冰浆在板式换热器中的流动与传热特性研究

马克波, 张静雅, 邵雪奎

(1.中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙 410083；2.中机国际工程设计研究院有限责任公司，湖南 长沙 410083)

1 引言

冰浆是一种由冰粒子和载流体溶液组成的两相混合物[1]。由于冰粒子可发生相变，故与单相流体相比，冰浆具有较大的蓄冷能力，同时，与传统的固态冰相比，冰浆又可以进行流动输运。因而，冰浆可被广泛应用于制冷、食物冷链保存保鲜、高热害环境降温等工程领域[2]。冰浆中冰粒子的直径一般在0.1～1 mm，而载流体溶液则是由水和冰点抑制剂(氨、氯化钠、乙二醇等)[2]构成的混合溶液。冰粒子具有极大的换热表面积，而且潜热为335 kJ/kg，这就使得其换热效率大大加强，可以有效减少输运流量，降低运行费用。冰浆具有良好的流动特性，有学者甚至认为，在某些条件下冰粒子的存在甚至可以降低其在流动过程中的阻力，从而有效降低了泵的功率。但是，作为两相流体，在实际使用的过程中冰浆的流动和换热特性与传统单相流有较大的区别，需要进行深入细致的研究。

国内外对冰浆的制备、存储、运输和终端应用等各个过程均进行了深入的研究，且大多集中在冰浆的成型、流动和传热等方面[3-9]。学者们不仅从大量的实验数据中总结归纳出冰浆的流体热力学特性参数和规律，而且还通过分析计算和数值计算方法推导出冰浆成核、生长、破碎和聚集的演化行为规律[10]。Ayel等从流变学角度对冰浆的流动特性和传热特性进行了综述，并指出低雷诺数流动对冰浆管道流动的压降具有显著影响，冰浆的传热系数很大程度取决于流动状态[11]。Peng Zhang等基于颗粒流的分子动力学理论，采用3D欧拉多相数值计算模型对水平圆管中冰浆的热流特性进行了计算研究，研究发现在较高的入口流速和入口含冰率工况下，冰浆表现出较好的各向同性，同时发现在额定的管壁热流密度下，局部换热系数在入口区域下降趋势明显，并且在充分发展段保持稳定[12]。

为了发挥冰浆在流动与换热方面的优点，研究不仅要聚焦于其理论机理，更要对其终端使用开展广泛的研究。本研究针对冰浆在换热器中的流动与换热特性展开实验，在不同的含冰率、流速及热流体温度下探究冰浆的相关特性，同时对冰浆和纯水的流动与换热特性进行对比，总结冰浆的流动与换热特性。

2 实验及检测系统设计

2.1 制冰装置

本文涉及的实验采用过冷法制取冰浆：首先将水降温至过冷状态(水的温度低于其凝固点而没有结冰的状态)，再对其解除过冷，产生冰粒子。过冷法制冰装置如图1所示，主要包括三个循环：制冷循环、过冷循环和制冰循环。

图1 过冷法制冰装置示意图

制冷循环为压缩式制冷循环，由压缩机、膨胀阀、冷凝器、换热器等部分构成，采用R22作为制冷剂[13]，额定制冷量约7 000 W。在制冰运行的过程中，可能会产生冰堵现象(大量冰粒子在管口、旁通处聚集，造成堵塞)，所以制冷系统在特定情况下还需要制热，以解除冰堵。

在上述的制冷循环中，蒸发器处的额定蒸发温度较低，若是直接给水降温，会使其降温过度，容易冻结，因此需要在中间加一个过冷循环。本实验中所涉及的过冷循环用冰点温度相对较低的乙二醇溶液作为载冷剂，通过变频泵来进行输运，这样则既可以均匀地给水降温，又可以控制水的过冷度。

在制冰循环中，通过超声波促晶器对过冷水进行过冷处理，得到冰粒子，再输运到储冰槽中保存待用。

2.2 冰浆存储与输运系统

选用尺寸为1 000 mm×1 000 mm×1 000 mm、壁厚为10 mm的全透明亚克力方形箱子作储冰槽，根据需要开入水口、冰浆流出口、排水口、测温口等接口。选用导热率约0.034 W/(m·K)的橡塑保温棉作保温材料，可有效减少热量损失。

