折流板对大型砖冰机蒸发器盐水流场的影响分析

佘丽丽 罗清海

（湖南交通工程学院， 湖南 衡阳 421001）

0 引言

随着人们生活水平的进步，制冰机在日常生活中的应用日益广泛。大型制冰机在农、渔业产品冷藏、物流和保鲜中的应用规模越来越大。大型制冰机中砖冰机生产的冰块坚硬密实，不易融化，易于运输、冷藏和保存，是农、渔业用冰的主要制冰工具，但大型砖冰机存在能耗相对较大、制冷效率偏低等的缺点[1]。为改进砖冰机的制冰性能，我国学者关朋[2]等探讨了改进制冰池蒸发器的方案。庄友明[3]等关于盐水制冰工艺提出了几点节能措施。吕岑义[4]、邱立荣[5]等对砖冰机制冰池结构形式进行了改进。张浦悦[6]、谢烈[7]等设计和优化了制冰机制冰系统。张健滔[8]等提出使用工程制图和三维建模方法运用于制冰机的产品设计方案中，降低研究成本。国外学者Wengsheng Cao等[9]通过gPROMS软件动态模拟了制冰过程，并使用HYSYS软件动态模拟和设计了海水片冰机脱盐制冰的过程。国内外学者对制冰机的系统设计、运行优化等做出了很多贡献，但国内鲜见用CFD数值模拟方法分析折流板对砖冰机蒸发器盐水流场的影响，本文基于CFD方法对比分析了砖冰机制冰池内蒸发器有无折流板盐水流场情况，并根据模拟结果提出改进蒸发器结构形式的方案，为大型砖冰机的优化设计提供参考。

1 砖冰机蒸发器的基本参数

该研究以某公司生产的BBI10-30型号，产量为10t/d的大型砖冰机为样本。现有蒸发器如图1(a)所示，蒸发器管道数为9根，蒸发器管道外径为38mm，壁厚1.65mm，排列方式为3行3列，该蒸发器无折流板，盐水沿管长方向纵向冲刷蒸发器外管道，盐水与蒸发器管道内制冷工质换热效率较低。为提升蒸发器与盐水的热交换效果，对该蒸发器的结构形式进行优化设计。改造后的蒸发器如图 1(b)所示，在蒸发器管道上增装三条矩形折流板，盐水改变流向接近沿管道直径方向横向冲刷蒸发器外管道。

图1 现有蒸发器和增装折流板蒸发器xz平面示意图

折流板尺寸的选取参照《换热器设计手册》[10]。经计算后取两折流板间距为2.2m，折流板的高度取 0.7倍盐水池水力直径，盐水池的三维空间尺寸为6.12*0.154*0.258m，计算后得到折流板高度为 0.184m。折流板尺寸为0.154*0.184mm。

2 蒸发器模型参数设置

本文使用Gambit进行建模，第一个模型为无折流板蒸发器模型，盐水沿管长方向纵向冲刷蒸发器管道，使用体网格划分方式，网格类型为Tet/Hybrid TGrid，网格间距为10mm，网格数为1220357；第二个模型为有折流板蒸发器模型，盐水接近沿管道直径方向横向冲刷蒸发器管道，网格划分方式和类型同第一个模型，网格间距为8mm，网格数为2346567。

盐水为不可压流体，使用压力基隐式求解器，计算模型选择能量守恒方程和标准Κ-ε双方程模型。入口处给定盐水初始速度为0.3m/s，盐水初始温度为-9.5℃，盐水密度取为1175kg/m3，比热容为3315 J/(kg·K)，传热系数为0.505 W/(m·K)，粘性系数为0.004704kg/(m·s)。经计算得盐水通道水力直径D为0.44m，且由湍流强度计算公式 l=0.07D，入口处盐水的湍流强度取为 3.08%。取蒸发器壁温为-15℃，蒸发器材质为铜，查给定温度下铜的热物理性质表，得铜的密度为8930kg/m3，比热容为386J/(kg·K)，传热系数为401W/(m·K)，管壁厚为0.00165mm。本模拟的收敛残差为10-6。

3 对比分析蒸发器有无折流板盐水流场分布

图 2为在蒸发器有无折流板情况下盐水流场在典型截面 Y=0.05m平面上X=0.65~1m范围内速度矢量图。图2(a)为无折流板情况下盐水流场速度矢量图；图2(b)为有折流板情况下盐水流场速度矢量图。

图2 蒸发器有无折流板情况下盐水流场在典型截面 Y=0.05m平面上X=0.65~1m范围速度矢量图

由图2(a)可知，无折流板时盐水流速分布相对均匀，盐水接近层流分布；由图2(b)可知，有折流板时，在折流板左右两侧，靠近折流板与壁面连接处，由于受到折流板的阻碍，盐水近滞止，而在折流板缺口弦两侧，盐水流速相对较大，盐水经过折流板呈绕流分布。

为研究大型砖冰机中蒸发器有无折流板对蒸发器盐水池中盐水的流场分布影响，选Z=0.079m平面上盐水的速度、温度和压力云图和典型截面Y=0.05m平面上盐水的速度和温度云图进行对比分析。

