流速对盘管内冰浆流动及换热特性的影响研究

姬长发，王展荣，姬晨阳，李美晨，陈柳，鱼欣媛

（西安科技大学能源学院，陕西西安 710054）

0 引言

集中空调应用过程中的负荷不平衡性使得电网昼夜负荷差值巨大。为了缓解白天高峰时期的电网压力，蓄冷空调技术对电力负荷的“移峰填谷”作用显现[1]。冰浆具有较高的热输送能力，在区域的冷却系统中，如果使用含冰率为5%的冰浆，在相同流速下，其冷却能力超过传统系统的两倍以上，且运输、储存无需改变泵送设备、配电网络或蓄积罐[2-4]。冰浆制冷系统在一些发达国家，如美国、日本和丹麦等国家有较广泛应用[5-6]。由于冰浆流动不同于一般的两相流动，它在输送的长管道内可能会出现分层，通过聚集而凝结成冰块，甚至会发生冰堵现象。所以冰浆的输运过程是一个急需解决的问题，国内外围绕冰浆的制取、输送及换热做了很多方面的研究。

KITANOVSKI等[7]采用了数值模拟结合实验的方法研究了刮削式制冰浆法。ROMAN等[8]用过冷法进行了冰浆制取实验。华中科技大学的肖凯[9]对冰浆的制取方式进行了实验研究。清华大学的曲凯阳[10]成功实现过冷水连续制取冰浆。浙江大学王炜[11]研究了一种双直接接触式冰浆制取系统。河南科技大学梁坤峰等[12]借鉴了流化床顺利进行了流体冰的制取实验。天津商业大学刘圣春等[13]设计出一台小型的风冷式冰浆制取装置。

华中科技大学的杨丽媛等[14]对冰浆在三通中的流动进行了数值模拟。中南大学徐爱祥等[15]对间接式冰浆制取过程中冰层生长速率与冰层厚度变化及其影响因素进行数值模拟研究。大连理工大学王继红等[16-17]分别对竖直管道和水平90°弯管内冰浆流体流动特性进行数值模拟研究。河南科技大学的杜军恒[18]建立了混合物模型来模拟研究冰浆在水平直管，90°弯管及离心泵内的流动状态，杨帆等[19]对动态冰浆在水平直管内的流动压降进行了研究。

上述研究中，针对盘管内冰浆流动特性的研究较少，本文利用数值模拟的方法研究冰浆在风机盘管中的流动特性，分析流速对其流动特性的影响。

1 物理模型的建立、网格划分及边界条件设定

1.1 几何模型

盘管的几何模型如图1所示，设计时完全参考常用空调末端设备，以家用分体式空调柜机蒸发器盘管为依据。设计盘管为3排铜管串联，管间距为20 mm，铜管的管壁厚为0.35 mm，直管部分管长为30 mm。肋片为0.15 mm的厚铜片增加散热效率，肋片间距设为1 cm。含冰率为10%、盘管管径都为10 mm，其他条件不变，分别对入口速度为0.1 m/s、0.25 m/s、0.5 m/s、0.75 m/s和1 m/s的冰浆在管内流动进行了数值模拟。

图1 管径为10 mm盘管模型图

1.2 网格划分

网格划分在Fluent模拟中起着至关重要的影响，网格划分的效果将直接决定模拟计算的速度快慢及效果。在本模拟中，由于冰浆流体具有粘性，本文首先对边界层进行了划分，然后以四边形非结构性网格形式对面网格进行了划分，最后整体网格划分为以六面体网格为主，在适当位置上包括楔形网格形式的非结构性网格。文献[11]对具有类似结构的弯管模型进行了网格独立性验证，网格数最多为34万时已经独立，本文在计算时网格数量约为40万，盘管划分的网格如图2所示。

图2 管径为10 mm盘管网格图

1.3 边界条件设定

边界条件：文中冰浆两相流进入管道的入口设为速度入口，分别取0.1 m/s、0.25 m/s、0.5 m/s、0.75 m/s和1 m/s，流体入口温度都设置为274 K；盘管的出口设为自由出口，管壁设为固体壁面，材料为铜，材料厚度设为0.35 mm，材料的传热系数为377 W/(m…K)。定义外界为热对流边界，流体温度为296 K。

2 基本假设

模拟计算过程中，做出以下的假设：

1) 由于冰粒子密度与悬浮流体的密度比较接近，因此忽略冰晶粒子的径向滑移；

2) 忽略冰粒子相变所发生的体积变化；

3) 将冰浆流体视为牛顿流体；

4) 冰晶粒子是刚性的惯性球体，它与悬浮液之间没有相对流动，因此将冰晶粒子视为均匀流；

5) 除了冰晶粒子的融化潜热外，管内没有其它内热源；

6) 忽略末端风机盘管空气流动的速度与换热情况，只研究盘管冰浆的换热情况。

3 模型验证

本文将建立模型的模拟结果与华中科技大学冰浆实验室中研究者做的相似实验[8,13]进行对比。为使对比准确性和参考性更高，设置与研究者所做的冰浆在风机盘管中流动及换热实验的同等工况条件，即采用含冰率1.1%的冰浆，在管径为10 mm的盘管中，流量分别取0.5 m3/h、0.7 m3/h、0.9 m3/h、1.1 m3/h。结果如图3、图4所示。换热量的计算公式如式(1)所示。

