（制冷及低温工程专业论文）水在油介质中雾化特性的研究.pdf

摘要 本文采用数值模拟方法，针对一种新型制取流体冰方法中的关键问题水在油介质中的雾化 特性进行了研究，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把与水不相溶的低温油介质均匀导入直立的制冰通道中，同时 通过特殊设计的雾化装置，将淡水雾化成细小水滴顺流喷入制冰通道的低温油介质中。水滴在与低 温油介质混和流动的过程中直接接触换热被冷却直至冻成冰颗粒，从而避免了以往制冰方法中水与 固体壁面换热结冰所带来的热阻增大的问题。这个过程是水滴、冰颗粒和油介质的多相流动与换热， 其中包括水滴的相变过程。通过水与油介质的分离特性实验本文确定选用2 5 号变压器油作为载冷油 介质。 根据新型的制取流体冰方法，本文采用欧拉一欧拉数值模拟方法将水相和油相处理成连续介质， 对水在油介质中的雾化建立v o f 模型，追踪水相与油相之间的运动界面，观察水在喷v i 处形成雾化 水滴并长大、脱离的过程，研究水滴雾化机理，得到油介质静止时雾化水滴的大小与水在喷1 2 1 处流 速、喷口当量直径之间的关系，对模拟所得数据进行拟合得到一定范围内三者之间的关系式。对油 介质流动情况下雾化水滴的大小与喷口直径、水在喷口处流速和油介质的流速之间的关系做了研究， 统计雾化水滴的粒径大小，得出符合r o s i n r a m m l e r 分布的结论。 对于单个水滴颗粒的内部导热相变和水滴表面与外界油介质对流换热过程，本文通过一定的简 化建立数学模型，采用v i s u a lb a s i c 语言搭建模拟平台进行数值计算，得到水滴与油介质相对速度、 水滴直径、水滴初温与油介质初温对水滴结冰时间的影响，以及水滴内部的相变界面位置的变化规 律。同时，运用欧拉一拉格朗日数值模拟方法建立离散相模型以研究多个水滴同时并存于低温油介 质流场中的多相流动和换热过程，用欧拉方法描述油介质流场及温度场，用拉格朗日方法对离散相 水滴进行跟踪，并记录各个水滴的位置、温度及换热量，建立动量守恒方程以及能量守恒方程，并 使用基于c 语言的用户自定义函数编制水滴传热以及相变定律，对水滴在不同工况下的冻结状态进 行研究，模拟得到水滴直径、水与油的质量流量对油介质的进出口温差的影响，以及水滴大小和油 介质初温对水滴冻结率的影响。 关键词：数值模拟，流体冰，雾化，多相流，颗粒 a b s t r a c t t h i sp a p e rs t u d i e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f w a t e ra t o m i z a t i o ni no i l ，w h i c hi st h ek e yp r o b l e mo f an e wf l u i d i c ep r o d u c i n gt e e l m o l o g y n u m e r i c a lm e t h o di su s e di nt h er e s e a r c h ，a n dr e l e v a n tr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n s a r eo b t a i n e d t h em e c h a n i s mo f t h en e wf l u i di c et e c h n o l o g yi st h a to i lw i t hl o w t e m p e r a t u r ei sg u i d e di n t oav e r t i c a l c h a n n e l ，a n dw a t e ri sa t o m i z e di n t ot h eo i lb ya na t o m i z a t i o nm a c h i n ed e s i g n e de s p e c i a l l y t h eo i ls h o u l d n o tb ed i s s o i v e di nw a t e lt h ew a t e rd r o p l e t sa r ec o o l e di nt h ec h a n n e lf l o wm i x e dw i t hc o l do i la n d b e c o m e i c ep a r t i c l e s ，t h u s t h ep r o b l e mo f h e a tr e s i s t a n c e i n c r e a s e w h i c he x i s t s i n m o s t m e t h o d so f f l u i d i c e p r o d u c i n gc o u l db ea v o i d e d t h i si s am u l t i p h a s ef l o wa n dh e a te x c h a n g ep r o c e s so fw a t e rd r o p l e t ，i c e p a r t i c l e sa n do i l a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n