砖冰机制冰桶排列方式对制冰池流场影响分析

佘丽丽 罗清海 米冰洁



砖冰机制冰桶排列方式对制冰池流场影响分析

佘丽丽 罗清海 米冰洁

（南华大学城市建设学院 衡阳 421001）

采用CFD方法对大型砖冰机制冰桶排列方式对制冰池流场的影响进行了模拟分析，现有制冰桶为顺排，制冰池内制冰桶横向间隔内的盐水速度几乎为零，制冰桶纵向间隔内盐水呈层流分布，流速约为0.3～0.4m/s。制冰桶横向间隔内盐水温度高于纵向间隔；整个制冰池盐水速度分布和温度分布很不均匀，盐水阻力相对较小。采用叉排制冰桶可显著改善制冰池内盐水流场，速度分布和温度分布相对更均匀，且盐水温升相对较大，盐水与冰水换热效果更好，但盐水阻力也有所增大。通过对制冰池内盐水流体的速度场、温度场和压力场的对比分析，为砖冰机制冰池制冰桶排列方式的优化提供建议与参考。

砖冰机；制冰桶；排列方式；数值模拟；优化

0 引言

大型制冰机在农业、渔业产品冷藏、物流和保鲜中的应用规模越来越大。砖冰机生产的冰块密度坚硬，不易融化，易于储藏和运输，目前仍然是渔业用冰的主要制冰手段，但存在制冷效率低，能耗较大的缺点[1]。

国内外学者对于砖冰机的设计和运行优化方面做了一些研究，张健滔[2]等介绍了三维建模与工程制图技术在制冰机产品设计中的应用，关朋[3]等对制冰池蒸发器进行改造进行了探讨，庄友明[4]等提出了盐水制冰工艺的节能措施建议，吕岑义[5]、邱立荣[6]等提出了对制冰池的结构形式的改进建议，张浦悦[7]、谢烈[8]等对系统设计优化进行了探讨。蒋德伦[9]等应用CFD方法研究了不同水温对小型制冰机成品冰厚度的影响，建议降低初始水温较低，以缩短制冰时间。

CFD模拟在热力系统设计、运行优化方面的应用日益深入，但国内用CFD方法进行砖冰机制冰池流场模拟研究目前鲜见报道，本文应用CFD模拟方法对比分析了制冰池内制冰桶叉排、顺排等不同排列方式情形下盐水流场情况，并根据模拟结果提出改进制冰桶排列方式的方案，为砖冰机的优化设计提供参考。

1 砖冰机的基本参数

该型号大型砖冰机以某公司的日产10吨冰，型号为BBI10-30的砖冰机为样本。制冰桶内水初始温度为23℃，冰终温为-8℃，盐水在速度入口处的初始温度为-10℃，蒸发温度为-15℃，砖冰机日产量为10t/d，冰块重量为30kg。冰桶规格：上口：300mm×120mm，下口：280mm×120mm，高1100mm。壁厚：1.5mm。冰桶数量为168个，排列方式为8行21列，制冰池壁面尺寸为8280mm×1420mm×1250mm，搅拌器的型号为LJ340，转速为960r/min，叶轮直径为340mm，功率为4kW。在建模过程中为简化模型，假设制冰桶的上底和下底尺寸相同，制冰桶的尺寸简化为长为0.3m，宽为0.12m，高为1.1m。

现有制冰桶的排列方式为顺排，当改变制冰桶的排列方位为叉排时，对比分析其流场分布情况。图1（a）为制冰桶顺排平面示意图，图1（b）为制冰桶叉排平面示意图。

图1 制冰桶顺排和叉排平面示意图

2 制冰池数值模拟参数设置

本文制冰池流场模拟的网格类型为Tet/Hybrid TGrid，网格间距为40mm，顺排时网格数为674368，叉排时网格数为704787。对于处于湍流下的不可压缩流体，采用基于压力基隐式求解器，选择能量方程和标准双方程湍流模型。盐水的初始温度为-10℃，在该温度下密度为1175kg/m3，比热容为3315J/(kg·K)，动力粘性系数为0.004704kg/(m·s)，导热系数为0.505W/（m·K）。

边界条件设置如下：

（1）速度入口：通过搅拌器的循环水量来求得入口平均流速，公式如下：

=（1）

式中：为盐水搅拌器的循环水量，600m3/h；为盐水速度入口处流通面积，m2。本文中，盐水速度入口处尺寸为0.5×1.1m，得到盐水入口处流速为0.3m/s。

（2）盐水在速度入口处的初始温度为263.15K。

（3）冰桶壁面：设置冰桶壁面的温度为265.15K。

经计算后得到速度入口处盐水的湍流强度为5%，水利直径为0.6875m。冰桶壁面材质为不锈钢，不锈钢的密度为7930kg/m3，比热容为502J/kg·K，传热系数为12.1W/m·K，冰桶厚度为1.5mm。本模拟的收敛残差为10-6。