图3、图4分别为无、有折流板时Z=0.079m平面上蒸发器盐水池中盐水的速度云图；图5、图6分别为无、有折流板时Z=0.079m平面上蒸发器盐水池中盐水的温度云图；图7、图8分别为无、有折流板时Z=0.079m平面上蒸发器盐水池中盐水的压力云图；图9、图10分别为无、有折流板时Y=0.05m平面上蒸发器盐水池中盐水的速度云图；图11、图12分别为无、有折流板时Y=0.05m平面上蒸发器盐水池中盐水的温度云图。

图3 无折流板速度云图Y=0.05m盐水

图4 有折流板速度云图Y=0.05m盐水

图5 无折流板温度云图Z=0.079m盐水

图6 有折流板温度云图Z=0.079m

图7 无折流板压力云图盐水 Z=0.079m盐水

图8 有折流板压力云图Z=0.079m盐水

图9 无折流板速度云图Z=0.079m盐水

图10 有折流板速度云图Z=0.079m盐水

图11 无折流板温度云图Y=0.05m盐水

图12 有折流板温度云图Y=0.05m盐水

通过图3得，无折流板情况下，在Z=0.079m平面上蒸发器盐水池中盐水的速度分布相对较均匀且流速相对较大约为0.42~0.46m/s。通过图4得，有折流板情况下，盐水经过三处折流板时流速变小至0.1~0.2m/s，盐水在两折流板之间流速相对较大约为0.6~1.2m/s。对比分析有无折流板对蒸发器盐水池中盐水流速的影响，得知增设折流板能改变盐水流向，盐水扰动性好。

通过图5得，无折流板情况下，在Z=0.079m平面上盐水从入口到出口温度降低约0.3℃；通过图6得，有折流板情况下，在Z=0.079m平面上盐水从入口到出口温度降低约0.9℃。对比分析有无折流板对蒸发器盐水池中盐水温降的影响，得知增设折流板盐水能增大盐水温降幅度，增强盐水与蒸发器换热效率。

通过图7得，无折流板情况下，在Z=0.079m平面上，盐水流动阻力约为340Pa；通过图8得，有折流板情况下，在Z=0.079m平面上，盐水流动阻力约为6500Pa。对比分析有无折流板对蒸发器盐水池中盐水流动阻力的影响，得知增设折流板在一定程度上增大了盐水流动阻力，此时考虑适当增加搅拌器的个数或者增大搅拌器的功率。

通过图9得，无折流板情况下，在Y=0.05m平面上，盐水流速方向接近一致，大小约0.4m/s；通过图10得，有折流板情况下，在Y=0.05m平面上，在X取0~0.8m范围内，盐水流速大致在0.3~0.4m/s之间，在X取0.8~6.2m范围内，盐水在三处折流板的左右两侧流速相对较小约为0.2~0.3m/s，盐水流经折流板缺口弦时，其流速增大至0.5~1.9m/s。对比分析有无折流板对蒸发器盐水池中盐水流速的影响，得知增设折流板能增强盐水扰动，并且在一定程度上增大盐水流动波动性。

通过图11得，无折流板情况下，在Y=0.05m平面上，盐水从入口到出口温度降低约0.4℃；通过图12得，有折流板情况下，在Y=0.05m平面上，盐水从入口到出口温度降低约 0.9℃。对比分析有无折流板对蒸发器盐水池中盐水温降的影响，得知增设折流板盐水与蒸发器之间热交换效率相对好。

4 结论

通过CFD数值方法对比分析折流板对大型砖冰机制冰池内蒸发器盐水流场速度、温度和压力分布的影响，依据典型截面云图和典型直线上速度、温度和压力折线图上参数分析结果，可以得出以下三点结论：

(1) 无折流板情况下，盐水流速接近呈直线均匀分布，其速度大小约0.4m/s；有折流板情况下，折流板改变盐水流向，盐水流动波动性相对较大，盐水在折流板左右两侧速度较小约 0.2m/s，而盐水流经折流板缺口弦时其速度相对增大至0.6~0.8m/s。对比分析无、有折流板情况下盐水速度分布特性，得知增设折流板能改变盐水流向，增大盐水流动扰动性，增强蒸发器与盐水之间的热交换效率。

(2) 无折流板情况下，盐水从入口到出口温度近似呈线性降低约 0.3℃；有折流板情况下，盐水从入口到出口温度接近呈阶梯性降低约0.9℃。对比分析无、有折流板情况下盐水温度分布特性，得知增设折流板能相对增大盐水温降幅度，增强盐水与蒸发器之间的热交换效率，可缩短制冰系统制冰周期，节省砖冰机电量消耗，提高系统经济效益。但折流板也在一定程度上大大增加了盐水流动阻力。

(3) 大型砖冰机制冰池中增设折流板能能提高制冰池制冰系统换热效率，缩短制冰系统制冰周期，降低制冰系统运行能耗，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]关朋.对制冰池蒸发器的改造以及分析[J].制冷,2005,24(1):71-73.

[3]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.

[4]吕岑义.制冰池改造[J].制冷,2000,19(2):82-84.

[5]邱立荣.制冰池改造一例[J].冷藏技术,1997,(2):37.

[6]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.

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

[8]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.

[9]Wensheng Cao. Theoretical approach of freeze seawater desalination on flake ice maker utilizing LNG cold energy[J]. Desalination,2015,(355):22-32.

[10]钱颂文.换热器设计手册[M].北京:化学工业出版社,2002:19.181.