to f t h ed i s s o l v i n gc h a r a c t e r i s t i c si nw a t e r , t h e2 5 # t r a n s f o r m e r o i li ss e l e c t e da st h ec o l d - c a r r y i n gm e d i u m b a s e do nt h en e wm e t h o do ff l u i di c ep r o d u c i n g , v o fm o d e li se s t a b l i s h e dt os i m u l a t ew a t e r a t o m i z a t i o ni n o i lb ye u l e r - e u l e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d t h eo i lp h a s ea n dt h ew a t e rp h a s e & r e r e g a r d e da sc o n t i n u u m t h em o v i n gi n t e r f a c eb e t w e e no i la n dw a t e ri st r a c k e d t h ep r o c e s so fw a t e r d r o p l e tf o r m i n g ，g r o w i n ga n db r e a k i n ga w a yi so b s e r v e dt os t u d yt h em e c h a n i s mo f w a t e ra t o m i z a t i o n t h e r e l a t i o n sb e t w e e nt h es i z eo f w a t e rd r o p l e t s t h ew a t e rv e l o c i t yi ns p o u t , t h eo i lv e l o c i t y , a n dt h ed i a m e t e ro f s p o u ta r eo b t a i n e da tt h eg i v e nc o n d i t i o n st h a tt h eo i li ss t a t i o n a r yo rm o v i n gt h es i z eo fw a t e rd r o p l e t sa r e i ng o o da g r e e m e n tw i t hr o s i n - r a m m l e rd i s t r i b u t i o n ， t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fh e a tc o n d u c t i o ni n s i d es i n g l ed r o p l e ta n dh e a tc o n v e c t i o nw i t ho i li s e s t a b l i s h e db yv i s u a lb a s i cu n d e rs o m es i m p l i f i c a t i o n t h ei n f l u e n c e so f r e l a t i v ev e l o c i t yo f w a t e rd r o p l e t s a n do i l ，t h es i z eo fd r o p l e t sa n dt h ei n i t i a lt e m p e r a t u r eo fo i la n dw a t e ro nt h ei c i n gt i m ea r ei n v e s t i g a t e d ， a n dt h ed i s c i p l i n e so fp h a s ec h a n g ep o s i t i o na r ea l s os t u d i e d e u l e r - l a g r a n g em e t h o di sa p p l i e dt os e tu p d i s c r e t ep h a s em o d e lw h o s ef u n c t i o ni st ot r a c kd i s c r e t ep a r t i c l e s t h ef l o wa n dt e m p e r a t u r ef i e l do f o i la r e s i m u l a t e db yl a g r a n g em e t h o d a n dt h ep o s i t i o n , t e m p e r a t u r ea n dq u a n t i t yo fh e a te x c h a n g ea r er e c o r d e d t or e s e a r c ht h ef r e e z i n gs t a t eo fd r o p l e t si nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s t h ee q u a t i o n so fm o m e n t u mc o n s e r v a t i o n a n de n e r g yc o n s e r v a t i o na r ee s t a b l i s h e d t h eh e a tt r a n s f e ra n dp h a s ec h a n g ed i s c i p l i n e sa r ed e t e r m i n e db y u s e r - d e f i n e df u n c t i o n su s i n gcl a n g u a g e t h ei n f l u e n c eo ft h es i z eo fw a t e rd r o p l e t sa n dt h em a s sf l u xo f w a t e ra n do i lo nt h ei n l e ta n do u t l e to i lt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ，a n dt h ei n f l u e n c eo ft h ed r o p l e ts i z e ，t h e i n i t i a lt e m p e r a t u r eo f o i lo nt h ep e r c e n t a g eo f f r o z e nd r o p l e t sa r es t u d i e d k e y w o r d s ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，f l u i di c e ，a t o m i z a t i o n ，m u l t i p h a s ef l o w , p a r t i c l e i i 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。 研究生签名：毒国芳日 。1 1 。一 期：塑竺竺 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：童! 塑羞导师签名：茏盐日期：型：竺竺 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 我国的能源现状及电力情况 二十多年来，我国在发展能源方面取得了巨大进展，能源总产量翻了一番，在煤炭生产、石油 天然气的勘探开发、大水电站建设、核电发展以及可再生能源的发展当中，都取得了举世瞩目的成 就。2 0 0 4 年，我国能源生产总量达到1 9 7 亿吨标准煤，约占世界能源生产总量的1 1 ，成为继美国 和俄罗斯之后的世界第三大能源生产国：我国电力装机总量达到4 4 亿千瓦，居世界第二位，一年新 增装机5 0 5 0 万千瓦，相当于一年新增一个英国和两个瑞典的装机容量，创造了人类发展史上最快的 电力建设速度；我国连续三年发电量增长均超过1 4 。同时，我国的电力装备技术水平也有了令人 惊叹的巨大进步。在改革开放前，我国只能生产1 2 5 万千瓦和2 0 万千瓦的发电机组，现在通过技术 引进和消化吸收已经能批量生产3 0 万千瓦 f 1 6 0 万千瓦的亚零件发电机组，这些机组现已成为我国的 主力机型。我国第一台超临界6 0 万千瓦机组已经在河南投入运行，9 0 万千瓦超临界机组在上海外高 桥投入运行，去年己相继投入发电。百万千瓦级超临界机组，先后依托浙江、山东和江苏等省开始 兴建【”。 但另一方面我们也应看到，我国也是一个能源消费大国。据2 0 0 4 年统计，中国的能源消费总量 仅次于美国，居世界第二位；但人均消费量很低，如中国人均消费的原油仅为美国的1 1 6 。并且， 中国今后经济发展所需要的能源将有巨大的增长。据统计，1 9 9 0 年，中国耗用世晃能源产量的8 ， 2 0 0 1 年上升为1 0 ，2 0 0 4 年达u 1 1 ，预计2 0 2 5 年将超过1 4 ，2 0 5 0 年将达到1 8 2 0 ，与美国持平 口】。在能源的消耗总量中，供暖和空调的能源消耗量占了很大比例，特别是现代建筑中，空调的应 用愈来愈普遍，由此带来的能耗也随之增长。国家能源研究中心的数据表明，每创造1 0 0 万美元的国 内生产总值，中国的能源消耗是美国的2 5 倍，是欧盟国家的5 倍，日本的9 倍。 国民经济的快速发展，城市化和重化工业的高速增长带动了电力需求强劲增长，使得“缺电” 现象日渐严重。2 0 0 4 年入夏以来，全国大部分地区严重“缺电”，许多大城市都采取了紧急措施，北 京市对6 0 0 0 家企业限电；上海、杭州除了对数千家企业限电外，还关闭了市内繁华地段和旅游景点 的装饰性照明用电；广州市遇到1 0 多年来首次较严重的缺电局面，2 0 0 4 年实行错峰用电并对广卅l 市 工业企业实行轮休制度。有关部门预计，2 0 0 5 年全国缺电总量超过3 0 0 0 万k w ，2 0 0 0 年缺电将更严重。 2 0 0 4 年底全国2 1 个省份电力供需形势紧张，江苏省在2 0 0 3 年因为非典原因使g d p 下降0 4 ，而因为“缺 电”使得全省g d p 下降0 6 妒1 。 