冰浆流动及传热特性研究进展

　　以冰浆作为介质的蓄冷空调不仅具有普通蓄能空调的优点,而且由于其具有较大的溶解潜热可以使供冷管道尺寸大为缩小,从而节约材料和节省建筑空间,尤其在区域供冷方面具有广阔的前景。目前制取冰浆的方法主要有:通过间接换热法如收获制冰、液态水制冰、过冷却水制冰等;通过直接换热法如直接接触制冰、水制冷制取冰浆。其中机械刮板、过冷水及直接接触式制冰技术较为成熟。冰浆流动和传热特性的研究是研究冰浆的基础,是实际工程应用中必要的基础数据。冰浆在传热中伴随有相变,使得冰浆中冰晶与流体换热现象不同于普通的颗粒与流体间的换热。目前对冰浆的流动及传热特性在工程上推广应用所做的研究较少。

　　1 冰浆流动特性

　　1.1 冰浆理论模型

　　通常认为冰浆就是水与冰晶的两相混合物,冰晶悬浮在水溶液中。大量的文献表明,当水溶液中冰晶的含量低时冰浆可认为是牛顿流体;当冰晶含量较高时,冰浆则表现出非牛顿流体特性。Ayel[1]认为,冰的质量含量为6%~15%时,冰浆由牛顿流体转向非牛顿流体。对牛顿流体均匀悬浮液,通过修正牛顿内摩擦定律可表示为:

　　式中η_eff为有效黏度。Thomas[2]提出有效黏性系数表达式为:

　　式中c为含冰量,ηl为液相的黏度。式(2)是最常用的计算悬浮液有效黏度的公式,它不仅考虑到固相浓度,同时也包括了固相颗粒之间的互相作用力,其适用范围广:c可以达到0.625,颗粒直径为0.099~435Lm。然而Thomas等式也并不准确,Hansen[3]指出当c>15%时计算的有效黏度比实际的要高。当冰晶含量较高时,冰浆则表现出非牛顿流体特性,不同的理论模型可用来描述冰浆的非牛顿流体特性,可用于冰浆的非牛顿流体模型有[2-4]:

　　式中:k与温度有关,n是冰浆的非牛顿指数。

　　式中k为物质常数,η为黏度,τ0表示屈服应力。

　　其中Bingham流体模型最常用。值得注意的是这些模型只是在一定的应变速率范围内成立。不同模型对应的屈服应力τ0和黏度η不同。屈服应力主要与固相颗粒的含量有关,然而屈服应力的定义还存在分歧。Barnes[5]认为屈服应力是使滞流的混合物的微观结构重组成可以流动的结构。对流体模型,Christensen等[6]提出屈服应力公式:

　　τ₀=0.000 59c³-0.007 01c²+0.087c-0.024 98式中,c为含冰量。

　　1.2 压降

　　对于牛顿流体,当Re<2 100时为层流,层流与紊流的过渡区为2 000<Re<3 000。对于冰浆的层流与紊流的过渡变化复杂,因为它的动力黏度与冰晶的含量有关,Hanks[7]提出Bingham流体层流与紊流之间转换临界雷诺数Recrit公式: