平板過冷卻器內(nèi)結(jié)冰行為的實驗研究

王錦輝 鄭閩鋒 李月玲 劉 曦,3 李學來

(1 福州大學石油化工學院 福州 350116；2 福建工程學院生態(tài)環(huán)境與城市建設(shè)學院 福州 350118；3福州大學光催化研究所 福州 350116)

為解決用電峰谷矛盾，有效提高能源利用率，近年來各類蓄能技術(shù)得到大力發(fā)展[1-4]。冰漿作為一種具有良好換熱性能和流動性能的高密度蓄冷及快速降溫介質(zhì)，得到國內(nèi)外學者的關(guān)注[5]。冰漿可廣泛應(yīng)用于建筑物蓄冷、食品預(yù)冷保鮮等領(lǐng)域[6-8]，對實現(xiàn)電網(wǎng)的移峰填谷和促進高附加值速凍食品行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。同時，冰漿還可應(yīng)用于礦井降溫、管道清潔、醫(yī)療冷卻、運動員體溫調(diào)節(jié)等國民經(jīng)濟的各行各業(yè)[9-12]，應(yīng)用前景十分廣闊。但市場調(diào)研顯示，冰漿技術(shù)在我國的應(yīng)用并不普遍，主要是因現(xiàn)有的冰漿制備技術(shù)尚不能完全實現(xiàn)冰漿的高效、可靠及大規(guī)模生產(chǎn)。因此研究開發(fā)穩(wěn)定、高效、節(jié)能的冰漿制備系統(tǒng)具有十分重要的意義。

過冷法動態(tài)制冰技術(shù)是近年來冰漿制備技術(shù)中較為熱門的研究方向，具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、傳熱效率高等優(yōu)點。過冷卻器作為過冷法動態(tài)制冰系統(tǒng)的核心部件，是保證該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、節(jié)能高效的關(guān)鍵，但過冷卻器內(nèi)的過冷水處于亞穩(wěn)態(tài)，易發(fā)生結(jié)冰行為，導(dǎo)致系統(tǒng)冰堵，因此研究過冷卻器內(nèi)的結(jié)冰行為，解決制冰系統(tǒng)的冰堵問題具有重要意義[13]。

在20世紀90年代，日本學者較系統(tǒng)地研究了有關(guān)因素對靜止過冷水過冷度的影響，但仍未完全解決流動過冷水在過冷卻器內(nèi)發(fā)生結(jié)冰的問題[14]。近20年，國內(nèi)外學者對過冷卻器內(nèi)冰堵問題進行了更深入的研究。曲凱陽等[15-17]實驗研究了Re在0～10 000范圍內(nèi)的圓管水流狀態(tài)對管內(nèi)結(jié)冰行為發(fā)生的影響，最終認為圓管內(nèi)水流結(jié)冰只與壁面最低溫度有關(guān)，與流動無關(guān)；并在探究高性能連續(xù)制冰系統(tǒng)時發(fā)現(xiàn)，冰晶顆粒進入過冷卻器會誘導(dǎo)其內(nèi)部過冷水發(fā)生結(jié)冰行為，破壞制冰系統(tǒng)的穩(wěn)定性；在上述研究基礎(chǔ)上，進一步研究不同結(jié)冰表面的材質(zhì)、粗糙度、面積對過冷水發(fā)生結(jié)冰行為的影響。何國庚等[18]研究表明，當管式過冷卻器內(nèi)溶液流速較慢，流動狀態(tài)為層流時，位于近壁面的水層具有較大的溫度梯度，這將促進過冷水提前解除過冷，發(fā)生結(jié)冰行為，生成的冰晶附著于壁面上，進一步導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生冰堵。謝若非等[19]研究發(fā)現(xiàn)水流速與載冷劑進口溫度共同影響過冷度，從而影響過冷水發(fā)生結(jié)冰行為，且微小冰晶顆粒的存在也會誘導(dǎo)過冷水解除過冷態(tài)。J.P.Bédécarrats等[20]實驗結(jié)果表明，過冷卻器內(nèi)發(fā)生結(jié)冰具有隨機性，當過冷水的過冷度超過2.0 ℃，一定會發(fā)生結(jié)冰，在特定工況下可以穩(wěn)定得到過冷度為1.6 ℃的過冷水。Wang Hong等[21]研究發(fā)現(xiàn)過冷度在0.7～1.8 ℃范圍內(nèi)，才能確保得到穩(wěn)定的制冰系統(tǒng)，這意味著系統(tǒng)冰產(chǎn)量僅能達到很低的程度(約2%)。為有效提高過冷卻器效率，Liu Shengchun等[22]研究了過冷水在過冷卻器壁面的結(jié)冰機理，分析粗糙度和抑制劑濃度對不同材料表面的結(jié)冰溫度、過冷和異質(zhì)成核能的影響。M.Faucheux等[23]研究了平板表面粗糙度對水溶液過冷度的影響，實驗結(jié)果表明粗糙度越大，水溶液過冷度越低。