为保证电力充足，国家和政府不惜花费巨资投入电力建设，以缓解供电紧张形势，近几年来， 我国电力工业，特别是火力发电得到了前所未有的发展，但我们也应该清楚的认识到，我国电力供 求矛盾仍将十分突出，我国的电力工业发展存在诸多不合理因素，不利于国民经济的可持续发展， 比如我国电力产业结构不合理。资源国情决定了我国能源结构以火电为主，水电、核电、风电所占 比重较小。2 0 0 3 年核电只占总发电量的i “，风电则仅占o 1 1 1 2 】。用电高峰负荷增长很快，电网负 荷率逐年下降，峰谷差值渐渐拉大，全国平均埠谷差率一般在5 左右，但有的电网峰谷差己高达 4 0 【”。全国许多城市实际处于“电力告急，电量有余”的状态，即在高峰时段电力供应紧张，而综 合当日其他时段，全天的电量供应却相对宽裕。宽裕的电量若不能得到有效的消耗，实际造成了能 源的浪费，最终导致经济损失。因此，政府能源部门的指导方向是控制高峰时期用电，鼓励其他时 段的电力消耗，争取将用电低谷时期的电力填补高峰时期的电力不足，即“移峰填谷”1 。结合峰 谷分时电价政策，蓄冷空调正是将空调用电从电网高峰向低谷时段转移的最有效方法之一。 1 2 关于冰蓄冷空调 所谓蓄冷空调，即在夜间电网低谷时间( 同时也是空调负荷很低的时间) 制冷主机开机制冷并 由蓄冷设备将冷量储存起来，待白天电网高峰用电时间( 同时也是空调负荷高峰时间) ，再将冷量释 东南大学硕士学位论文 放出来满足高峰空调负荷的需要或生产工艺用冷的需求。这样，制冷系统的大部分耗电发生在夜间 用电低峰期，而在白天用电高峰期只有辅助设备在运行，从而实现用电负荷的“移峰填谷”。 与常规空调相比，蓄冷空调有以下优点：移峰填谷，提高电网效率及整体用能结构，节约能源 和设备；降低制冷设备容量，并且使制冷设备经常在满负荷条件下运行，运行效率高；利用电网峰 谷电价差，节省运行费用：蓄冷系统可以在电力或制冷机故障时作备用增加了蓄冷系统的可靠性等 等。 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 j ，使蓄冷槽体积较小；温度稳定，便于控制；热设计的灵活性 强。 从八十年代初开始，大型冰蓄冷空调开始应用于建筑中【8 l ，经过多年的发展，在国外已经由不 少成功应用的实例i 9 “】，这些年来，冰蓄冷空调也开始在国内一些大型建筑中出现并取得良好的 经济和社会效益。 冰蓄冷系统一般可分为静态冰蓄冷系统和动态冰蓄冷系统两种f “。静态制冰( s t a t i ci c e s y s t e m ) ，结冰过程和融冰过程在同一位置，蓄冰设备和制冰部件为一体结构。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 l 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 ) 【1 ”。动态制冰( d y n a m i ci c es y s t e m ) ： 冰的制备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l l “。表1 1 对现有制冰方法进行了分类【1 3 i 。 表1 i 现有制冰法的分类 种类说明 静态制冰法 管外制冰( i c eo nt u b e ) 管内制冷( i c ei nt u b e ) 密闭容器制冰式 动态制冰法 间接换热法 收获( h a r v e s t ) 制冰法 液态水制冰 过冷却制冰 直接换热法 冰晶制冰法 制冰法：传热流体通过管簇，管簇内通冷媒 冷却法：冷媒直接膨胀 制冰法：流体通过管外，管内结冰 冷却法：冷媒直接膨胀或盐水循环冷却 容器形状：球形，圆柱形，平板形 冷却法：盐水循环冷却 制冰法：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) 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 制冰法：水溶液从冷却面自然流f 冷媒蒸发器内水溶液的离心流动 水溶液的管内强制流动 冷却法：冷媒直接膨胀或盐水循环 制冰法：流动水和水溶液通过换热器换热 冷却法：冷媒直接膨胀或盐水循环冷却 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 2 东南大学硕士学位论文 其它制冰( “冰”) 法 干燥冰晶制备法 冷却法：冷媒直接膨胀或盐水循环冷却 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 冷却法：水的赢接蒸发冷却 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 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，增大了固液界面的熟阻，降低了系统的换热效率。面动态冰蓄冷系统中，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【l ”。 其中冰浆蓄冷系统与其他蓄冷系统相比，有如下优点：第一，制冰过程可以连续进行；第二， 制冷过程不需要融冰、除霜过程：第三，冰浆具有良好的流动性能，可直接送至空调用户，而且由 于其具有较大的融解潜热，它可以使供冷管道尺寸大为缩小，从而节省材料和建筑空间；第四，维 护护理方便。