流体冰中混和有载冷介质油，所以不能用于食品保鲜，但非常适合用于冰蓄 冷和其它工业用冷场合，其显著优点主要体现在以下方面： 1 - 达到很高的热力效率。 这通过与目前广泛采用的冰球冰蓄冷相比较就可看出，目前普遍采用的冰球式冰蓄冷的传热过 程为：蒸发器与流动的载冷介质盐水换热并将盐水冷却，冷却后的盐水送到蓄冰槽与封装容器( 冰球 外壳为高密度聚乙烯材料) 换热。再通过球壳材料的导热与其内部所封装的水进行换热，首先将最 接近球壳的水冻成冰壳，冰壳厚度逐渐增加，通过冰壳的导热最终将球内的水完全冻成冰。蓄冰球 直径通常在5 0 一1 0 0 姗，为了强化传热，球内往往加有金属导热芯但尽管如此，冰层的导热热阻 仍然存在。本文提出的制冰工艺传热过程为：蒸发器与流动的载冷介质油进行换热并将油冷却，载 冷介质油与雾化喷入的水滴进行直接接触换热，传热过程简化。由于水滴可雾化得很细( 如0 5 m m ) ， 大大增加了水结冰过程的传热面积，同时减小了水结冰过程的冰层热阻。比较一个直径5 0 m 的蓄冰 冰球和将其同等体积的水雾化成直径0 5 m m 的水滴，表面积分别为7 8 5 xi 0 一w 和0 7 8 5 m z ，雾化后 表面积增加了1 0 0 倍。由于制冰过程的传热得到强化，载冷介质温度可比采用冰球蓄冷方法的载冷 介质温度提高，使制冷系统的性能系数增大。 2 设备简单，主要为制冰流动通道、喷头和滤冰装置，不需机械刮板设备和造价高昂的制冰筒，无 转动部件和刮板，避免了长期使用存在的磨损问题，无附加噪音。制冰设备初投资大大降低。 3 该方法既适合大规模制冰，也适合小型制冰场合。制冰量的大小可以根据水，载冷介质油的流量 以及载冷介质油的温度灵活调节。 4 水滴结冰时间短，制冰速度快。 5 用淡水制冰，不存在海水析冰后导致海水含盐浓度升高，需要降低蒸发温度的问题。 2 3 制取流体冰新方法所涉及的关键问题 上述提出的制取流体冰新方法所涉及的关键问题主要包括四个方面： 1 寻求合适的载冷油介质和对其制冰温度条件下流动、传热、与水相互分离特性的实验研究 如前所述，载冷油介质的选取必须具备以下两个基本要求：与水不相溶：在制冰工作温度下 具有良好的流动性。在满足以上基本要求前提下，以具有良好的导热性、价格便宜、容易获取、无 毒安全等作为优先选用依据。为了使得所提出的制冰方法易于推广应用，载冷介质的寻求范围应主 要在当前市面上能够购得的油类中通过性能参数比较、与水相溶性化验分析、制冰实验应用比较等 进行筛选确定，研究目标是确定晟为合适的载冷油介质。目前可供探讨的油类有：不同型号的冷冻 油、变压器油、稀质润滑油，以及石油化工产品中其它油类。根据目前所做的先期研究，己查阅到 至少有3 种冷冻油、变压器油和一些稀质润滑油在低温下仍保持很小的粘度，具有很好的流动性和 理想的导热性。 2 水在油介质中雾化特性的研究 该部分研究内容包括水在压力作用下，通过浸没于载冷介质中的喷头将淡水顺流喷人流动的油 7 东南大学硕士论文 中而产生的雾化。顺流喷人的目的是为了消除或减小喷人的水所引起的回流，减小水滴之间的相互 碰撞与合并。从理论分析可知，雾化性能主要受到雾化前水压力、喷头孔径、喷头开孔间距、油介 质流速与流动状态、以及喷头结构等共同影响。该部分研究内容需要解决的关键问题是掌握水在油 介质中的雾化规律，弄清有关参数对雾化所起到的作用，参数之间的合理组合以获得最佳雾化条件。 3 水滴、冰颗粒、载冷油介质多相流流场内传热特性的研究 油、水滴、冰颗粒所构成的多相流动中存在着相与相之间的热量交换，存在着水滴到冰颗粒的 相变过程。