气体直接接触式制取冰浆实验研究 田新建.doc

中国工程热物理学会 工程热力学与能源利用( 田新建，郑克晴，邱利民，张学军 浙江大学制冷与低温研究所，310027 联系电话：0571E-mail：xuejzhang@zju.edu.cnS.Thongwik等[2]对用CO2作为换热介质的制取冰浆系统进行了研究，利用集总参数法进行计算，给出了一种获取避免在喷嘴处堵塞的溶液配比。为获得较大的换热系数和解决喷嘴堵塞，章学来等[3,4,5]对添加剂和喷射式制冰浆装置进行了研究，使用喷射器能够在一定程度上改善冰堵。代乾等[6]对直接接触式的喷嘴位置和流速对体积换热系数的影响进行了分析。 与液体介质相比，气体介质在与制冰溶液直接接触换热过程中，气体的扰动更加剧烈，换热也就显得更加充分，更容易和水进行分离。为此，本文利用氮气作为低温介质，对系统制冰性能和影响冰堵的因素进行了实验研究。 1 实验装置 为简化实验和利于控制，搭建了如图1所示的实验装置。氮气首先与提供冷量的液氮进行换热，通过设在制冰器下部的喷嘴进入水溶液中，和水溶液进行接触换热后排出。为便于观察，制冰容器采用透明的两层有机玻璃管，两端用法兰密封，在两层管子之间抽真空隔热。制冰容器高度500mm，内管内径50mm。换热器与制冰容器之间的管路和法兰作良好保温。高纯氮气通过一段U形紫铜管与液氮换热获取冷量。通过调节阀和不同长度的U形管获得所需要的流量和温度。流量采用浮子式流量计测量，在流量计处安装压力表和温度传感器，计算出质量流量。用精度为0.1K的PT100热电阻测量温度。安捷伦表每十秒钟采集一次实验温度数据，每5分钟采集一次流量和压力数据。实验开始前，先通低温气体对管路和容器进行预冷，当温度降到接近冰点后，关闭气路，迅速将水溶液用泵送入制冰容器中，再打开气路，进行换热，制取冰浆。 图1 装置示意图 数据处理 2.1 换热效率 换热效率由下列公式计算取得。 （1） （2） （3） 式中，?为换热效率；为氮气释放的冷量，kJ；为理想的最大换热量，kJ；为氮气的质量流量，kg/s；为定压比热，kJ/(kg(℃)；为水温，℃；为氮气入口温度，℃；为氮气出口温度，℃。 ????? （?） ?（?） 式中，为体积换热系数，kW/m3(℃；为水的体积，m3；为水温和入口氮气温度 2.3 气体出口速度 在实验中，由于出口气流的速度很高，气流经过喷嘴所损失的冷量较少，气体离开喷嘴的温度近似等于气体进入喷嘴的温度，气体的出流压力等于大气压，气体的出流速度可通过下式计算。 （?） （?） 为入口氮气的体积流量，m3/s；为对应的氮气密度，kg/m3；d为喷嘴的直径，m；v为氮气出口速度，m/s。 实验与分析 直接接触式换热相当复杂，影响换热的因素也比较多；在制冰过程中，冰也会在喷嘴处产生，从而导致喷嘴冰堵。为生成比较细腻和疏松的冰浆，采用体积比1:9的乙二醇水溶液，并比较喷嘴大小和气体流量对制冰性能的影响。 3.1 影响换热的因素 通入低温氮气后，乙二醇水溶液的温度会不断降低，一旦结冰，溶液温度几乎保持不变，如图2所示。由于溶液的扰动非常剧烈，实验没有发现明显的过冷现象，水温降到冰点，就直接进入制冰阶段，生成细腻的冰浆，继续通入氮气，可观察到越来越多的冰浆产生，实现了连续制冰。图2为制取的冰浆，从图中可以看出，冰浆细腻。经过测量，冰浆含量可达50％以上（mice/mw）。 图2 制取的冰浆 和喷入液体不同[6]，由于气体的出口速度比液体大，气体离开喷嘴就形成众多的气泡，分散程度更好，扰动剧烈，水温分布也很均匀，换热效果更好。图3为换热效率随时间变化的曲线。由图3可以看出，换热效率均接近1，与文献[2]结论一致。但由于实验溶液的容积较少，实验装置高度低，换热时间较短，所以换热效率稍微低一些，但也在90％以上。 通过更换不同孔径的喷嘴，保持流量和温度不变，比较流速对换热效率的影响。在流量为0.0005kg/s，喷嘴孔口直径在(=4mm的情况下，气体出口速度为25~40m/s；喷嘴孔口直径为(=1mm时，出口速度变为400~600m/s。观察发现，直径变小后，气体在溶液中激起的液面更高。图4为溶液温度变化曲线。从图3和图4可以看出，流量和喷嘴直径对换热效率的影响不大，气体离开水溶液的温度与水溶液的温度很接近，换热充分。从图5可以看出，直径变小对体积换热系数的影响也不大。在喷嘴孔口直径变小的情况下出现