综合以上方面，冰浆作为空调蓄冷和城市集中供冷输送冷量的介质，有着广阔的应用 前景。 1 。3 冰浆的应用历史、性能特点及研究现状 作为冰蓄冷技术的极具潜力的介质冰浆，其应用历史最早可追溯到几千年前，那时的古罗马人 就懂得利用雪或冰来冷藏食物，将雪和盐混和在一起制作出温度在一1 5 以下的“冰浆”物质 l “”j 。 近年来，传统制冷剂c h l o r o f l u o r o c a r b o n s ( c f c s ) 和h y d r o f l u r o c a r b o n s ( 1 t f c s ) 对臭氧层的 破坏和造成全球变暖，使得环境问题日益严峻。流体冰因其热物理性质、输送方便以及环境友好的 特性，引起人们的注意，作为相变物质应用在很多制冷场合中。虽然聚合物相变材料( p c m ) 、块冰 等也在近年得到应用( c h u i ，1 9 9 4 ：c h a r u n y a k o r n ，1 9 9 1 ；y a m a g i s h i ，1 9 9 9 ；f u k u s a k o ，1 9 9 8 ) 。 但冰的潜热大大高出聚合物相变材料的潜热，而与传统块冰相比，冰晶传热面积大，并且易于输送， 因此，冰浆的发展更为迅速“”。 冰浆也称为流体冰，通常由直径为5 0um 1 0 0um 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 停。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，若用流体冰进行冰蓄冷，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 如化工或其它工农业领域略高于o 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) 1 1 “。 自上世纪9 0 年代起，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、制冷和保鲜特性进行研究。1 9 9 3 年，s n o e k 率先对冰浆进行了系统的研究”。位 于丹麦奥尔胡斯的丹麦科技学院也开展了关于冰浆的基础研究，并成立了冰浆中心这一大型协作组 织。一个瑞士组织发起f i f e ( f i n e c r y s t a l l i n ei c e ：f u n d a m e n t a l sa n de n g i n e e r i n g ) 项目，以 研究冰浆的基础理论和应用问题u q 。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口“，对流体的动力学特征( 流型、 压降等) 和热力学过程( 热传导、层流与紊流情况下流体与壁面之间的热交换等) 进行研究和探讨。 1 4 冰浆的制取方法 、 冰浆的物理性质、输运方便、环境友好等特性使得冰浆成为越来越受到人们瞩目的新型载冷介 3 一 查塑查堂堡主堂些堡塞 质，许多国家在致力于研究冰浆特性的同时，也开始研究高效制取冰浆的技术。 制取冰浆技术晟早是8 0 多年前苏联发明的f 2 0 1 ，但真正发展起来却是由加拿大【2 2 】和德国【2 3 】公司生 产研制冰浆制冰机开始的。2 0 世纪8 0 年代初，加拿大s u n w e l l 公司成功的开发了刮面式制冰机，并在 加拿大n o v as c o t i a 省的近海渔船上安装了世界第一台冰浆制冰机“。冰浆中的冰晶越小，冰浆越容 易输送。如果冰晶可以悬浮在携带流体中，输送耗能更少，因此有了二元冰、流体冰、冰浆等名词 的出现。 目前国内外的冰浆制取方法主要有以下几种： 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 2 l 】。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 类型的制冰机已成为市场主流i 2 ”，各国渔业用户基本上都采纳这类技术。刮面式制冰机采用典型的 蒸汽压缩制冷循环原理。低压汽态制冷剂在压缩机内压缩成高压高温汽体，经过冷凝器变成高压低 温液体，然后进入膨胀阀，闪蒸成低压流体进入蒸发器。在蒸发器内制冷剂通过沸腾换热过程，使 盐水或海水冷却结晶，本身蒸发为低压汽体，返回压缩机的吸气端。完成制冷循环。制冰刮面式制冰 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当温度降至其凝固点以下时，溶液中产生微小的冰晶( 直径约1 0 0u m ) ，为 防止冰晶粘附在管内壁上，安装了1 个旋转刮削板，将内壁上粘附的冰晶刮下，随溶液一起送出蒸 发器进入蓄冷槽。