為預(yù)防結(jié)冰行為及避免冰堵現(xiàn)象在過冷卻器內(nèi)發(fā)生，國內(nèi)外學者在換熱壁面特性和新型過冷卻器的開發(fā)方面進行了研究。部分學者認為高接觸角的疏水或超疏水表面可以有效延緩過冷水發(fā)生結(jié)冰，但G.Heydari等[24]研究發(fā)現(xiàn)，與超疏水表面化學性質(zhì)相似的平坦疏水表面具有更好延緩結(jié)冰的效果。U.Oechsle等[25]研究表明，納米結(jié)構(gòu)涂層可有效降低過冷水的成核溫度，預(yù)防過冷水在換熱表面發(fā)生結(jié)冰行為，從而得到更高的過冷度，提高系統(tǒng)效率。Wang Hong等[26-28]研究發(fā)現(xiàn)，納米氟碳涂層對降低換熱壁面的表面自由能，抑制過冷水在換熱壁面表面成核結(jié)晶并生長有著良好的效果，但涂層加工困難、成本高，因此很難應(yīng)用和普及。黃成等[29]在過冷卻器中加入螺旋刮片，利用螺旋刮片的高速旋轉(zhuǎn)刮落在換熱壁面粘附生長的冰晶，從而避免冰堵現(xiàn)象的發(fā)生。

上述研究取得了大量成果，但對于平板過冷卻器內(nèi)水溶液結(jié)冰條件、結(jié)冰區(qū)域及有關(guān)因素影響方面的研究尚未見報道。本文設(shè)計并搭建了一套過冷水動態(tài)制冰系統(tǒng)，開發(fā)了一種可視化平板過冷卻器，通過實驗研究流動和換熱對過冷卻器內(nèi)結(jié)冰行為的影響及其作用機理。

1 實驗裝置和方法

動態(tài)制冰系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)主要由4個循環(huán)組成：制冰溶液循環(huán)、解凍溶液循環(huán)、載冷劑循環(huán)以及制冷劑循環(huán)。制冰溶液循環(huán)中，制冰溶液被泵送至過冷卻器上層通道中吸收冷量并不斷降溫，然后回到制冰溶液桶中。解凍溶液循環(huán)的作用：在冰堵初期，形成的冰晶較為松軟、厚度較薄，可通過加壓泵入常溫的解凍溶液，使過冷卻器內(nèi)冰晶融化、迅速升溫。載冷劑循環(huán)和制冷劑循環(huán)由一體式低溫槽來完成，控溫范圍-20.0～100.0 ℃。

1 過冷卻器；2 載冷劑溶液槽；3 離心泵；4 膨脹閥；5 冷凝器；6 壓縮機；7 蒸發(fā)器；8 解凍溶液桶；9 制冰溶液桶；10 渦輪流量計。圖1 動態(tài)制冰系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of dynamic ice-making system

過冷卻器是自行設(shè)計的雙層平板換熱器，制冰溶液在上層流動，載冷劑在下層流動，兩者為對流傳熱。上蓋板由透明有機玻璃制成，便于觀測發(fā)生結(jié)冰行為時的現(xiàn)象，除上蓋板外，過冷卻器采用304不銹鋼制成，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。系統(tǒng)管路及過冷卻器均采用保溫材料進行保溫處理。

表1 平板過冷卻器尺寸Tab.1 Dimensions of flat-plate supercooler

本文測量的參數(shù)包括制冰溶液流量、載冷劑進出口溫度、制冰溶液進出口溫度以及平板過冷卻器4個位置的壁面溫度，其中制冰溶液流量、載冷劑和制冰溶液進出口溫度的測點布置如圖1所示，而壁面溫度的測點布置需定義一個無量綱距離：過冷卻器內(nèi)換熱壁面任意位置距出口相對距離d=l/L，l為絕對距離，L為流道長度，如圖2所示。制冰溶液流量的測量采用渦輪流量計；溫度測量采用Pt100鉑電阻，精度為0.1 ℃；溫度數(shù)據(jù)采集使用拓普瑞TP系列溫度數(shù)據(jù)采集儀，采集間隔為1 s。