在本文的实验工况下，冰颗粒的密度比水小(ρice=917-0.13t)，会聚集在载流体溶液的上面，并且随着冰粒子的增多逐渐结块，这对储冰槽内冰浆的取用造成了较大的困难，因此，采用“切线送入法”对冰浆进行取用。切线送入法(如图2)的主要原理是将大部分冰粒子汇集在固定的圆形容器内(如水盆等)，沿着圆形容器的切线开口设置取样口，待搅拌器对冰浆充分搅拌后，沿切线方向将冰粒子直接“送入”取样口，以达到输送冰浆的目的。

图2 切线送入法示意图(圈圈为采集口)

实验中有冰浆和水两种流体，根据《工程流体力学》[13]，通过“中联泵业选型系统”对两种流体的输运泵分别进行选型，具体参数如表1。

表1 输运泵参数

加热器件采用Φ32 mm不锈钢电热管，配套使用SM5-LCD高精度温度控制器，对水进行恒温加热。温度控制器负载为2 200 W，所以在实验中所用的电热管需分两个档位，即用一个2 kW的电热管连接温度控制器，再辅以5 kW的电热管进行辅助加热。

另外，考虑到冷热流体实验温度的差异，对冷流体选用PVC管进行输运，热流体则选用PPR管进行输运。

2.3 检测系统

为了对冰浆的流动和传热特性分别进行评估，需要先通过实验得到其表征参数压降△P(单位：kPa)和其换热系数K(单位：W/(m3·℃))。其中，压降△P可以直接通过差压变送器得到，而换热系数K的计算则需要进一步测量相关参数，主要包括冰浆流量qv,i(单位：m3/s)和换热器进出口温度Tin、Tout(单位：℃)，同时还要查询相关手册，得到水在不同状态下的比热容cw(单位：J/(kg·K) )和密度ρw(单位：kg/m3)。另外，为方便数据采集与后期处理，本实验中将各种检测器件测得的信号通过变送输入电脑。差压变送器、流量计、热电偶以及数采卡的选型如表2所示。

表2 检测元件选型

测量仪器正确选型后，应正确安装，既要保证测量数据的准确性，同时也要保证密封，各测点的相对位置如图3所示。

图3 测点分布及实验系统示意图

3 实验过程设计及数据误差分析

3.1 实验工况

主要分冰—水换热和水—水两大工况，通过改变相关变量进行实验：

(1)冰—水换热：设计热水温度为20～40 ℃，每隔5 ℃进行一次变换，流量固定在1.05 m3/h不变；在不同的热水温度下，冰浆的流量从0.5 m3/h增大到1.3 m3/h，每次增加约0.1 m3/h；

(2)水—水换热：由于水—水换热的实验只是为了冰—水换热而设计，故其工况选取可以适当减少，仅取热水温度为20℃和25℃两种工况，流量恒定，为1.05 m3/h，冷水同冰浆一样，从0.5 m3/h开始增加，每次增加0.1 m3/h，持续增加到1.3 m3/h。

综上，可将实验工况汇总至表3。

表3 实验工况汇总

3.2 实验误差分析

本实验中，对于直接测量的参数(如温度、流量和压力等)，误差由系统误差和随机误差组成。而对于通过计算得到的间接参数(如含冰率、换热系数等)，主要考虑误差经过多次运算后的可信度[14]。

系统误差主要与测量仪器的量程和准确度等级有关：

Ea,sys=LC×FS

(1)

式中：Ea,sys是实验中的系统误差；LC是测量仪器的准确度等级；FS是测量仪器的量程。

随机误差用置信区间为±2σ的t分布进行计算，置信概率为95.45%：

(2)

(3)

计算得系统误差和随机误差后，可以通过下式进一步算得总的测量误差：

(4)

对于通过计算间接获得的参数的误差评估，本实验采用误差的传播原理进行计算，其计算公式如下：

(5)