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 0o a 2 l j ，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景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：一是蒸发器内筒直径不宜过大， 若内筒直径过大，一方面使得机械刮板扭矩增大，另一方面是内筒的蒸发厩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，采用联合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o 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，最低温度可达一3 ，在低于0 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 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i j ”。 3 过冷水动态制冰 以淡水制取流体冰，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- 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 4 垄堕奎堂堡主堂些笙苎 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，很容易受到扰动而发生结冰，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瞄埘l 。 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i l7 ，”j ，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： 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 5 本课题的研究目的及内容 1 5 1 研究目的 冰浆是一种非常有发展潜力的新型冰种，但目前现有的冰浆制取方法均有不足之处，如具有机 械刮板装置的制冰方法工艺要求高，不适于大规模制冰，以水为制冷工质的压缩式制冷制取流体冰 方法的设备造价昂贵，制出的流体冰含冰量较低，过冷水动态制冰仍不成熟需要增大过冷度并提 高稳定性，而冰晶制冰法也存在压缩机损坏和汽水分离的问题，因此，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：将与水不相溶的低温油介质均匀导入制冰通道 中，水通过特殊的雾化装置雾化成细小水滴顺流喷入油介质中，水滴在与油介质混和流动的过程中 被冷却直至冻成冰颗粒。该制冰新方法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，避免了在结冰过程中冰层热阻增大的问题，热效率很高，其中水在油介质中的 雾化情况( 雾化水滴的大小、形状、分布等等) 对于整个制冰过程及效率都有着很大的影响，而目 前对于一种液体在另外一种不相溶液体中的雾化特性的研究较少，因此本文针对水在油介质中的雾 化特性进行研究。 l _ 5 2 研究内容 本文分别对上面所介绍的制取流体冰新方法中的载冷油介质的选择、水在静止和流动油介质中 的雾化特性以及水滴、冰颗粒、载冷油介质多相流流场内的传热特性等几个关键问题进行了研究， 具体内容如下： 1 确定一种合适的载冷介质，进行与水相互分离特性的实验研究； 2 水在静止和流动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，通过浸没与载冷介质中的喷头，将淡水顺流喷入流动的 油介质中产生的雾化。由理论分析可知，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参数的共同影响。利用v o f 模型追踪水与油介质的运动 界面，模拟在静止和流动油介质中水滴在喷孔处形成、生长及脱离的微观过程，掌握水在油介质中 查塑查堂堡主堂垡笙苎 的雾化规律。通过改变水在喷口处流速和喷口当量直径，对不同工况下水在静止油介质中雾化行成 的水滴大小、形状进行了研究，得到三个参数之间的规律和关系式。对于水在流动油介质中的雾化 特性，着重研究了不同喷孔直径、不同的水在喷口处流速以及不同油速的情况下，雾化形成的水滴 直径与三个参数之间的关系，并对水滴粒径分布进行了统计研究，以获得参数之间的合理组合达到 较好的雾化条件。 3 水滴、冰颗粒、载冷油介质多相流流场内的传热特性的研究。 该部分研究内容为，在一定几何空间范围内多相流温度场随水滴( 冰颗粒) 与载冷介质相对流 速、初始温度、水滴粒径等参数之间的变化关系，研究通道内水滴能够冻结成冰颗粒的参数控制条 件及所需时间关系。 对于单个水滴在低温油介质中的相变过程，采用v i s u a lb a s i c 语言构建模拟平台，在误差允许 的范围内，基于一定的简化条件比如假定水滴为标准球形、内部为纯导热过程、外部油介质温度不 变等，建立水滴的相变物理模型，对水滴内部相变过程进行模拟，研究了水滴与油介质的相对速度、 水滴粒径、水滴初温、油介质初温等参数对水滴相变时间、相变界面位置变化等的影响。对于多个 水滴( 冰颗粒) 同时存在于油介质中所发生相与相之间的热量交换，存在着水滴到冰颗粒的相变过 程，利用离散相模型进行模拟研究，用欧拉方法描述油介质的流场和温度场，用拉格朗日方法追踪 每个水滴( 冰颗粒) ，利用用户自定义函数( u d f ) 对f l u e n t 功能进行扩展，定制颗粒的冷却及相变 规律，计算其运动和与周围油介质的换热情况并对温度和换热量进行记录，以判断颗粒的冻结状态， 分析研究了水与油的质量流量、水滴大小对油介质进出口温差的影响，以及水滴粒径大小、油介质 温度对冻结率的影响。 