圖2 壁面測溫點布置Fig.2 Layout of temperature measuring points on the wall

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 典型實驗現(xiàn)象分析

為觀測不同傳熱溫差和流動速度下平板過冷卻器內(nèi)的結(jié)冰行為，以載冷劑進口溫度和制冷溶液流量為變量，進行單因素實驗，實驗變量設(shè)置值如表2所示。實驗中制冰溶液為自來水。因過冷水的結(jié)冰具有一定的隨機性，故每種工況重復(fù)40組實驗。

表2 實驗參數(shù)Tab.2 Experimental parameters

經(jīng)過大量實驗發(fā)現(xiàn)，過冷卻器內(nèi)存在兩種典型實驗現(xiàn)象，分別稱為結(jié)冰行為一和結(jié)冰行為二。

1)結(jié)冰行為一。過冷卻器內(nèi)水溶液保持過冷態(tài)，換熱壁面未發(fā)生結(jié)冰，動態(tài)制冰系統(tǒng)可連續(xù)制取冰漿。實驗過程溫度變化如圖3所示，制冰溶液進出口溫度、相對距離d為0.15和0.35處的壁面溫度均隨著運行時間的延長而降低，且隨著運行時間的延長，降溫速率逐漸降低。在運行過程中壁面溫度未出現(xiàn)溫度階躍，可判斷在換熱壁面上并未發(fā)生結(jié)冰，且通過對儲冰桶內(nèi)部的連續(xù)觀測，發(fā)現(xiàn)當制冰溶液出口溫度達到-0.5 ℃后，儲冰桶內(nèi)逐漸出現(xiàn)冰晶顆粒，在連續(xù)制冰后，桶內(nèi)冰漿如圖4所示。

圖3 溫度變化(結(jié)冰行為一)Fig.3 Temperature change(freezing behavior 1)

圖4 儲冰桶內(nèi)冰漿(結(jié)冰行為一)Fig.4 Ice slurry in ice bucket (freezing behavior 1)

2)結(jié)冰行為二。過冷卻器內(nèi)水溶液未達到過冷狀態(tài)，換熱壁面發(fā)生結(jié)冰行為，動態(tài)制冰系統(tǒng)無法有效制取冰漿。系統(tǒng)運行一段時間后，過冷卻器內(nèi)發(fā)生結(jié)冰，即在換熱壁面上的局部區(qū)域成片發(fā)生結(jié)冰，結(jié)晶相變過程釋放出較多的熱量，導(dǎo)致不同區(qū)域的壁面溫度曲線先后出現(xiàn)階躍(如圖5所示)。冰層緩慢變厚并沿壁面生長(如圖6所示)，生長到一定程度時，由于熱阻不斷增大，系統(tǒng)進入熱平衡階段，制冰溶液進出口溫度基本穩(wěn)定，均大于相變溫度，未達到過冷狀態(tài)，系統(tǒng)雖未發(fā)生完全冰堵現(xiàn)象，但無法有效制取冰漿。

圖5 溫度變化(結(jié)冰行為二)Fig.5 Temperature change (freezing behavior 2)

圖6 過冷卻器內(nèi)附壁冰層(結(jié)冰行為二)Fig.6 Ice on the wall of supercooler (freezing behavior 2)

分析出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是：成核結(jié)晶主要受壁面溫度和流體擾動的影響，成核結(jié)晶優(yōu)先發(fā)生在層流底層。當載冷劑溫度較低、流動的擾動較強或較弱時，根據(jù)邊界層理論和經(jīng)典成核理論可得出：近壁面處的層流底層中黏滯力起主導(dǎo)作用，制冰溶液保持層流特征，使近壁面處過冷水的過冷度更大，成核所需的形核能較小，因此近壁面處易發(fā)生結(jié)冰，導(dǎo)致結(jié)冰行為二的出現(xiàn)。

對比上述兩種典型結(jié)冰行為可知，結(jié)冰行為一與結(jié)冰行為二的差異較大，具體如表3所示。結(jié)冰行為二表現(xiàn)出的過冷卻器內(nèi)發(fā)生結(jié)冰的現(xiàn)象，正是造成過冷卻器發(fā)生冰堵的原因，因此下文將結(jié)冰行為二作為主要研究對象，進行進一步研究和分析。

表3 結(jié)冰行為一與結(jié)冰行為二的差異Tab.3 The differences between freezing behavior 1 and freezing behavior 2