3 制冰桶顺排和叉排时制冰池流场分析与对比

下面分别计算了制冰桶在顺排和叉排情况下的盐水流场分布情况，并截取典型截面=0.55m速度矢量图，速度云图，温度云图进行对比分析。图2（a）为制冰桶顺排速度矢量图，图2（b）制冰桶叉排速度矢量图，图3为制冰桶顺排=0.55m速度云图，图4为制冰桶叉排=0.55m速度云图，图5为制冰桶顺排=0.55m温度云图，图6为制冰桶叉排=0.55m温度云图。

图2 制冰桶顺排和叉排Z=0.55m平面处X=3.6～4.2m速度矢量图

由图2可知，制冰桶顺排时盐水在制冰桶纵向间隔呈层流分布，在制冰桶横向间隔，流速相对很小；制冰桶叉排排列时盐水在制冰桶纵向间隔呈绕流分布，且在横向间隔和纵向间隔，盐水速度分布更均匀。制冰桶叉排与顺排相比较，叉排时制冰桶纵向间隔的盐水呈现绕流状态，有利于强化制冰桶与盐水之间的换热。

图3 制冰桶顺排Z=0.55m速度云图

图4 制冰桶叉排Z=0.55m速度云图

由图3和图4可知，制冰桶顺排时，在=0.55m平面处，制冰桶横向间隔盐水流速几乎为零，制冰桶纵向间隔盐水呈层流分布且盐水流速相对较大，在0.3～0.4m/s左右；盐水池中=0.55m平面处=0～0.2m，=0～0.4m处流速很小在0.05m/s左右，盐水在自由出口处=8～8.28m处汇聚，流速相对较大在0.5m/s左右。制冰桶叉排时，在=0.55m平面处，制冰桶横向间隔和纵向间隔盐水流速分布相对较均匀，流速在0.3m/s左右。制冰桶叉排与顺排相比较，制冰桶叉排时制冰桶内水结冰速度更趋均匀。

图5 制冰桶顺排Z=0.55m温度云图

图6 制冰桶叉排Z=0.55m温度云图

由图5和图6可知，制冰桶顺排时，在=0.55m平面处，同一制冰桶横向间隔比纵向间隔温度稍高，盐水从入口端流到出口端温度从-9.98℃升高到-9.66℃。制冰桶叉排时，在=0.55m平面处，同一制冰桶横向间隔和纵向间隔盐水温度相差不大，盐水从入口端流到出口端温度从-9.95℃升高到-9.55℃，盐水温升相对较大，盐水温度分布较均匀。制冰桶叉排与顺排相比较，制冰桶叉排时盐水温度分布更趋均匀，盐水温升较大。

4 制冰桶排列方式设计优化

现取制冰桶在顺排和叉排排列方式的情况下，在=3.968m平面和=0.55m平面的交界线上取20个点（分别取0.07m，0.14m，0.21m，0.28m，0.35m，0.42m，0.49m，0.56m，0.63m，0.7m，0.77m，0.84m，0.91m，0.98m，1.05m，1.12m，1.19m，1.26m，1.33m，1.4m）的速度、温度值，并制成曲线图。

图7 X=3.968m和Z=0.55m平面的交界线上Y取20点速度曲线图

图8 X=3.968m和Z=0.55m平面的交界线上Y取20点温度曲线图

由图7可知，制冰池宽度方向上，=3.968m和=0.55m平面的交界线上，制冰桶顺排时，在制冰桶横向间隔内盐水流速在0～0.1m/s之间，在制冰桶纵向间隔内盐水流速在0.3～0.4m/s之间，盐水流速分布波动性相对较大。制冰桶叉排时，盐水流速在0.15～0.25m/s之间，整体上盐水流速分布相对较均匀。制冰桶叉排与顺排相比较，制冰桶叉排时制冰桶内水结冰速度更趋均匀，可以缩短系统制冰时间周期，降低系统运行能耗，提高系统经济效益。