载冷介质油中喷人水滴后，载冷介质油吸收水滴的热量自身温度逐渐升高，水滴颗粒径 大小、喷入密度以及载冷介质与水滴的初始温度等确定水滴冻成冰颗粒所需要的时间。喷人水滴后 的多相流流场与温度场随时间不断变化。若水滴粒径过大，载冷介质油不能在一定时间内将水滴冻 结成冰，还会存在水滴间相互合并问题。对于单个水滴在载冷介质中所发生的温度变化以及对周围 载冷介质所产生的影响比较容易分析，当大量分布水滴对载冷介质共同作用时，使得问题变得复杂。 本部分研究内容需要解决的关键问题是获得在选定的载冷油介质条件下，在一定几何空间范围内多 相流温度场随载冷介质油流速、初始温度、水滴粒径和水滴密度的变化关系，确定流场中最高温度 发生区域，研究通道流域内水滴能够冻结成冰颗粒的参数控制条件，获得在多相流场内水滴冻结为 冰颗粒所需时间关系。本部分研究内容是实现该制冰系统的设计、控制和实现最优化运行的理论依 据和基础。 4 在油浸润金属换热表面( 工业应用) 上，当载冷介质油中含有少量水分情况下，油中水分的凝固 过程与凝结形式的研究 由于载冷介质油与水的不相溶性，在进人蒸发器换热前可根据油、水的比重不同，在油水分离 设备内先进行油水分离，然后进人蒸发器换热。在正常运行情况下载冷介质油的温度始终保持在0 以下，油中的水滴全部被冻结成冰颗粒并被过滤分离，油中应不含有水。但在实际应用和制冰过 程非稳定的情况下，即使通过油水分离器后，油中很可能还会含有微量水分，因此需要对在油浸润 的金属换热表面上，油中微量水分的结冰过程、凝固形式、水一冰相变过程的聚合状态和机理进行 研究，探讨油膜存在对水与金属表面附着性的削弱作用，以及流速、传热面表面条件( 表面结构和粗 糙度) 对结冰附着性的影响规律。需要解决的关键问题是避免油中少量水分在换热金属表面上凝固， 从而导致流道的堵塞。 2 4 本章小结 本章主要介绍了该新型流体冰制取的原理和各结构部件的性能特点，并详细阐述该流体冰制取 方法所涉及的关键性问题。 3 东南大学硕士论文 第三章载冷油介质的特性分析及其选择 本文所研究的制取流体冰新方法，载冷油介质的选取工作是非常重要的基础性工作，它关系到 整个制冰系统的成败。在该制取流体冰新方法中，是将淡水雾化成细小水滴并顺流喷入到低温载冷 油介质中进行直接接触换热，在水滴和油介质的混和流动过程中把水滴冻成冰颗粒，因此必须寻找 合适的载冷油介质来满足制取流体冰的工艺要求。 载冷介质的选取必须具备以下两个基本要求： 1 与水不相溶； 一是为了水在载冷油介质中具有比较好的雾化特性，即水滴在油中形成大量的单独的一个个小 液滴，二是为了在已经制成的流体冰中尽量的减少载冷油介质。 2 在制冰工作温度下具有良好的流动性。 载冷油介质在低温环境下能够具有比较好的流动性对本文所论述的制取流体冰新方法是一个非 常重要的考核指标。因为水要结成冰颗粒，载冷油介质的温度至少必须在o c 以下，如果载冷油介 质的低温流动性不好，即运动粘度比较大，不仅使水在油中的雾化效果不理想，而且因为粘度大， 压头损失也比较大，就需要选用功率较大的油泵，使整个制冰系统的耗功率增加，运行成本上升。 在满足以上基本要求前提下，以具有良好的导热性、价格便宜、容易获取、无毒安全等作为优 先选用依据。为了使得所提出的制冰方法易于推广应用，载冷介质的寻求范围应主要在当前市面上 能够购得的油类中通过性能参数比较、与水相溶性化验分析、制冰实验应用比较等进行筛选确定， 研究目标是确定最为合适的载冷油介质。 