式中：

Qw——冰浆换热量，kw；

W——冰浆流量，kg/s；

Cpw——水的定压比热，KJ/(Kg…℃)；

tw1、tw2——分别为冰浆进出口温度，℃；

ΔIPF——冰浆融化的含冰率，%；

L——冰的融化潜热，335 KJ/Kg。

图3 盘管流体进出口温差模拟值与实验值对比

图4 换热量模拟值与实验值对比

由图3和图4可以看出，在同等情况下，冰浆在盘管中的换热情况的模拟结果与实验结果有相同的规律性及数值吻合性。模型的建立比较符合实际情况、较准确，说明使用此种方法数值模拟冰浆在盘管内流动及换热结果接近实际并具有可参考性。

4 模拟结果及分析

4.1 入口流速对管道内冰粒分布的影响

图5为不同流速条件下管内冰粒子分布图。

图5 不同流速条件下管内冰粒子分布

从图5(a)可以看出，当流速为0.1m/s时，除刚进入管道内部分，其他部分未融化的冰粒子几乎全部聚集在管子顶部，特别是刚进入管道部分聚集程度较高。由于冰晶粒子的密度低于水溶液的密度，出现冰粒子悬浮在管道顶部而滞留的现象，这与华中科技大学何国庚教授等[20]总结的冰浆流动的3层模型完全吻合，冰浆流体在管道内可能呈现出3种分层：1）部分冰晶粒子在顶部滞留，形成滞留层；2）往下形成冰粒子的整体移动层；3）最下层为粒子分布不均的混合溶液层。滞留粒子层会导致冰浆流动阻力增大，不利于冰浆在管道内的输送。

从图5(b)可以看出，当流速为0.25 m/s时，未融化的冰粒子并没有完全悬浮在管道顶部而滞留，只有部分冰粒子聚集靠近管道顶部，形成冰粒子整体移动层。

从图5(c)和图5(d)可以看出，当流速大于0.5 m/s时，未融化的冰粒子几乎没有出现聚集在管道顶部而悬浮的现象，而以小结块儿的形式分布在管道中间。

从图5(e)可以看出，冰浆流速达到1 m/s时，冰浆流动时冰晶颗粒与水相容得比较好，没有明显结块或者冰晶粒子聚集现象，冰浆流动属于混合溶液层。这是因为，当冰浆流体流速比较大时，所形成的紊流强度也会比较大，这种情况下颗粒受到的紊流切应力远大于悬浮力，因此颗粒在管道内基本成均匀悬浮状态。

对比图5(a)至图5(e)可以看出，当平均流速减小时，降低了紊流的影响，在管道顶部出现粒子高浓度区，若平均流速进一步减小，才可能在顶部出现滞留粒子层。只有冰浆在流速为0.1 m/s的时候会出现在弯道后滞留层小部分聚集。

4.2 入口流速对换热的影响

表1为不同流速的冰浆进出含冰率及融化了的含冰率对比。

从表中可以看出流速为0.1 m/s的冰浆融化了的含冰率最高，说明换热效果最好，随着流速的增加，出口含冰率增加，融化了的含冰率明显减少，即冰浆在盘管中流动无法很好地释放潜热，虽然冰粒子分布均匀，流动阻力小，却失去了在末端设备流动换热的意义，所以高流速流动比较适合冰浆输送运输。

表1 不同流速冰浆融化含冰率

根据模拟得到的数据，结合冰浆换热量的计算公式(1)得出不同流速条件下盘管的进出口温差、换热量及压降变化分别如图6、图7和图8所示。

图6 不同速度流体进出口温差

图7 不同速度冰浆总换热量对比

图8 不同速度冰浆流动压降对比

从图6中可以看出，在管道半径、冰浆流体含冰率不变的条件下，冰浆的进出口温度差随着流动速度的增加而减小，但减少程度小于流速增加程度。流速0.1 m/s的冰粒融化量最大；当流速为0.75 m/s以上时温差接近2 ℃，冰粒融化量较小。

从图7可以看出，冰浆的总换热量随着流速的增加而增加，虽然含冰率随着流速的增大而减小，但其减小程度远小于流速增大的程度。

从图8可以看出，在管道半径、冰浆流体含冰率不变的条件下，冰浆的压降随着流动速度的增加而增大，速度越高，增大幅度越大；这是由于，随着冰浆流体流速的增大，形成的紊流强度也随之增大，由此产生的能量损耗也增加，从而压力损失也增大。

5 结论

1）冰浆在盘管流动过程中，弯管部位都会出现与单相液体流动一样的二次流，速度越大，二次流现象越明显。

2）入口速度对冰浆在盘管中的流动换热有很大影响，流速过小，冰浆中冰粒子聚集在管道顶部形成滞留层现象比较严重，不利于冰浆流动及换热，但冰浆流经管道持续的时间较长，换热时间长，有利于冰粒子的相变释放潜热；流速过大时，冰粒子在管道内基本成均匀悬浮状态，是冰浆最好的流动状态；但冰浆流经管道持续的时间太短，很多冰粒子来不及相变释放潜热就流出了盘管，换热效果不好；由于流体流速大，冰浆的压降也较大，所以冰浆在末端设备流动需要控制入口速度不应超过0.5 m/s，本文得出的比较理想的入口速度为0.25 m/s左右。