冰浆传热与压降的研究进展

    通常,冰蓄冷系统总是利用水作冷媒传递冷量;但如果利用冰浆作为冷媒介质,冰蓄冷系统的效率将大大提高,设备体积也将大大缩小。本文所讲的冰浆是某类(如 乙二醇)水溶液和冰晶粒子的混合物,呈泥浆状。采用冰浆作为冷媒流动性好,单位容积的蓄冷能力比冷冻水大得多,因此所需的管道直径、泵和换热器的容量、运 行费用都可以大大减小[1]。当然,冰浆的物理特性与水有很大不同,要用冰浆代替冷冻水,就要对这些特性,特别是流动和传热特性进行研究。

    1 国外研究概况

    上世纪80年代以来,国外部分研究者的研究情况如表1所示。这些试验表明冰浆在流动过程的压降受到了冰浆溶液的粘度、流速、含冰率、冰晶的大小和流体的流 型等多个参数的综合影响。尽管各试验所得压降结论不尽相同(可能与各自所采用的介质和实验条件不同有关),但含冰率小于20%时总换热系数随流速的增大而 增大的结论还是一致的。

    2 Bellas和Chaer的研究成果

    Bellas和Chaer对不同条件下,流量与总换热系数关系的的研究结果见图1。

    图1可看出试验与设计值基本拟合,所用的实验方法是合理的。而且总换热系数随流速的增大而增大,但当流量大于2.0 m3/h时,增长变得平缓。

    图2给出了在含冰率为0%,5%和20%时,压降随流速的变化。这里的含冰率是指换热器进出口处的平均含冰率,冰浆的压降随流速和含冰率的增大而增大,只比纯水稍大一点。

    图3反映了冰浆融化对换热器传热的影响。当含冰率在5%到20%时,与冷冻水相比,采用冰浆可以使换热器的换热能力提高30%以上,载冷剂的流量减少 60%以上。图4反映了不同流量下,换热系数与含冰率之间关系的试验结果,结果表明随着冰浆流速的增加,总换热系数明显增大,但随着含冰率的增大,总换热 系数基本不变。

    3 二元冰浆流动特性的进一步研究

    为了进一步探讨二元冰浆的流动特性,作者进行了相关试验。试验在二元冰蓄冷空调系统中采用乙二醇水溶液与HCFC123载冷剂对喷的方式来制取微细的冰 晶:通过在板换中与HCFC22进行热交换得到的低温HCFC123液体被喷入制冰罐,使制冰罐内的乙二醇水溶液降温冷却;当温度达到乙二醇溶液的冻结点 温度以下时,细小的冰晶就从乙二醇溶液中析出,最终形成微细的冰晶与乙二醇溶液的混合物。二元冰在管道中的流动摩阻与流速,含冰率间的关系的实验结果见图 5和图6。

    由图5和图6可以看出各种不同含冰率下的二元冰摩擦阻力都比清水大,可见,二元冰粒子摩擦阻力的大小产生了影响,它对溶液的流动产生了抑制作用。总的来 说,二元冰的摩擦阻力变化较为平稳;二元冰与清水间的差值随着流速的增大,有减小和慢慢趋于平稳的趋势;而且随着流速的增大二元冰的流动阻力呈现出的增大 趋势不是线性的;随着含冰率的增大二元冰的摩擦阻力变大,但差别不是很大。试验还证明了随着管道倾角的增大二元冰的摩擦阻力减小,也就是说相同条件下水平 管道内的摩阻最大,这是因为重力的影响导致管道内二元冰和乙二醇水溶液分层现象更加明显,从而增大了流动时候湍流程度增大,最终导致摩阻增大的缘故。