2.2 載冷劑進口溫度對結(jié)冰行為的影響

保持制冰溶液體積流量為0.5 m3/h不變，研究載冷劑進口溫度對結(jié)冰行為的影響。由圖7可知，隨著載冷劑進口溫度的升高，結(jié)冰行為一出現(xiàn)的概率大幅提高，結(jié)冰行為二出現(xiàn)的概率大幅降低。當載冷劑進口溫度為-6.0 ℃時，結(jié)冰行為二出現(xiàn)的概率，即過冷卻器內(nèi)換熱表面發(fā)生結(jié)冰的概率僅為12.5%；當載冷劑進口溫度為-12.0 ℃時，換熱表面發(fā)生結(jié)冰的概率高達95%。這是因為當流量一定時，載冷劑進口溫度越低，導(dǎo)致?lián)Q熱壁面溫度也越低，毗鄰壁面的水溶液溫度也越低，其過冷態(tài)越不穩(wěn)定，壁面越易發(fā)生結(jié)冰。

圖7 載冷劑進口溫度對結(jié)冰行為出現(xiàn)概率的影響Fig.7 Effect of secondary refrigerant′s inlet temperature on the occurrence probability of freezing behavior

圖8所示為制冰溶液流量不變時，載冷劑進口溫度對平板過冷卻器內(nèi)各測溫點發(fā)生結(jié)冰時溫度的影響。由圖8可知，載冷劑進口溫度越低，各測溫點發(fā)生結(jié)冰時的溫度越低，且相對距離d為0.25、0.35和0.45這3處發(fā)生結(jié)冰時的溫度明顯高于d為0.15處發(fā)生結(jié)冰時的溫度，這是由于d為0.15處優(yōu)先發(fā)生結(jié)冰，已生成的冰晶會持續(xù)誘導(dǎo)近壁面的過冷水結(jié)晶成核，導(dǎo)致其余位置發(fā)生結(jié)冰的溫度較高。根據(jù)文獻[30]，結(jié)冰發(fā)生時，過冷水的溫度處于介穩(wěn)區(qū)，故發(fā)生結(jié)冰的隨機性很大，結(jié)晶溫度波動也較大。

圖8 載冷劑進口溫度對發(fā)生結(jié)冰時溫度的影響Fig.8 Effect of secondary refrigerant′s inlet temperature on the freezing temperature

2.3 制冰溶液流量對結(jié)冰行為的影響

圖9所示為載冷劑進口溫度為-8.0 ℃時，不同結(jié)冰行為出現(xiàn)的概率隨制冰溶液流量變化的實驗結(jié)果。由圖9可知，隨著流量的增大，結(jié)冰行為二出現(xiàn)的概率先降后升，而結(jié)冰行為一出現(xiàn)的概率則相反。由于近壁面處過冷水發(fā)生結(jié)冰受兩個因素影響：1)溫度梯度，大溫度梯度會促進過冷解除，導(dǎo)致提前發(fā)生結(jié)冰；2)流體擾動，流體擾動越大，體系內(nèi)能量漲落程度越大，導(dǎo)致能量波動水平達到形核功的概率增加，發(fā)生結(jié)冰的可能性增大。因此流量較小時，較大的溫度梯度大大促進過冷卻器內(nèi)發(fā)生結(jié)冰行為二；流量較大時，由于能量波動水平達到形核功的概率增加，也使結(jié)冰行為二更易發(fā)生。因此流量過大或過小均會促進結(jié)冰行為二的出現(xiàn)，不利于系統(tǒng)的制冰穩(wěn)定性，應(yīng)當選取一個相對可靠的制冰溶液流量。

圖9 制冰溶液流量對結(jié)冰行為出現(xiàn)概率的影響Fig.9 Effect of solution flow rate on the occurrence probability of freezing behavior

圖10所示為載冷劑進口溫度不變時，制冰溶液流量對平板過冷卻器內(nèi)各測溫點發(fā)生結(jié)冰時溫度的影響。由圖10可知，各測溫位置發(fā)生結(jié)冰時的溫度隨流量的增大而出現(xiàn)上下波動。隨著流量的增大，層流底層過冷水的溫度梯度減小，能量波動水平增大，但因影響程度不同，導(dǎo)致出現(xiàn)上述情況。由圖10還可知，在任意工況下，相對距離d為0.25、0.35和0.45的這3處發(fā)生結(jié)冰時的溫度明顯高于相對距離d為0.15處發(fā)生結(jié)冰時的溫度，原因與2.2節(jié)中所述相同。