式中：EF是间接获得的数据的测量误差，F是函数关系式，x1、x2、…、xn代表n个测量值。

通过上式计算，可以求得本实验中的测量误差如表4。

表4 实验误差

4 实验结果分析

4.1 含冰率的测量

本实验通过能量守恒定律对含冰率直接进行测量。利用公式(6)，采用取样加热的方法来测量样品中的含冰率，原理图如图4所示。

图4 含冰率测定原理示意图

为方便计算，忽略热量损失，同时忽略冰浆在加热过程中的体积变化，则有以下计算公式：

(6)

式中：Qe是加热丝的加热量，J；Qis是样品冰浆的能量变化，J；m是样品的质量，kg；his,1、his,2分别是样品加热前、后的焓值，J/kg；CPW是实验温度下水的比热容，J/(kg·K)；tW,1、tW,2是样品加热前后的平均温度，K；hi是冰粒子的相变潜热，其值为335 kJ/kg；FIP是含冰率，%。

测定过程中，主要用到的元件有：容积约为500 mL烧杯、恒定功率为50 W的加热器、温度计、搅拌装置、保温材料等。在一定时间内，记录取样溶液的温度变化，计算加热器的总能量输出，再根据公式(6)可求得含冰率的值。经过多次测量，计算得出本实验中冰浆流体的含冰率约为1%～5%(<10%)，因此可视为牛顿流体进行理论计算[1]。

4.2 冰浆的流动特性

图5 不同含冰率下冰浆的压降随雷诺数的变化关系

图6展示的是冰浆和冷水的摩擦系数f分别随雷诺数Re的变化。由图可知，冰粒子的存在明显地影响了冰浆流体流态的发展。对比参考尼古拉兹试验[15]可知，当700950时，摩擦系数随着雷诺数的增加先减小，再逐渐趋于稳定，此阶段冰浆的流态逐渐开始发展成为湍流。相比于冰浆，冷水在由过渡阶段向湍流逐渐演变的临界值要大一些，图中所示，Rew>1 250时，水的流态开始逐渐转变为湍流。

图6 摩擦系数f随雷诺数变化

4.3 冰浆的换热特性

图7是同一工况(热水温度25 ℃、流量1.05 m3/h)不同冰浆流量下换热系数随含冰率的变化。由图可知，冰水换热的换热系数随着含冰率的升高而升高，且在含冰率一定时，换热系数随着流量的增大而增大，即为了增强冰浆的换热效果，除了增加冰浆的流量，还可以提高FIP。但是随着冰浆流量的增大，换热系数的增长速度逐渐变缓，是由于更高的速度并不能使得冰浆中的冷量充分释放，从而影响了换热的效果。

图7 不同流量下换热系数与含冰率的变化关系

图8是在冰—水换热和水—水换热中换热量随体积流量的变化趋势。图中可知，由于冰粒子的存在，冰浆在换热的过程中有相变发生，属于有相变的对流换热，故其在同样的工况下冰浆和热水的换热量明显高于水—水换热的换热量。随着流量的增大，冰—水换热的换热量的变化速率逐渐增加，这是因为冰粒子的存在促进了冰浆流体内部的扰动，破坏了边界层，增强了换热效果。

图8 换热量随流量变化关系对比

5 结论

本研究通过搭建实验台，对冰浆在板式换热器中的流动与换热特性进行了实验研究。通过测量冷热流体的进出口温度、流量以及冰浆及冷流体的压降，得到了相关特性的表征参数压降△P、摩擦系数f、换热系数K和换热量Q，通过对比分析，得出了以下结论：

1)由实验数据可知，冰浆在板式换热器中的压降△P随着流量qv、雷诺数Re以及含冰率FIP的增大而增大。且在更高的含冰率下，压降随流量的变化趋势更快。冰浆较之于水更早进入湍流状态(冰浆和水的临界雷诺数Re分别为950和1 250)，由于冰粒子的存在，其内部流场内的扰动更为剧烈，更有利于传热；

2)一定热源工况下，冰—水换热中板式换热器的换热系数和冰浆流量qv、含冰率FIP等因素有关，在实验工况下，更大的流量和更高含冰率可以得到更高的换热系数；

3)在流量较低的时候(qv<1.15 m3/h)，冰浆在板式换热器中的换热效果并没有优于水的换热，当流量逐渐变大的时候，冰—水换热的换热系数开始高于水—水换热的换热系数，这就说明，冰浆作为“第二载冷剂”在大流量下才能收到预期的效果。