冰浆流体流动与换热研究综述

    1 引言

    当前,人类正面临着能源紧张和环境破坏的双重挑战。环境保护与能源的合理开发和利用已经成为21世纪科学技术发展的两大议题。但是随着世界人口和经济的发 展,能源消费还在急剧增加,与此同时存在的严重的/峰0/谷0电力也导致了能源的无谓浪费。在能源的消耗总量当中,制冷空调的能源消耗量占很大的比例。而 现代广泛应用的制冷空调和热泵系统,由于传统制冷剂对环境的破坏,系统制冷剂的替代也已成为当前急待解决的前沿课题。冰蓄冷技术的发展和作为自然工质的水 的应用正是制冷空调实现/削峰填谷0、合理利用能源、保护环境这一可持续发展要求的具体体现。

    冰浆是一种水和冰晶粒子的混合物,可以通过水本身的冷却来制备。由于冰浆中冰晶粒子的直径一般在几十微米到几百微米,因此这种冰晶与水组成的混和溶液有着 很好的热物性和传输性能,能够像普通流体一样的在管道内运输或者在冰槽中贮存。冰晶在传热过程中的相变特性,使得冰浆的单位容积热容量比同等冷水的热容量 要高出许多。在一定的热负荷之下,可以大大的减少流量,因此也可以大幅度的减小输送管直径、降低泵功消耗、减小热交换器的结构尺寸。另外,由于这种冰水混 和流体的安全性和对环境的无污染性,以及充分利用电力夜间制冰,节约电力费用等这些优点,使得冰浆系统在技术上和经济上都具备广阔的应用前景,特别是在区 域供冷上具有广阔的应用前景,并且已经在美、日等一些发达国家的空调工程中得到应用[1~5]。由于冰浆中的冰晶粒子尺寸很小,在传热过程中发生瞬间融 化,这种冰晶粒子的瞬间相变将释放出大量的热量,可以快速降温及快速响应热负荷的变化,并且冰浆流体的自身温度稳定。这些特性为冰浆在生物医学上的应用提 供了充分的条件。目前冰浆已经应用于降低大脑表面温度已防止大脑的过热,对于心脏病突发病人,使用冰浆就地将大脑和心脏部位快速降温,阻止脑细胞和心脏细 胞因缺血而导致的快速死亡,以达到拯救病人的目的[6]。同样,由于冰晶粒子与水之间的物性差异以及冰晶融化后与水的混合也导致了冰浆流体流动与换热的特 异性和多样性。就冰浆的流动与换热的最新研究成果作概括性的分析与介绍。

    2 热物性及传热性能研究

    流体的热物性主要包括密度、导热率、定压比热等。实际的液固两相流动中,由于液相在固体悬浮粒子表面的微对流效应会使流体的热导性有所加强,考虑到冰浆流 体中液固两相的热度率相差不大,并且固体颗粒属于第二相,当颗粒直径小于100微米时,基于质量分数的混合流体热导率仍然是合理可用的。