圖10 制冰溶液流量對發(fā)生結(jié)冰時溫度的影響Fig.10 Effect of solution flow rate on the freezing temperature

2.4 優(yōu)先發(fā)生結(jié)冰及其局部條件

針對結(jié)冰行為二，對過冷卻器內(nèi)優(yōu)先發(fā)生結(jié)冰的位置及其局部條件進行研究。定義測得第一次出現(xiàn)溫度階躍的時間為時間零點t0，可得4個測溫位置發(fā)生結(jié)冰的時間間隔(重復(fù)40組實驗，故取平均值)如圖11所示，發(fā)現(xiàn)任意工況下，優(yōu)先發(fā)生結(jié)冰的位置均為相對距離d為0.15處的換熱壁面，由于該處生成的冰晶沿d增大的方向不斷誘導(dǎo)換熱壁面發(fā)生結(jié)冰，因此相對距離d越大的位置，越晚發(fā)生結(jié)冰。已生成的冰晶沿d增大的方向不斷誘導(dǎo)換熱壁面發(fā)生結(jié)冰的行為主要受流體流動和換熱壁面溫度共同影響，制冰溶液流速沿d增大的方向呈線性變化，但換熱壁面溫度沿d增大的方向呈非線性遞增，因此實際上發(fā)生結(jié)冰的時間間隔隨d的增大呈非線性增大。

圖11 各測溫點發(fā)生結(jié)冰的時間間隔Fig.11 The time interval of occurring freezing in different temperature measuring points

圖12所示為t0時刻各測溫位置的壁面溫度，可發(fā)現(xiàn)在任意工況下，相對距離d為0.15處的壁面溫度明顯低于d為0.25、0.35和0.45處的壁面溫度，這與對流換熱的原理相符。相比于其余3個測溫位置，d為0.15處具有更低的壁面溫度，流經(jīng)其表面的過冷水溫度也更低，這大幅提高了過冷水發(fā)生結(jié)冰的概率，最終導(dǎo)致該處總是優(yōu)先發(fā)生結(jié)冰，這也表明具有更低的壁面溫度是優(yōu)先發(fā)生結(jié)冰的局部條件。

圖12 t0時刻各測溫點壁面溫度Fig.12 The wall temperature at t0 moment in different temperature measuring points

3 結(jié)論

本文通過實驗對平板過冷卻器內(nèi)發(fā)生的結(jié)冰行為進行研究，總結(jié)了兩種典型結(jié)冰行為的特點，分析了載冷劑進口溫度、制冰溶液流量對結(jié)冰行為二的影響規(guī)律，確定了優(yōu)先發(fā)生結(jié)冰的區(qū)域及其局部條件，得到如下結(jié)論：

1)平板過冷卻器內(nèi)出現(xiàn)兩種典型結(jié)冰行為：結(jié)冰行為一表現(xiàn)為過冷卻器內(nèi)不出現(xiàn)結(jié)冰，過冷卻器出口水溶液可達到過冷態(tài)，系統(tǒng)可連續(xù)制取冰漿；結(jié)冰行為二表現(xiàn)為過冷卻器內(nèi)發(fā)生結(jié)冰，過冷卻器出口水溶液達不到過冷態(tài)，系統(tǒng)不能制取冰漿。過冷卻器內(nèi)發(fā)生的結(jié)冰行為主要受壁面溫度和流體擾動的影響。

2)載冷劑進口溫度過低，過冷卻器壁面溫度降低過快，將會促進過冷卻器內(nèi)結(jié)冰行為二的出現(xiàn)，使制冰系統(tǒng)穩(wěn)定性大幅降低。

3)制冰溶液流量較小時，近壁面處的過冷水存在較大的溫度梯度，將促進結(jié)冰行為二的發(fā)生；而制冰溶液流量較大時，由于能量波動水平達到形核功的概率增加，也使結(jié)冰行為二更易發(fā)生。因此制冰溶液流量過大或過小均會促進過冷卻器內(nèi)結(jié)冰行為二的發(fā)生，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定持續(xù)制冰，應(yīng)當選取一個相對可靠的制冰溶液流量，本研究中0.5 m3/h是一個相對可靠的流量。

4)結(jié)冰行為二出現(xiàn)的情況下，過冷卻器內(nèi)相對距離d為0.15的壁面溫度明顯低于d為0.25、0.35和0.45的壁面溫度，且d為0.15處總是優(yōu)先發(fā)生結(jié)冰。因此具有更低的壁面溫度是優(yōu)先發(fā)生結(jié)冰的局部條件。