目前，可供探讨的油类有：不同型号的冷冻油、变压器油、稀质润滑油，以及石油化工产品中 其它油类。 3 1 载冷油介质特性分析“” 3 1 1 冷冻机油特性分析 冷冻机油在整个系统运行的温度和压力范围内，与制冷剂接触能保持高度的稳定性和热氧化安 定性。在低温时和制冷剂有很好的互溶性，不生成固体物质堵塞系统的小孔和毛细管，并且要求使 用寿命长，不生成有腐蚀性或其他不良影响的物质。 氟里昂不直接要求冷冻机油的凝固点或倾点，而要求油品和氟里昂的低温溶解性，即临界溶解 温度。临界溶解温度越低，氟里昂- 1 2 絮凝点越低，使用的制冷温度也就越低。不同组成的冷冻机 油与氟里昂的临界溶解温度差别很大。烷烃的临界溶解温度最差，芳香烃最好，环烷烃居中。所以 芳香烃成份越多，临界溶解温度就越低。 冷冻机油的凝固，有两种情况，一是由于油品的粘温性能很差，在一定的温度下由于粘稠而失 去流动性，称为粘稠凝固。二是由于油品中蜡结晶析出，形成晶网使油品失去流动性。称为结晶凝 固。 粘稠凝固的冷冻机油，粘温性能很差，粘度指数都很低。这种油品的含蜡量很小，几乎不含正 构烷烃，主要是由多环短侧链的环烷烃、多环短侧链的芳烃和部分异构烷烃所组成。所以和氟里昂 的临界溶解温度低，氢里昂一1 2 掘浊点也很低。 结晶凝固的冷冻机油，如果凝固点比较高，因为蜡含量较高，氟里昂- 1 2 混浊点很高或作出来， 临界溶解温度很差，粘温性能很好。这种冷冻机油一般是由石蜡基组份生产的，如果是深度脱蜡的 中间基馏份生产的冷冻机油，也可以得到比较低的凝固点，氟里昂- 1 2 混浊点，粘温性能一般。 氟里昂对水份的溶解度很小，仅能溶解0 0 0 6 e 右。如果冷冻机油中含有水，就很容易被带进 冷凝蒸发系统，发生水塞现象，堵塞节流阀或管路，使循环中断，发生恶性事故。另一方面在高温 下，水分的存在还会降低冷冻机油的稳定性，在金属催化作用下促进氟里昂迅速分解成氢氟酸、造 成系统的腐蚀和镀铜现象。所以氟里昂对冷冻机油的含水量要求很严格，一般在4 5 p p m 以下( 这也 是本文严格要求的性能条件) 。 9 东南大学硕士论文 同时要求冷冻机油中不能含有水和其它杂质，因此冷冻机油也要求具有与水的不相溶性，冷冻 机油还具有良好的抗泡性，对有机材料不溶解，并具有良好的电绝缘性。 冷冻机油的这些优良特性，对适合于本文所研究的新型制取流体冰方法的载冷介质特性比较有 菇通性，现就一些比较典型的冷冻机油做分析比较。 1 g s 系列冷冻机油典型值 s u n i s 0 1 g ss u n i s 0 2 6 ss u n i s 0 3 g ss u n i s 0 4 g ss u n i s 0 5 g s 项目 密度 0 8 9 40 9 0 20 9 10 9 1 50 9 2 5 运动粘度 4 0 1 2 11 8 62 9 55 4 59 6 5 ( m m 2 s )1 0 0 2 6 83 3 84 3 66 0 88 1 2 水分 2 02 02 02 02 0 2 p - 5 6 冷冻油典型值 运动粘度( m m 2 s ) 密度( k g m 3 ) 4 0 1 0 0 水分( p p m ) 1 1 0 25 6 71 05 0 3 s l - s 系列冷冻油典型值 项目 s l - 1 0 ss l 一1 5 ss l 一2 2 ss l 一3 2 s 密度( k g m 3 ) 9 2 89 4 09 5 19 5 6 运动粘度 4 0 1 0 11 5 02 2 53 2 3 ( m m 2 s )1 0 0 2 