由图8可知，制冰池宽度方向上，=3.968m和=0.55m平面的交界线上，制冰桶顺排时，在制冰桶横向间隔内盐水温度在-9.85～-9.75℃之间，在制冰桶纵向间隔内盐水温度在-9.93℃左右，盐水温度分布波动性相对较大。制冰桶叉排时，盐水温度呈倒U型分布，在=0m和=1.4m处，盐水温度为-9.9℃左右，在=0.8m处，盐水温度最高为-9.72℃，整体上盐水温度相对较高且分布相对较均匀，盐水温升相对较大，由于盐水的总流量不变，由=cmΔ可知，盐水与冰水交换的热量相对增多，盐水与冰水热交换效果更好，可以缩短系统制冰时间周期，降低系统运行能耗，提高系统经济效益。

在Fluent中计算入口处和出口处盐水压降，得到制冰桶顺排时盐水压降为300.6Pa，制冰桶叉排时盐水压降为1081.8Pa，叉排时，盐水阻力增大。

5 结论

利用CFD方法对某大型砖冰机制冰池内制冰桶顺排和叉排排列两种情况下盐水流场特性进行了对比模拟分析，根据模拟结果可以得出如下结论：

（1）由于制冰桶排列密度较大，无论顺排、叉排，制冰桶间隔处盐水都层流状态，制冰桶顺排时，横向间隔处的盐水流速基本为零，但叉排时，冰桶纵向间隔的盐水呈现绕流状态，有利于强化冰桶与盐水之间的换热。

（2）叉排与顺排相比较，制冰池内盐水整体流场的温度、速度分布更加均匀。制冰桶顺排时，在制冰桶横向间隔内盐水流速在0～0.1m/s之间，在制冰桶纵向间隔内盐水流速在0.3～0.4m/s之间；制冰桶叉排时，盐水在制冰桶横向间隔和纵向间隔内流速在0.15～0.25m/s之间。制冰桶顺排时，在制冰桶横向间隔内盐水温度在-9.85～-9.75℃之间，在制冰桶纵向间隔内盐水温度在-9.93℃左右；制冰桶叉排时，盐水温度呈倒U型分布，在=0m和=1.4m处，盐水温度为-9.9℃左右，在=0.8m处，盐水温度最高为-9.72℃，整体上盐水温度相对较高且分布相对较均匀，但流动阻力更大。

（3）叉排与顺排排比较，制冰池系统换热效率更高，冰桶结冰速度更趋均匀，可以缩短系统制冰时间周期，降低系统运行能耗，提高系统经济效益。

[1] 杨美传,刘应清.冷链工程与制冷保鲜技术的现状及展望[J].制冷与空调,2002,(4):8-11.

[2] 张健滔.三维建模与工程制图技术在产品设计中的应用—出口制冰机设计研制的实例介绍[J].现代机械, 2005(1):32-33.

[3] 关朋.对制冰池蒸发器的改造以及分析[J].制冷,2005, 24(1):71-73.

[4] 庄友明.盐水制冰工艺的节能措施[J].上海水产大学学报,2002,11(3):295-298.

[5] 岑吕义.制冰池改造[J].制冷,2000,19(2):82-84.

[6] 邱立荣.制冰池改造一例[J].冷藏技术,1997,(2):37.

[7] 张浦悦.提高制冰厂制冰效率的几种措施[J].制冷学报, 1992,(4):45-48.

[8] 谢烈.液压推进制冰机的节能与应用[J].制冷,1992, (2):69-72.

[9] 蒋德伦,王晓光,夏玲.小型制冰机结冰过程的仿真研究[J].制冷与空调,2014,28(1):12-15.

Impact of Ice Can Arrangement on Flow Field of Ice Tank of Block Ice Machine

She Lili Luo Qinghai Mi Bingjie

( School of Urban Construction, University of South China, Hengyang, 421001 )

The arrangement modes of ice cans is simulated with CFD software in this paper. In case of existing ice tank with ice cans in-line arrangement, in lateral separation of ice cans, the velocity of salt water is almost zero, in longitudinal separation of ice cans, salt water presents a laminar flow. Temperature of salt water in lateral separation of ice cans is higher than in longitudinal separation of ice cans. Velocity distribution and temperature distribution of salt water in whole ice tank is non-uniform, flow resistance of salt water is relatively smaller. In case of ice tank with ice cans staggered arrangement, velocity distribution and temperature distribution of salt water is more uniform, temperature of salt water is relatively higher, heat transfer between salt water and water in ice cans is strengthened, but flow resistance of salt water is larger. The velocity field, temperature field and pressure field of salt water in ice tank is analysed and compared to get arrangement optimization design of ice cans.

ice block machine; ice cans; arrangement form; numerical simulation; optimization

1671-6612（2017）03-332-04

TB657.1

A

佘丽丽（1991.04-），女，在读研究生，E-mail：1044129333@qq.com

罗清海（1969.06-），男，教授，E-mail：673808769@qq.com

2016-03-31