液-液循环流化制冰床流化特性研究

　　引言

　　近年来，直接接触式制取流体冰的技术得到了越来越多的重视[1 ～3]。而液-液直接接触式制取流体冰系统基于循环流化床技术，将水(分散液体) 喷入循环流动的非相溶冷媒( 循环液体) 中制取流体冰，两种液体直接接触换热具有很高的换热系数，极易获得流体冰，且制取的冰晶粒子粒径较大，便于从冷媒中分离出来，受到格外重视[2]。

　　液-液循环流化床基于液-固循环流化床[4]的散式流化特征发展而来，其理想的流化状态是颗粒(液滴或颗粒状冰晶) 随循环液体的流动而均匀膨胀，使所有颗粒与低温冷媒接触的机会均衡，确保流化床中多相传热与传质的均匀进行[5]。关于分散液体破碎形成液滴机理的研究已发现[6 -8]，形成液滴的粒径并不均匀，符合某种粒径分布特征，并受运行参数的影响。但是液-液循环流化床内这些粒径不同的液滴在流化过程中，受低温循环液体的携带，其相变的同时亦可能发生相互碰撞，如果颗粒外壳冻结后硬度较差，则碰撞后能聚并成更大的颗粒，且颗粒粒径越大，其流动性越差，与其他颗粒碰撞的机会又会增加，形成更大的颗粒，这种情况非常不利于流化床的良性运行，因此液-液循环流化床的流化特性是新型制冰技术的关键环节，对其进行研究具有重要意义。

　　本文建立液-液循环流化床制取流体冰实验台，采用图像采集与处理系统，获得制冰过程中循环流化床不同高度上颗粒的流化特征图片和颗粒的粒径信息，研究流化床运行参数及其组合对颗粒沿程的流化特征影响，分析颗粒流化特征与流化床流化状态的相关性，讨论流化床散式流化状态的参数区域。

　　1 实验系统

　　1. 1 实验装置

　　液-液循环流化床实验系统原理图如图1 所示，整个实验系统由3 部分组成: 流化床系统、制冷机和实验测量系统。制冰过程在流化床内部进行，分散液体(水) 在循环液体(25 号变压器油) 中破碎形成细小液滴，液滴与循环液体一起流动换热，液滴发生相变形成冰颗粒，在滤冰器内循环液体与冰颗粒分离，冰颗粒被送入蓄冰容器，循环液体回到蒸发器内，在蒸发器内降温冷却后，重新进入流化床，实现循环流动。实验过程中，数码相机(Nikon-5000 型)以30 帧/s 的频率对距离喷嘴( 流化床底部)0.05、0.50、1.00 m 高度上颗粒的状态进行连续拍摄。具体实验工况如表1 所示。

　　1. 2 实验现象

　　根据流化床不同高度上颗粒流化的实验照片发现，液滴形成后受到载冷液体的携带作用向上运动，其相变、运动过程随实验工况的变化表现出不同的特征，但总体来看，有4 种典型的流化特征，分别定义为聚团、粘连、聚并和分散，具体的流化特征形式如图2 所示。颗粒的聚团指颗粒在流化过程中由于运动速度的变化，使颗粒在某一空间位置积聚较多的颗粒，颗粒之间并没有真正的接触，如图2a 圆圈处所示。但是，颗粒发生聚团之后，颗粒之间碰撞的机会增大，颗粒碰撞产生的结果受颗粒自身的相变程度、运动能力以及运动轨迹的影响，可能产生颗粒的粘连、聚并和分散。颗粒的粘连指聚团颗粒发生碰撞，由于存在颗粒的表面冰层，且碰撞的力量较大，使颗粒一旦接触，粘连成颗粒团一起向上运动，如图2b 圆圈处所示; 颗粒的聚并是由于颗粒没有发生相变或者是颗粒的表面冰层较薄，颗粒碰撞使其发生合并，成为更大的颗粒，如图2c 圆圈处所示; 而颗粒的分散则是颗粒在向上流化过程的同时具有一定的径向运动趋势，颗粒之间无相互作用，如图2d圆圈处所示。