5 03 2 24 1 45 1 4 水分( p p m ) 3 53 53 53 5 4 t 一6 8 冷冻机油典型值 运动粘度( m m 2 s ) 密度( k g m 3 ) 4 0 1 0 0 水分( p p m ) 9 6 06 6 68 2 23 5 3 1 2 变压器油的特性分析 1 变压器油概述 国内变压器油筒况 我国变压器油标准，是6 0 年代仿制前苏联的果斯特标准( foct1 0 1 2 1 ) 和i e c 2 9 6 标准而制定 了我国变压器油标准g b 2 5 3 6 ，产品以凝固点高低来划分牌号，分三个牌号，分别是1 0 # 、2 5 # 和4 5 # 变压器油。凝固点测试方法本身也来自前苏联的试验方法果斯特标准( fo ct 2 0 2 8 7 ) 。通常用石蜡 基油生产1 0 # 、中间基油生产2 5 # 、环烷基油生产2 5 # 和4 5 # 变压器油。当变压器油的凝固点不高于 一1 0 时( 9 0 年修订为倾点一7 ) ，就是1 0 # 变压器油；当凝固点不高于一2 5 c 时( 9 0 年修订为倾点 一2 2 ) ，就是2 5 # 变压器油；当凝固点不高于一4 5 是，就是4 5 # 变压器油。 通常1 0 # 变压器油是由石蜡基油原料经酮苯脱蜡一溶剂精制一白土补充精制后，凝固点达到低于 一l o 时，就作为一1 0 # 变压器油原料；当采用中间基或石蜡基原料经酮苯脱蜡一溶剂精制一白土补充精 制后，凝固点达到低于一2 5 c 时，就作为2 5 # 变压器油；当采用环烷基油作为变压器油原料时，则无 须进行酮苯脱蜡就可由常压蒸馏直接得到凝固点低于一4 5 的变压器油原料。因此，4 5 # 变压器油只 能由环烷基油生产。当采用环烷基油生产2 5 # 变压器油时，得到的变压器油凝固点通常在一3 0 。c 一4 5 。 l o 东南大学硕士论文 我国进入1 9 8 0 年以后，电力行业开始研制5 0 0 k v 的大型高压变压器，随之就提出了变压器油 在高电压下析出氢气而威胁设备安全的问题，所以提出了开发抗析气变压器油的要求。这样我国就 随之诞生了超高压变压器油的产品。也是以凝固点来划分牌号，分别是2 5 # 和4 5 # 超高压变压器油。 并制定了行业标准超s h 0 0 4 0 高压变压器油。相对地将无析气性要求的变压器油g b 2 5 3 6 称为普通变 压器油。 国外变压器油简况 目前国外最有名的变压器油是尼纳颊变压器油，其次是壳牌、太阳等跨大型国公司。它们都是 有几十年甚至百年的老牌公司。其中尼纳斯公司是以南美委内瑞拉的环烷基原油为原料、采用美国 双星公司加氢技术生产，它们采用的标准是a s l l id 3 4 8 7 标准或者i e c 2 9 6 8 2 标准。它的产品没有普 通变压器油与超高压变压器油之分，只是按抗氧剂加入量的不同分为两类。目前在中国占有少量的 市场。 西方国家测试油品的失去流动性的极限温度，通常是用测试油品倾点的办法。但它们划分变压 器油牌号并不用倾点作为划分依据，如a s 删、b s 标准。a s t md 3 4 8 7 标准规定，只按是否加入抗氧 剂来区分变压器油类型。无抗氧剂或抗氧剂加入量小于0 0 8 的为i 类变压器油：抗氧剂加入量大 于0 0 8 4 、于0 3 的为类变压器油。b s 标准与a s t m 标准类似。 国际电工协会( i e c ) 变压器油牌号划分情况是i e c 2 9 6 标准，该标准既按倾点高低区分变压器 油，又按是否加入抗氧剂来区分变压器