6 东南大学硕士学位论文 第二章制取冰浆的新方法及油水分离特 生实验 综前所述，目前现有的冰浆制取方法均有不足之处，如具有机械刮板装置的制冰方法工艺要求 高，不适于大规模制冰，过冷水动态制冰仍不成熟，需要增大过冷度并提高稳定性等。针对这些不 足之处，基于多相流动与传热相关特性，受农村家庭中制作粉丝的方法的启发，提出一种制取冰浆 的新方法。 2 1 制取冰浆新方法的介绍 制取冰浆的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制冰通道，而水通过浸没 于流动的低温油介质中的雾化喷头喷入制冰通道的油介质中。雾化生成的水滴在与载冷油介质的混 和流动过程中直接接触换热被冷却，直至结成冰颗粒，生成的冰一油混合物流出制冰通道，通过滤 冰装置滤出油介质中的冰颗粒储存起来，而油介质吸收了水滴冻结过程所放出的热量温度升高，回 收到换热器中重新被降低温度用来蓄冷，进入下一次循环。油介质起载冷作用，冰颗粒融冰释冷后 所生成的水也可再次循环制冰。该制取冰浆的新方法的工艺流程如图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l l ；空调用户1 2 ：冷凝换热器1 3 ：压缩机 闰2 - 1 新型流体冰制取的工艺流程图 该制冰新方法中，雾化质量直接影响到制冰效率。雾化质量主要由水滴直径、直径分布以及水 滴形状等参数来表征，其中水滴形状占相对次要地位，而喷嘴结构是影响雾化的主要参数之一。通 查重查堂堡主堂堡丝塞 过雾化喷嘴喷入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聚并，因此应该尽量保持周围油介质的层流状态。雾化孔在雾化装 置上按一定规律布置，油介质在雾化孔之间均匀喷入，在制冰通道内形成较稳定的混和流动，防止 出现并流。 由水滴到冰颗粒的过程在制冰通道中完成。从雾化喷嘴均匀喷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，使得温度降低并晟终结成冰颗粒，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与水不具有相溶性。为了便于做试验，对于 筒体选用透明材料( 比如玻璃) 制成，具有透明性，便于观察水滴流动、结冰试验的过程。 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，因此需要设最冰颗粒过滤装置，同时，过滤出来的冰颗 粒也并不一定马上就能利用，需要存储起来以备用，所以设置安装一个蓄冰罐来满足工艺的要求。 油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。其它辅助设备及部分辅材比如一些流量计、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。特别要对制冰通道以 及管路进行绝热保温处理。 2 2 制取流体冰新方法的优点 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。 水滴直径( 或水滴表面积) 、水与油介质之间温差、水滴( 冰颗粒) 与周围油介质的相对流速对 多相流间的换热起重要作用，是决定水滴冻结成冰颗粒所需时间的主要因素。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 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有的载冷介质油不可能完全分离，所以不能用于食品保鲜等，但 非常适合用于冰蓄冷以及其它工业用冷场合。该方法的显著优点主要体现在以下五个方面： 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 球外壳为商密度聚乙烯材料) 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 l o o m m ，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 l n i l l ) ，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 的水滴，表面积分别为7 8 5 i 0 。m 2 和0 7 8 5 一，雾化后表面 积增加了i 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。 东南大学硕士学位论文 2 设备简单，主要为制冰流动通道、雾化喷头和滤冰装置，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要研究的内容主要分为四个方面，各部分的研究目标和所涉及 的关键问题分述如下： i 寻求合适的载冷油介质和对其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、无腐蚀性等作为优先选用依据。 本文通过水与缝纫机油、2 5 号变压器油的分离特性实验